Инженерлік энзимология

Инженерлік энзимология

Инженерлік энзимология – биотехнологиялық үрдістерді қарқынды жүргізу қажеттілігіне байланысты пайда болған жаңа ғылыми-техникалық бағыт.

Инженерлік энзимологияның міндеттері – жасушадан бөлініп  алынған немесе онда орналасқан ферменттер мен полиферменттік жүйелердің негізіне “берілген қасиеттері” бар органикалық катализаторларды конструкцияландыру.

“Берілген қасиет” термині осы қасиеттердің алынған катализаторлардың практикалық қажеттіліктері, ферментативті үрдістерді жүргізу жағдайы, арнайылығы, қажетті өнімділігі және т.б мәселелерден туындағандығын білдіреді.

Тірі ағзалар үнемі  қозғалыста және тепе-теңдікте болады, яғни ағзаға сырттан қоректік заттар еніп тұрады және керексіз өнімдер  сыртқа шығарылады. Бұл құбылысты зат алмасу үрдісі деп атайды. Зат алмасудың қалыпты жүруін орталық жүйке жүйесі және эндокриндік (ішкі секреция) бездердің гормондары реттейді. Эндокриндік бездер өз әсерін ферменттер арқылы жүзеге асырады.

Егер ферменттер қатыспаса  ағзадағы химиялық реакциялар өте баяу, әрі ретсіз жүрер еді. Мұндай жағдайда тіршіліктің өзі де болмайды. Сондықтан  да, ферменттер барлық тіршілік үрдістерінің негізі болып табылады. Ал ферменттер әсерінің қандай да болмасын бұзылуы  әр түрлі жайсыз жағдайларға душар  етеді.

Ферменттер деп – ағзада жүретін алуан түрлі биохимиялық  үрдістерге катализатор ретінде  әсер ететін нәруыздық табиғаты бар  қосындыларды айтады.

Әдетте химиялық реакциялардың  жүру жылдамдығын шапшаңдататын  заттарды катализаторлар деп атайтыны белгілі. Ал, ферменттер – өсімдіктер мен жануарлар және микроағзалар жасушаларынан бөлінетін нәруыз тектес, ағзадағы биохимиялық реакцияларды сан мың есе шапшаңдататын  қабілеті бар зат. Мұның қатысуынсыз  қоректік заттардың ағзаға сіңуі мүмкін емес. Осыған байланысты ферменттерді биологиялық катализаторлар деп атайды, өйткені олар зат алмасу үрдісіне тікелей қатысады. Фермент (латынның “Fermentum” – ашу деген мағына береді) деген терминмен қатар әдебиетте энзим (enzym, “en” – ішкі, “zyme” – ашытқы деген мағына береді) деген сөз де қолданылады.

Ферменттерді және олар катализдейтін  реакцияларды зерттейтін бөлім энзимология  деп аталады.

Ферменттер қатысатын  үрдістерді ғылыми тұрғыдан зерттеу  ХVІІ ғасырдың орта кезінен басталды. Осы кезде Гельмонт қанты бар  сұйық заттардың ерекше қоздырушылар көмегімен жүретінін анықтаған. Осыдан кейін Лавуазье ашу кезінде  қант түгелдей көмірқышқыл газына және спиртке айналатынын анықтады.

ХІХ ғасырдың ортасында кейбір фермент препараттары (уыттан – амилаза, қарын сөлінен – пепсин, т.б) бөлініп алынды. Сөйтіп, катализ және катализаторлар жөніндегі ілім пайда болды.

Жалпы өндірістерде ферменттерді қолданудың көптеген тиімді әдістері бар.

Экономикалық маңызды  заттар алу үшін, мол өнім беретін  жасушалар мен ұлпаларды өндіріс  жағдайында өсіру – биотехнологияның жаңа бағыты. Егер дәстүрлі биотехнологияда  құнды биологиялық белсенді заттар алу үшін тұтас ағзаларды. микроағзалар, өсімдіктер, жануарлар пайдаланылып келсе, ал қазіргі биотехнология  – жасушалық биотехнологияға  бағытталған, тап осы жағдайда өсімдіктердің  ерікті және орнықтырылған (иммобилденген) жасушаларын жасанды ортада өсіруге негізделген.

Қоректік ортада өскен  жасушалардан ферменттерді пайдалану  арқылы арзан және қоры мол бастапқы заттардан биологиялық белсенді қосылыстарды синтездеуге болады. Бұл  үрдісті биотрансформация деп атайды.

Жасушалық биотехнологияның келесі қадамы, иммобилденген, яғни орнықтырылған  өсімдік жасушаларын пайдалану.

Дәстүрлі өсімдіктер шикізатын  алумен салыстырғанда, қоректік орталарда өсетін жасушалардың біршама артықшылықтары бар:

1. Өнімді алу климатқа, жыл мезгіліне, топырақ жағдайына байланысты емес;
2. Жасанда ортада өсірудің ең жақсы жағдайларын стандарттауға болады;
3. Барлық үрдістерді толық автоматтандырып компьютерлік бақылауға алуға мүмкіндік бар.

Қазір ферменттерді кеңінен  қолданып отырған елдер: жапония, АҚШ, Англия, Чехословакия, Голландия, Германия. Жапонияда ферменттерді қолданудың қарқынды дамуы соншалық, одан түсетін  табыс ұлттық бюджеттің 20% үлесіне  тең келеді.

Ферменттер халық шаруашылығының нан пісіру саласында да өз тиімділігін  дәлелдеп жүр. Мысалы, бір тонна қамырға небәрі 300 граммдай фермент қосқанда оның қабаруы анағұрлым артады, нанның иісі, дәмі жақсарып, шапшаң пісетін болады. Ферментті препараттар қамырдың ашуын тездету арқылы нан пісіруге кететін уақытты 25%-ға дейін қысқартады. Демек, осы үнемделген уақыт ішінде тағы бірнеше мыңдаған тонна нан өндіруге болады.

Мысалы, жапонияда ірі  масштабта торғайшөптің жасушаларын  жасанды ортада өсіріп, одан шиконин  өндіру жолға қойылған. 20000 литрлік  ферменттерде убихинон-10 өнімін беретін  темекі жасушалары ортаның үзілмейтін ағынында 3 ай бойы өсірілген. Убихинон-10-ның  бір күндік өнімділігі 1 литр суспензияға  шаққанда 5,582г болған.

Қазіргі уақытта дүниежүзінің әр түрлі елдерінде экономика  жағынан маңызды заттар өндіруге бағытталған биосинтез өнеркәсібінде елуден астам өсімдіктер түрлерінің жасушалары қолданылуда. Олардың ішінде женьшень, раубольфия, оймақгүл және дельта тәрізді диоскорея, торғайшөп, итжидек, сасық меңдуана, меруертгүл, ағана, апиын, т.б.

Ферменттік препараттарды  тамақ өнеркәсібінде нан, сыраның  сапасын жақсарту үшін, дайын өнімнің  шығымын көбейту үшін қолданады.

Азық-түліктердің сақтау мерзімін ұзартып, тұрақтылығын арттыратын заттарға антисептиктер, антибиотиктер, тотығуға қарсы заттар жатады. Бұл  заттарды қолдану азықтың сақталу  кезінде бүлінуден, сапасын жоғалтудан сақтайды.

Биокатализатордың жаңа түрі – иммобилизденген, яғни байланысқан  ферменттерді жасау қолданбалы энзимологияның алдында жаңа көрініс ашты. Иммобилизденген  (латын тілінде “immobilis” – қозғалмайтын деген сөз) ферменттер дегеніміз қатты таянышқа (полимерге, целлюлозаға, әйнекке) бекіген ферменттер. Бұлар ерімейтін материалмен ковалентті байланысады. Бекітілген ферменттерді қолдану бұрыннан белгілі. Мысалы, 1916 жылы Дж. Нельсон мен Гриффин көмірге адсорбцияланған интерфаза өзінің каталитикалық белсенділігін сақтайтынын көрсеткен. Бірақ, 1939 жылы тері өңдеу үшін ағаш үгінділеріне адсорбцияланған протиолитикалық ферменттерді пайдалануды ұсынған Дж.Пфаймюллер мен Г.Шлейхке иммобилизденген ферменттерді пайдаланғаны үшін бірінші патент берілді. 1959 жылы Н.Грубкофер мен Д.Шлейт ферменттерді иммобилиздеу үшін жаңа әдістеме – ковалентті байланыстарды алғаш рет қолданды.

Ферменттерді иммобилиздеу – бұл бос ерітінді фазасынан  бөлінген, бірақ онымен субстрат, эффектор немесе ингибитор молекулаларымен  алмасуға қабілеті бар қандай да бір фазаға биокатализатор молекуласын қосатын әдістеме. Мұндай бекіген ферменттер біртіндеп өте тұрақтана түседі. Айлар бойы, тіпті ұзақ жылдар бойы әрекет жасаған иммобилизденген ферменттер белгілі, олар іс жүзінде жақсы химиялық катализаторлардан кем емес. Әдетте жасушалардан бөлініп алынған ферменттер тез бұзылады, өзінің белсенділігін жоғалтады.

Иммобилизденген ферменттер кең көлемде амин қышқылы, витаминдер, қант, антибиотиктер және дәрілер  сияқты аса тапшы азық-түліктің және жемшөптік заттар өндірісінде қолданыла  бастады. Қазіргі кезде мұндай ферменттерді қолданатын кәсіпорындар жүздеген тонна  өнім шығарады. Мұндай кәсіпорындарда ағаш ұнтағын, сабанды, мақта сабағын, өсімдік қалдықтарын глюкозаға айналдырады да, кейін одан жемшөптік нәруыз немесе этил спиртін алады.

Соңғы жылдары ғалымдар ферменттер иммобилизденуіне қажетті ферментті  синтездейтін микроағзаларды полимерлерге тұрақтандыруға кірісті.

Сүйектің барлық ауруы  кезінде қан сарысуында сілтілік фосфотазаның белсенділігі артады. Емханаларда  кей ауруларды емдеу үшін пепсин, трипсин, химотрипсин сияқты протиолиттік ферменттерді қолданады. Былғары өндірісінде  мұндай ферменттер тері өңдеу үшін және былғары шикізатын жұмсарту үшін қолданылады.

Иммобилизденген ферменттердің  белсенді ферменттермен салыстырғанда  елеулі артықшылықтары бар. Мысалы, олар реакциялық ортадан оңай бөлінеді. Бұл реакцияны кез-келген уақытта  тоқтатып, катализатормен ластанбаған  өнімдерді алуға және фермент  препаратын бір немесе бірнеше рет қолдануға мүмкіндік береді.

Иммобилизация әдістерімен  сәйкес тасымалдаушыларын іріктеп  алу ферменттердің арнайылығын  көрсететін – РН, температурасына тәуелділігін және денатурациялаушы әсерлерге тұрақтылығы сияқты қасиеттерін мақсатты түрде өзгертуге болады.

Қорыта келе, инженерлік энзимология қазіргі кезде қарқынды дамып келе жатқан биотехнологияның бір саласы, мақсаты – жаңа биотехнологиялық өндірістерде, органикалық синтезде, терапия және диагностикада жаңа тәсілдерді пайдалану үшін ферментті  катализаторларды қолданудың ғылыми негіздерін жасау, сонымен қатар иммобилизденген  ферменттердің көмегімен энзимологияның іргелі мәселелерін шешу болып табылады.