Иммобилизация целых клеток микроорганизмов и растений. Моноферментные биокатализаторы на основе целых клеток. Повышение проницаемости оболочки у иммобилизуемых клеток
Непревзойденным «мастером» иммобилизации является живая клетка. Ферменты, связанные в клетке естественным путем, без труда превосходят все искусственно иммобилизованные ферменты по активности и стабильности. Последовательное «включение» ферментных реакций в мультиферментных системах или регенерация коферментов не представляет для клетки никаких трудностей. При этом каждый фермент имеет в клетке оптимальную микросреду. Лишь после иммобилизации ферментов биотехнологам пришла в голову мысль сходными методами иммобилизовывать целые микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Поэтому нет принципиальных различий между иммобилизацией ферментов и клеток. Иммобилизуются как живые, так и мертвые клетки микроорганизмов, но в последнем случае ферменты должны быть еще активными.
Особые успехи в области иммобилизации клеток достигнуты в Японии. Профессору Сибате принадлежат пионерские работы не только по иммобилизации ферментов, но и по фиксированию на носителях целых клеток. Например, его группой разработан процесс синтеза аспарагиновой кислоты из фумаровой с помощью иммобилизованных в геле клеток Е.соli. Таким образом, ежегодно получают 600 т. аспарагиновой кислоты. Лишь через 120 суток активность аспартазы бактерий уменьшается вдвое.
Сходный процесс с иммобилизованными клетками Brevibacterium позволяет получить L- яблочную кислоту из фумаровой; таким путем ежегодно производится 180 т. яблочной кислоты.
|
|
|
В этих случаях используется один-единственный бактериальный фермент (аспартаза и фумараза).
Естественно, еще более пригодны иммобилизованные микроорганизмы для многоступенчатых процессов, например, широкие возможности открываются при производстве спирта с помощью иммобилизованных дрожжей. Этанол образуется из глюкозы в анаэробных условиях в результате многоступенчатой реакции, в которой используются системы регенерации АТФ и НАДФ. Японская компания «Киова Хакко» длительное время на опытных заводских установках с иммобилизованными клетками дрожжей получает 2400 л. спирта в день из тростниково-сахарной массы. Производительность такого полностью автоматизированного процесса в 20 раз выше по сравнению с традиционными реакторами периодического действия, причем затраты на электроэнергию и рабочую силу существенно ниже.
Возможности иммобилизованных клеток велики. Их можно использовать практически во всех известных сегодня биотехнологических процессах. По сравнению со свободноживущими клетками иммобилизованные клетки обладают преимуществами, например, при производстве аспарагиновой кислоты из фумаровой с помощью иммобилизованных клеток издержки производства снизились на 40%, благодаря повышению производительности труда, экономии фондов заработной платы, автоматизации и повышению выхода продукта.
|
|
|
Преимущества иммобилизованных клеток заключаются, прежде всего, в том, что отпадает необходимость в очистке ферментов, причем активность и стабильность иммобилизованных клеток очень высоки, с их участием легко осуществляются многоступенчатые процессы, при которых требуется регенерация коферментов, но с участием иммобилизованных клеток не удается расщепить высокомолекулярные субстраты (например, крахмал), т.к. они не могут преодолеть такого барьера, как клеточная мембрана. В этом случае можно было бы одновременно использовать клетки и внеклеточные ферменты.
Для аналитических целей можно подключить иммобилизованные клетки к сенсорам, но время измерения с помощью бактериальных сенсоров значительно больше, чем в случае ферментных, вследствие длительной диффузии субстрата через мембраны клеток, кроме того, бактериальные сенсоры менее чувствительны и часто не столь специфичны, как ферментные сенсоры. Это делает ферментные сенсоры особенно удобными при определении таких сложных параметров, как, например, общее число соединений, подвергающихся биологической деградации. Для контроля состояния окружающей среды при определениях содержания кислорода в сточных водах в Японии используют микробиологический сенсор. Этот анализ занимает всего несколько минут вместо 5 дней, необходимых при традиционных определениях. Недостатком микроорганизмов является то, что в отличие от изолированных ферментов это сложные системы, причем в результате происходящего в них обмена веществ могут образовываться побочные продукты, которые должны быть в последствии удалены. Кроме того, при применении ферментов на 1 г можно иммобилизовать приблизительно в 10 раз большую активность, чем при иммобилизации клеток, т.е. при том же количестве носителя преобразовывать больше субстрата.
|
|
|
Таким образом, иммобилизованные клетки в ближайшем будущем не смогут заменить иммобилизованные ферменты. Скорее, обе формы иммобилизованных на носителях биокатализаторов дополняя друг друга, будут играть важную роль в промышленности завтрашнего дня.
Соиммобилизация.
Под соиммобилизацией понимают совместную иммобилизацию различных биокатализаторов: двух или более ферментов, видов клеток,… комбинаций ферментов и другие варианты.
Иммобилизация нескольких ферментов позволяет осуществить многостадийные процессы in vitro. Многостадийные процессы могут осуществлены также с использованием нескольких видов соиммобилизованных клеток, в частности смешанных культур микроорганизмов. Так, трансформация сорбозы в 2-кето-L гулоновую кислоту, легко переводимую в результате химического окисления в аскорбиновую кислоту, происходит при участии соиммобилизованных клеток Gluconobacter melanogenes и Pseudomonas syringia.
Большое внимание уделяют соиммобилизации ферментов и клеток. При этом возможны два варианта:
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 1164; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!