Два типа носителей: ОРГАНИЧЕСКИЕ И НЕОРГАНИЧЕСКИЕ

Иммобилизованные ферменты и клетки и преимущества их применения в биотехнологии

Методы иммобилизации ферментов (химические, физические).

Иммобилизация представляет собой включение фермента в такую среду, в которой для него доступной оказывается лишь ограниченная часть общего объема. На практике для иммобилизации ферментов используют рутинные физические и химические методы. Все существующие методы физической иммобилизации (т. е. иммобилизации, при которой фермент не соединяется с носителем ковалентными связями) могут быть подразделены на четыре основные группы:

· адсорбция на поверхности нерастворимого носителя (или как иногда говорят матрикса);

· включение в поры геля;

· пространственное разделение фермента от остальной части реакционной смеси с помощью полупроницаемой мембраны;

· введение фермента а двухфазную реакционную среду, в которой он растворим, но может находиться только в одной из фаз.

Эффективность ферментативных процессов, используемых в самых раз-личных областях человеческой деятельности, удалось увеличить с помощью иммобилизации ферментов. Иммобилизованные ферменты обладают не-сколькими преимуществами над своими растворимыми аналогами:

1) могут быть отделены от продукта и использованы повторно, что снижает стоимость процесса;

2) характеризуются повышенной стабильностью и длительным со-хранением активности;

3) пригодны для непрерывных процессов, которые, в свою очередь, облегчают контроль за качеством и снижают стоимость труда;

4) время реакции может быть уменьшено за счет создания более вы-сокого соотношения ферментов и субстратов;

5) возможностью создания мультиферментных систем.

Однако применение ферментов ограничено из-за их низкой стабильности, способности катализировать только одну единственную реакцию, высокой стоимости чистых препаратов. Кроме того, для практических целей могут использоваться только те ферменты, для которых не требуется регенерации кофакторов. Поэтому в настоящее время наряду с иммобилизацией ферментов внимание исследователей все больше привлекает иммобилизация клеток и органелл.

Преимущество. Живая клетка в отличие от фермента представляет собой готовый биотехнологический реактор, в котором реализуются не только процессы, приводящие к образованию конечного продукта, но и многие другие, способствующие поддержанию каталитической эффективности системы на высоком уровне (например, регенерация кофакторов). Поскольку ферменты функционируют в нативном окружении, их денатурация в процессе работы сводится к минимуму.

Недостатки. Например, клеточная стенка или плазматическая мембрана могут препятствовать проникновению субстрата к ферменту или диффузии продукта из клетки. Кроме того, возникает необходимость поддержания целостности клеток и удержания их в той фазе роста, в которой синтезируются требуемые ферменты. Наконец, из-за большого числа присутствующих в клетке ферментов (что в ряде случаев рассматривается как достоинство) возможно протекание нежелательных побочных реакций.

Два типа носителей: ОРГАНИЧЕСКИЕ И НЕОРГАНИЧЕСКИЕ

Органические полимерные носители

два класса:

1 - природные полимеры (подразделяются на группы в соответствии с их биохимической классификацией: полисахаридные, белковые и липидные носители.)

Агар - природный полисахарид, выделяемый из клеточных стенок некоторых морских водорослей. Точный состав его не известен, но установлено, что он содержит, по крайней мере, два полисахарида: агарозу и агаропектин. Преимуществом агара является его низкая стоимость и нетоксичность.

Хитин - природный аминополисахарид, напоминающий некоторым образом целлюлозу и является компонентом наружного скелета ракообразных, насекомых, а также входит в состав оболочек некоторых грибов. Являясь отходом промышленной переработки креветок и крабов, данное соединение имеется в достаточно больших количествах при относительно низкой стоимости. Препараты обладают высокой каталитической активностью и устойчивы к микробному воздействию.

Целлюлоза. Для увеличения механической прочности целлюлозу гранулируют, что делает ее относительно дешевым и удобным для иммобилизации различных ферментов носителем. Однако она неустойчива к действию сильных кислот, щелочей и некоторых окислителей, что ограничивает области ее применения.

2 - синтетические полимерные носители. (группы: полиметиленовые, полиамидные и полиэфирные носители), используются для получения гелей и микрокапсул.

Применение природных полимеров в качестве носителей аргументируется их доступностью и наличием свободных функциональных групп, легко вступающих в разнообразные химические реакции, а также их высокой гидрофильностью. К недостаткам следует отнести неустойчивость к воздействию некоторых микроорганизмов и относительно высокую стоимость многих из них.

Неорганические носители создаются на основе силикагеля, глины, керамик, природных минералов, металлоы, уголь.

Основными качествами, определяющими широкое внедрение неорганических носителей в производственные процессы, является легкость их регенерации и возможность придания им любой конфигурации. Они могут применяться как в виде порошков, шариков, так и монолитов; они могут быть как пористыми, так и сплошными (непористыми).

Достоинства микропористых кремнеземов следует отнести механическую прочность, химическую инертность по отношению ко многим растворителям, наличие жесткого скелета с заданным размером пор, а также устойчивость к микроорганизмам.

Недостатками кремнеземов является их использование в ограниченном диапазоне рН, а также явление неспецифической сорбции на их поверхности, хотя последнее может быть устранено различными модифицирующими воздействиями. Очень дорогие.