Высшее образование
Применение иммобилизованных ферментов
жүктеу/скачать 5 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 4.6.5. Ферментативная конверсия целлюлозы в глюкозу
- 4.6.6. Биосенсоры на основе иммобилизованных ферментов
- 4.6.7. Иммобилизованные ферменты в медицине
- Глава 5
4.6.5. Ферментативная конверсия целлюлозы в глюкозу В связи со значительным исчерпанием углеводородного сырь насущной проблемой для дальнейшего развития биотехнологи, становится освоение новых сырьевых источников. По существу №- исчерпаемый и одновременно возобновляемый источник сырь представляет собой растительная биомасса (многолетние расте ния, вторичные продукты и отходы их промышленной и сельскс хозяйственной переработки), основным компонентом которой слу жит целлюлоза (клетчатка). Ежегодно на Земле создается окол 100 млрд т целлюлозы. Благодаря плотной упаковке линейно построенных полигль козидных цепей целлюлоза устойчива к действию большинств растворителей и химических агентов, в том числе сильных кислс В природе существуют так называемые целлюлолитические орг низмы (бактерии, плесневые грибы) и некоторые виды насек» мых, содержащие полиферментные комплексы целлюлаз, обе печивающие гидролиз клетчатки до глюкозы. Целлюлазный ком» леке ферментов включает эндо-1,4-(3-глюканазу, экзоцеллоби гидролазы, целлобиазы и экзо-1,4-р-глюкогидролазу, механи| действия которых на клетчатку оказался одинаковым для всех Щ следованных целлюлазных комплексов независимо от их npoi хождения. Попадая на целлюлозосодержащие материалы, мик|. организмы выделяют целлюлазы, которые, сорбируясь (иммобшзуясь) на субстрате, постепенно расщепляют его до глюкозы. В последние годы разработаны технологические схемы для непрерывного ферментативного гидролиза целлюлозы на уровне опытных установок. Процесс протекает в противоточных реакторах колонного типа, плотно заполненных целлюлозой. Расчеты показывают, что перевод процесса на промышленный уровень обеспечивает получение 24 т глюкозы в сутки. Дальнейшее совершенствование эффективности метода конверсии целлюлозосодержащего сырья в глюкозу и далее в этанол и углеводороды позволит создать альтернативные пути получения ценных моносахаридов и жидкого топлива из возобновляемого сырья, а также решить еще одну важную проблему — утилизацию экологически опасных отходов производства. 4.6.6. Биосенсоры на основе иммобилизованных ферментов Высокая эффективность биологических катализаторов и специфичность их действия делают ферменты идеальными реагентами для аналитической химии. Благодаря этим особенностям с помощью ферментов обнаруживаются вещества при предельно низкой концентрации в присутствии множества других соединений. К настоящему времени созданы искусственные аналитические системы различных конструкций (биосенсоры, датчики, ферментные электроды, проточные анализаторы), содержащие иммобилизованные ферменты и клетки и предназначенные для автоматического детектирования продуктов энзиматического превращения. Например, если использовать иммобилизованную глюкозо- оксидазу, то концентрацию окисляемой кислородом глюкозы определяют, регистрируя количество выделившегося в ходе реакции пероксида водорода: Н Н ОНН нон2с—с—с—с—с—сСн +02 + Н20 ОН ОНН ОН Н Н ОНН —- нон2с—с—с—с—с—ct + Н202 I I I I ^он ОН ОНН он В зависимости от концентрации анализируемых веществ выбирают тот или иной способ их детекции. Так, количественное содержание пероксида водорода (ммоль/л) можно определить одним из нижеследующих методов: Начаты разработки новых поколений биодатчиков на базе аффинных взаимодействий (биосродства) типа фермент-ингибитор, антитело-антиген, агонист (антагонист)-клеточный рецептор, а также на основе полупроводниковых структур и мезоэлектричес- кого эффекта. Последние два биодатчика дают возможность создавать сенсоры, чувствительные к газам, что имеет существенное значение для создания роботов, реагирующих на изменения внешних воздействий. Технологические варианты реакторов с иммобилизованными ферментами весьма разнообразны — колонки, трубки, полые волокна и пр. С их помощью на практике определяют концентрацию широкого спектра соединений — глюкозы, аминокислот, мочевины, пенициллина, АТФ, НАДН, ФМН, стероидов, триглице- ридов, желчных кислот и многих других (J.Aylott, R. Kopelman, 2000). Так, американскими исследователями сконструирован микродатчик на основе глюкозооксидазы и рутениевого красителя, иммобилизованных в полиакриламидной матрице с использованием субмикронных оптических волокон. Микробиосенсор, не вызывая повреждений, может быть введен в клетку и даже в отдельные ее компартменты для измерения содержания в них глюкозы и кислорода. Предложены датчики на базе иммунодетекции для проведения экспресс-анализов на присутствие производных диоксина (Nomura et. al., 2000) и оценки содержания биогенных аминов (с помощью моноаминооксидазы) в пищевых продуктах в связи с процессами их старения. Для определения мочевины ферментным электродом требуется всего 30 с. Биосенсоры на основе иммобилизованных ферментов помогают выполнять десятки быстрых и точных анализов при диагностике заболеваний, контролировать содержание вредных веществ (инсектицидов, пестицидов, удобрений) в пищевых продуктах и в воздухе. Биосенсоры нашли применение в решении аналитических задач в химической и микробиологической промышленности, а также в научных исследованиях. 4.6.7. Иммобилизованные ферменты в медицине Иммобилизованные ферменты имеют огромное значение для медицины. В частности, большой рынок сбыта занимают тромбо- литические ферменты, предназначенные для борьбы с сердечнососудистыми заболеваниями. Так, в отечественную клиническую практику внедрен препарат «стрептодеказа», содержащий стреп- токиназу — активатор предшественника протеиназы плазмина, предотвращающий образование тромба в кровеносной системе.Ферменты, разрушающие некоторые незаменимые аминокислоты (например, аспарагиназа), используют для борьбы со злокачественным ростом опухолей. Протеолитические ферменты (трипсин, химотрипсин, субтилизин, коллагеназа), иммобилизованные на волокнистых материалах (целлюлоза, полиамидные волокна, декстран и др.), применяют для эффективного лечения ран, язв, ожогов, абсцессов, а их белковые ингибиторы — в заместительной терапии для лечения эмфиземы и панкреатитов. Исключительно важны с практической точки зрения работы, посвященные направленному транспорту лекарственных веществ. В этом отношении особенно выгодны инкапсулированные ферменты типа искусственной клетки. Так, микрокапсулы, стенки которых представлены оболочкой эритроцита («тень эритроцита»), а их содержимое заполнено ферментом аспарагиназой, переносятся кровотоком к зонам скопления аспарагина и поэтому применяются для лечения аспарагинзависимых опухолей, в частности саркомы. Колонки, заполненные микрокапсулами с ферментом, используют для диализа в аппарате «искусственная почка», которая работает в 100 раз эффективнее обычного аппарата. Таким образом, использование иммобилизованных ферментов во многих жизненно важных отраслях народного хозяйства становится все более массовым. Выгодное сочетание избирательности и эффективности с долговечностью и стабильностью иммобилизованных ферментов в корне меняет химическое производство, способы добывания сырья, способствует созданию новых биотехнологических процессов и методов терапии, совершенствует медицинскую диагностику, анализ, органический синтез и оказывает огромное влияние на образ жизни человека.Глава 5 ОСНОВЫ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ 5.1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ Генетическая инженерия — ветвь молекулярной генетики, исследующая возможности и способы создания лабораторным путем (in vitro) генетических структур и наследственно измененных организмов, т.е. создания искусственных генетических программ, с помощью которых направленно конструируются молекулярные генетические системы вне организма с последующим их введением в живой организм. Обычно употребляют два названия данного научного направления — генетическая инженерия и генная инженерия, являющиеся как бы синонимами. Однако их смысловое содержание неодинаково: генетическую инженерию связывают с генетикой, а генная имеет отношение только к генам. Кроме того, генетическая инженерия точнее раскрывает содержание дисциплины — создание генетических программ, основная задача которых — создание in vitro молекул ДНК посредством соединения фрагментов ДНК, которые в естественных условиях чаще не сочетаются благодаря межвидовым барьерам (рекомбинантные ДНК). Молекула рекомбинантной ДНК представляет собой соединенные в бесклеточной системе два компонента: вектор, обеспечивающий механизм репликации и экспрессии, и фрагмент клонируемой («чужеродной») ДНК, содержащий интересующие исследователя генетические элементы. Согласно определению национальных институтов здоровья США, «рекомбинантными ДНК называют молекулы ДНК, полученные вне живой клетки путем соединения природных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироваться в клетке». Генетическая инженерия возникла на стыке многих биологических дисциплин: молекулярной генетики, энзимологии, биохимии нуклеиновых кислот и др. Первая реком- бинантная ДНК получена в 1972 г. (П. Бергом с сотр.) и была составлена из фрагмента ДНК обезьяньего вируса ОВ40 и бактериофага X dvgal с галактозным опероном Е. coli. Формально 1972 г. следует считать датой рождения генетической инженерии. Генетическая инженерия имеет яркую историю благодаря тому общественному резонансу, который она вызвала с самых первых своих шагов. Начало этим событиям положило послание участников Гордоновской конференции (1973) президиуму АН США, в котором говорилось о возможной опасности технологий рекомби- нантных ДНК для здоровья человека. Возможные блага генетической инженерии признавались с самого начала, но разногласия по данной проблеме не затихли и сейчас. В табл. 5.1 перечислены основные этапы становления и развития генетической инженерии.
жүктеу/скачать 5 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|