Чтение онлайн

В кожевенной промышленности протеазы микробного происхождения применяют для удаления со шкур волос и щетины и для дубления кож. Ранее для дубления применяли фекалии животных. Это была очень неприятная работа. И вот сегодня открыт секрет этого процесса: полезные свойства экскрементов, благодаря которым они использовались для дубления кож и удаления со шкур волос, основаны на том, что содержащиеся в них микробы выделяют протеазы.

В молочной промышленности также «работают» микробные протеазы: они расщепляют белок молока казеин, так как в связи с резко возросшим производством сыра сычужный фермент становится всё менее доступным. Однако методами генной инженерии уже получены такие бактерии, которые продуцируют в биореакторах сычужный фермент животных. В сельском хозяйстве протеазы примешивают к животному корму, для того чтобы сделать его более усвояемым.

Воздействуя протеазами на отходы переработки рыбы, можно отделить белок «до костей» и превратить его в смесь аминокислот — отличная добавка к корму для скота.

Область применения ферментов, расщепляющих белки, далеко не исчерпана вышесказанным. Разумеется, предпосылкой к этому является мощная биотехнологическая промышленность, способная дёшево и в больших количествах вырабатывать ферменты из микробов. Биотехнологи ведут интенсивный поиск таких микроорганизмов, которые продуцируют очень активные и стабильные ферменты. В качестве таких «рабочих лошадок» наиболее перспективны прежде всего микроорганизмы, выживающие в экстремальных условиях — в горячих вулканических источниках, в оттоках из рудных или серных источников, в бассейнах для добывания соли методом осаждения, в которых испаряется морская вода и остаётся кристаллическая поваренная соль, или же на морском дне под высоким давлением.

Однако часто даже не требуется снаряжать экспедиции к далеким вулканам для того, чтобы отыскать такие «живучие» микроорганизмы. В ГДР в Лейпцигском институте биотехнологии в «титане» с горячей водой были обнаружены бактерии, которые имели наибольшую активность при температурах между 75 и 92 °С.

Как же получают ферменты из микробов? Если речь идёт о протеазах и амилазах, то относительно просто: микробы, в частности штаммы Bacillus или леечной плесени Aspergillus, выращивают в белковых или крахмальных смесях. Затем побуждают микроорганизмы к усиленному выделению в окружающую жидкость протеаз, расщепляющих белки, или амилаз, расщепляющих крахмал. После отделения микробных клеток получают смесь непотреблённых питательных веществ и выделенных ферментов. Посредством центрифугирования тяжёлые молекулы, в данном случае ферменты, осаждаются в виде концентрированного донного осадка. Потребителям они отпускаются либо в жидком виде, либо в форме высушенного порошка.

«Переваривание» крахмала амилазами применяется при промышленном производстве виноградного сахара (глюкозы). Виноградный сахар получил своё название от винограда, в котором был найден впервые. В качестве строительного «блока» он содержится в свекловичном сахаре, молочном сахаре и крахмале.

Для получения виноградного сахара сначала распускают в воде белый безвкусный порошок кукурузного или картофельного крахмала, варят крахмальный клейстер и кипятят его несколько часов. Это делается для того, чтобы облегчить амилазам доступ к оптимальным участкам воздействия в молекуле крахмала. При температурах 35—60 °С к крахмальному клейстеру добавляют микробные амилазы. Через короткий срок весь крахмал разлагается до глюкозы, которую остаётся только очистить и высушить.

Однако в этом процессе имеется одна «загвоздка»: как и в случае с моющими средствами, ферменты могут быть использованы только единожды. И это очень досадно! Ведь они были бы в состоянии расщепить много больше крахмала, чем в этом одноразовом процессе. Однако пока что не удаётся разработать дешёвый способ извлечения ферментов из концентрированных сахарных растворов с целью повторного применения.

И вот в связи с этим в начале шестидесятых годов биотехнологам пришла в голову блестящая идея: они решили попробовать прикрепить ферменты к довольно большим, видимым невооружённым глазом шарикам таким образом, чтобы они могли по-прежнему исполнять свои функции, подобно тому как собака, посаженная на цепь, может по-прежнему лаять, а при случае и укусить. Такие ферменты уже не мобильны, то есть они не могут свободно перемещаться в растворе. Про подобные закреплённые молекулы говорят, что они иммобилизованы (неподвижны). Поэтому новый метод работы был назван методом с иммобилизованными ферментами.

Например, ферменты могут быть иммобилизованы путём химического связывания со стеклом или полимером в случае использования стеклянных или пластмассовых шариков; иммобилизация ферментов может заключаться также в том, что ферментные молекулы включаются в поры полимерных материалов. «Бегство» молекул ферментов и в том и в другом случаях становится невозможным. Шарики или пористые частицы имеют такие размеры, что могут быть без труда с помощью фильтров грубой очистки вновь выделены из биореакторов. После недолгого отмывания их можно опять применить в новом процессе; более того, многие ферменты в результате иммобилизации становятся даже стабильней, так как, располагаясь в порах губчатых материалов, они обретают защиту от разрушения «прожорливыми» микробами.

Сравнение эффективности применения растворимых амилаз и амилаз, адсорбированных (иммобилизованных) на пористых стеклянных шариках, для получения глюкозы из крахмала.

Теперь посмотрим, как применяются иммобилизованные ферменты в промышленности.

Например, амилазы, расщепляющие крахмал до виноградного сахара, иммобилизуют на пористых стеклянных шариках: они становятся прочно закреплёнными на поверхности шариков и в их порах. Иммобилизованные таким образом ферменты (то есть стеклянные шарики, «содержащие» ферменты) загружают в большую стальную колонну биореактора. Через биореактор пропускают очищенный раствор крахмала. Амилазы, иммобилизованные на стеклянных шариках, расщепляют протекающий крахмал до глюкозы. Специально установленное сито препятствует тому, чтобы шарики покидали реактор вместе с раствором глюкозы. Такой проточный реактор может работать месяцами, пока не будут исчерпаны (то есть так или иначе потеряны в результате растворения, разрушения и т. д.) до конца все амилазы или пока в биореакторе не поселятся вредные микробы.

Виноградный сахар — это ценный продукт питания для грудных младенцев, больных людей, да и для спортсменов, так как он легко и быстро усваивается организмом. Но, к сожалению, он имеет только половинную сладость по сравнению со свекловичным или тростниковым сахаром. Это легко проверить: в двух стаканах воды растворить в одном ложку свекловичного, а в другом ложку виноградного сахара; попробовав «водичку» из того и из другого стакана, можно легко убедиться, что виноградный сахар совсем не даёт привычной сладости.

В таких гигантских биореакторах (высота 30 м, вместимость 240 м 3 ) фирма Киова Хакко (Хофу, Япония) выращивает микробов, которые при участии кислорода ежегодно вырабатывают 20 000 т глутамата — соли глутаминовой кислоты (вкусовая добавка к пищевым продуктам) — и 10 000 т аминокислоты лизина, используемой как кормовая добавка.

Это отнюдь не лаборатория в космосе, а установка для иммобилизации живых дрожжевых клеток на полимерных материалах. Здесь стерильные условия — главное и обязательное требование, поэтому японские служащие надевают защитную одежду.

Кариес — разрушение зубов — одно из самых распространённых заболеваний человека, это своего рода «эпидемия» в современном обществе. Возникновение кариеса обусловлено деятельностью бактерий, которые питаются остатками сладкой пищи в полости рта. В результате бактерии образуют отложения и выделяют кислоты, разрушающие зубную эмаль. Поэтому наиболее частыми «жертвами» кариозных бактерий становятся любители сладостей. Бороться с этими бактериями можно при помощи чистки зубов и укрепления их путём приёма фтора, а также путём сокращения потребления сахара.

Однако почти никто не проявляет большой охоты отказаться от сладкого. Поэтому уж давно идёт поиск таких заменителей сахара, которые бы, не отличаясь от него по вкусу, в то же время не служили пищей кариозным бактериям, а также имели значительно меньшую калорийность (пищевую ценность), благодаря чему не способствовали увеличению массы тела «сластены». Хотя найденные ранее заменители сахара — цикламаты и сахарин — очень сладкие, но всё же они не имеют вкуса «настоящего сахара» [30] . Поиски новых веществ со сладким вкусом продолжаются. Это необходимо не только для лакомок, но и для миллионов больных «сахарной болезнью» (сахарным диабетом), для которых сахар может играть прямо-таки роль яда. Кроме того, к сожалению, всё время возрастает число людей с избыточной массой тела; очень часто причина этого состоит попросту в том, что едят слишком много сахара и жиров. Виноградный сахар, образуемый из крахмала амилазами, видимо, не совсем подходит в качестве заменителя сахара из-за своего недостаточно сладкого вкуса; его применение, следовательно, приведёт к увеличению доз, то есть опять-таки к избыточному поглощению питательных веществ.