Методы иммобилизации ферментов

 

Существуют два принципиально различных метода иммобили­зации ферментов: без возникновения ковалентных связей между ферментом и носителем (физические методы иммобилизации) и с образованием ковалентной связи между ними (химические ме­тоды иммобилизации). Каждый из этих методов осуществляется разными способами.

(См. Приложение 3)

Физические методы иммобилизации ферментов реализуются посредством:

- адсорбции фермента на нерастворимом носителе;

- путем включения энзимов в поры поперечносшитого геля;

- путем включения энзимов в по­лупроницаемые структуры или двухфазные системы.

Адсорбция ферментов на нерастворимых носителях. При ад­сорбционной иммобилизации белковая молекула удерживается на поверхности носителя за счет электростатических, гидрофобных, дисперсионных взаимодействий и водородных связей. Адсорбция была первым методом иммобилизации ферментов (Дж. Нельсон, Э. Гриффин, 1916), но и сейчас не потеряла своего значения и стала наиболее широко распространенным способом получения иммобилизованных ферментов в промышленности. В литературе описано получение адсорбционным способом более 70 иммобили­зованных ферментов с использованием главным образом таких но­сителей, как кремнезем, активированный уголь, графитовая сажа, различные глины, пористое стекло, полисахариды, синтетичес­кие полимеры, оксиды алюминия, титана и других металлов. Пос­ледние применяются наиболее часто. Эффективность адсорбции молекулы белка на носителе определяется удельной поверхностью (плотностью центров сорбции) и пористостью носителя. Процесс адсорбции ферментов на нерастворимых носителях отличается край­ней простотой и достигается при контакте водного раствора фер­мента с носителем (статистическим способом, при перемешива­нии, динамическим способом с использованием колонок). С этой целью раствор фермента смешивают со свежим осадком, напри­мер, гидроксида титана, и высушивают в мягких условиях. Актив­ность фермента при таком варианте иммобилизации сохраняется практически на 100 %, а удельная концентрация белка достигает 64 мг на 1 г носителя.

К недостаткам адсорбционного метода следует отнести невы­сокую прочность связывания фермента с носителем. При измене­нии условий иммобилизации могут происходить десорбция фер­мента, его потеря и загрязнение продуктов реакции. Существенно повысить прочность связывания фермента с носителем может предварительная его модификация (обработка ионами металлов, полифункциональными агентами – полимерами, белками, гид­рофобными соединениями, монослоем липида и пр.). Иногда, наоборот, модификации подвергается молекула исходного фер­мента, однако зачастую это ведет к снижению его активности.

Иммобилизация ферментов путем включения в гель. Способ иммобилизации ферментов путем включения в трехмерную струк­туру полимерного геля широко распространен благодаря своей простоте и уникальности. Метод применим для иммобилизации не только индивидуальных ферментов, но и мультиэнзимных ком­плексов и даже интактных клеток. Иммобилизацию ферментов в геле осуществляют двумя способами. В первом случае фермент вво­дят в водный раствор мономера, а затем проводят полимериза­цию, в результате которой возникает пространственная структура полимерного геля с включенными в его ячейки молекулами фер­мента. Во втором случае фермент вносят в раствор уже готового полимера, который впоследствии переводят в гелеобразное со­стояние. Для первого варианта используют гели полиакриламида, поли-винилового спирта, поливинилпирролидона, силикагеля, для второго – гели крахмала, агар-агара, каррагинана, агарозы, фос­фата кальция.

Иммобилизация ферментов в гелях обеспечивает равномерное распределение энзима в объеме носителя. Большинство гелевых матриц обладает высокой механической, химической, тепловой и биологической стойкостью и обеспечивает возможность много­кратного использования фермента, включенного в его структуру. Однако метод непригоден для иммобилизации ферментов, дей­ствующих на водонерастворимые субстраты.

Иммобилизация ферментов в полупроницаемые структуры. Сущ­ность этого способа иммобилизации заключается в отделении вод­ного раствора фермента от водного раствора субстрата с помо­щью полупроницаемой мембраны, пропускающей низкомолеку­лярные молекулы субстратов и кофакторов, но задерживающей большие молекулы фермента. Разработано несколько модифика­ций этого метода, из которых интерес представляет микрокапсулирование и включение ферментов в липосомы.

Первый способ предложен Т.Чангом в 1964 г. и состоит в том, что водный раствор фермента включается внутрь замкнутой мик­рокапсулы, стенки которой образованы полупроницаемым поли­мером. Один из механизмов возникновения мембраны на поверх­ности водных микрокапсул фермента заключается в реакции межфазной поликонденсации двух соединений, одно из которых ра­створено в водной, а другое — в органической фазе. Примером может служить образование на поверхности раздела фаз микро­капсулы, получаемой путем поликонденсации гексаметилендиамина-1,6 (водная фаза) и галогенангидрида себациновой кисло­ты (органическая фаза):

_-HCl

H₂N-(CH₂)₆-NH₂ + СlOС-(СН₂)₈-СОС1 → HN-(CH₂)₆-NH - СО-(СН₂)₈-СО-

 

Размер получаемых капсул составляет десятки или сотни мик­рометров, а толщина мембраны – сотые доли микрометра.

Достоинства метода микрокапсулирования – простота, уни­версальность, возможность многократного использования нативного фермента (фермент может быть отделен от непрореагировавшего субстрата и продуктов реакции процедурой простого фильт­рования). Особенно существенно, что методом микрокапсулиро­вания могут быть иммобилизованы не только индивидуальные ферменты, но и мультиэнзимные комплексы, целые клетки и отдельные фрагменты клеток. К недостаткам метода следует отне­сти невозможность инкапсулированных ферментов осуществлять превращения высокомолекулярных субстратов.

Близким к инкапсулированию методом иммобилизации мож­но считать включение водных растворов ферментов в липосомы, представляющие собой сферические или ламеллярные системы двойных липидных бислоев. Впервые данный способ был приме­нен для иммобилизации ферментов Дж. Вайсманом и Дж. Сессом в 1970 г. Для получения липосом из растворов липида (чаще всего лецитина) упаривают органический растворитель. Оставшуюся тонкую пленку липидов диспергируют в водном растворе, содер­жащем фермент. В процессе диспергирования происходит само­сборка бислойных липидных структур липосомы, содержащих включенный раствор фермента.

Ферменты, иммобилизованные путем включения в структуру липосом, используют преимущественно в медицинских и науч­ных целях, ибо значительная часть ферментов в клетке локализо­вана в составе липидного матрикса биологических мембран, по­этому изучение липосом имеет большое значение для понимания закономерностей процессов жизнедеятельности в клетке.

Другие приемы иммобилизации ферментов, основанные на физических методах, менее распространены по сравнению с рас­смотренными выше.

Химические методы иммобилизации ферментов. Иммобилиза­ция ферментов путем образования новых ковалентных связей между ферментом и носителем – наиболее массовый способ получения промышленных биокатализаторов.

В отличие от физических методов этот способ иммобилизации обеспечивает прочную и необратимую связь фермента с носите­лем и часто сопровождается стабилизацией молекулы энзима. Од­нако расположение фермента относительно носителя на расстоя­нии одной ковалентной связи создает стерические трудности в осуществлении каталитического процесса. Фермент отделяют от носителя с помощью вставки (сшивка, спейсер), в роли которой чаще всего выступают бифункциональные и полифункциональ­ные агенты (бромциан, гидразин, сульфурилхлорид, глутаровый диальдегид и др.). Например, для выведения галактозилтрансферазы из микроокружения носителя между ним и ферментом встав­ляют последовательность —СН₂—NH—(СН₂)₅—СО—. В этом случае структура иммобилизованного фермента включает носитель, встав­ку и фермент, соединенные между собой ковалентными связями. (См. Приложение 2)

Принципиально важно, чтобы в иммобилизации фермента уча­ствовали функциональные группы, не существенные для его ка­талитической функции. Так, гликопротеины обычно присоединя­ют к носителю через углеводную, а не через белковую часть моле­кулы фермента.

Число методических приемов, разработанных для осуществле­ния ковалентной иммобилизации ферментов, исключительно ве­лико. Все методы химической иммобилизации классифицируют в зависимости от природы реакционной группы носителя, вступа­ющей во взаимодействие с молекулой фермента. Ниже представ­лен ряд примеров, иллюстрирующих некоторые способы хими­ческой иммобилизации ферментов.

Иммобилизация ферментов на носителях, обладающих гидроксо-группами. Наиболее распространенным методом образования ковалентной связи между ферментом и полисахаридным носителем или синтетическим диольным соединением является бромциановый метод, который был предложен Р. Аксеном, Дж. Поратом и С. Эрнбаком в 1967 г. При обработке носителя бромцианом возни­кают реакционноспособные цианаты и имидокарбонаты, кото­рые при взаимодействии с нуклеофильными аминогруппами фер­мента образуют производные изомочевины и уретанов:

 

 

Иммобилизация ферментов носителях, обладающих аминогруппами. Первичные аминогруппы носителя, связанные с аро­матическим кольцом, предварительно превращают в соли диазония, которые затем подвергают разнообразным реакциям сочета­ния. В реакции сочетания вступают фенольные, имидазольные, аминные, гуанидиновые, тиольные группы белков. Так, в щелоч­ной среде фенольные радикалы тирозина образуют прочные азосоединения, в составе которых белок связан с носителями:

 

Существенно, что п-аминофенильные функции могут быть легко введены в разнообразные носители.

Иммобилизация на носителях, обладающих активированными производными карбоксильной группы. Наиболее часто для соедине­ния аминогрупп белка с ацильными группировками носителя ис­пользуют ангидриды, галогенангидриды, активированные эфиры и другие производные карбоновых кислот. Например,

 

Реакционная способность производных карбоновых кислот в реакциях ацилирования аминогрупп фермента уменьшается от галогенангидридов до эфиров.

Иммобилизация на носителях, обладающих сульфгидрилъными группа-ми. Сульфгидрильные группы носителя и фермента легко окисляются с образова-нием дисульфидных связей под действием кислорода воздуха:

 

 

Иммобилизация путем химического присоединения биоката­лизатора к носителю отличается высокой эффективностью и прочностью связи. Несмотря на это, методы ковалентной иммобили­зации ферментов все еще малодоступны для промышленного ис­пользования в связи со сложностью и дороговизной их примене­ния. Однако они остаются незаменимыми инструментами в прак­тике проведения научных и лабораторных исследований по созда­нию энзимов с контролируемыми свойствами.

 

 

ИММОБИЛИЗАЦИЯ КЛЕТОК

 

Методы иммобилизации универсальны для всех видов иммо­билизованных биокатализаторов – индивидуальных ферментов, клеток, субклеточных структур, комбинированных препаратов.

Наряду с иммобилизацией ферментов в последнее время все большее внимание уделяется иммобилизации клеток и субклеточ­ных структур. Это объясняется тем, что при использовании иммо­билизованных клеток отпадает необходимость выделения и очис­тки ферментных препаратов, применение кофакторов; создается возможность получения полиферментных систем, осуществляю­щих многостадийные непрерывно действующие процессы.

В промышленных процессах чаще используют покоящиеся клетки. Действительно, многие хозяйственно-ценные продукты синтезируются главным образом в стационарной фазе развития клеточных культур. Растущие клетки нарушают структуру носи­теля. Образующиеся при делении дочерние клетки, покидая но­ситель, загрязняют целевой продукт. Для подавления роста иммобилизованных клеток растений используют дефицит фитогормонов, а рост клетки бактерий тормозят добавлением антибио­тиков.

Иммобилизованные клетки микроорганизмов применяют для биотрансформации органических соединений, разделения раце­мических смесей, гидролиза ряда сложных эфиров, инверсии са­харозы, восстановления и гидроксилирования стероидов. Преимущество иммобилизованных клеток микроорганизмов по сравнению с иммобилизованными ферментами состоит главным образом в том, что при использовании иммобилизованных клеток отпадает необходимость выделения, очистки и иммобилизации ферментов – стадий часто наиболее дорогостоящих при осуществлении промышленного процесса. Ферменты в микроорганизмах находятся в своем естественном окружении, что повышает их термостабильность и так называемую операционную стабильность (продолжительность работы в условиях технологического процесса). Известно множество примеров, когда ферменты после выделения из организма быстро теряют активность, а иногда их вообще не удается выделить в активной форме. В то же время в составе клеток микроорганизмов они сохраняют каталитические свойства достаточно долго.

Иммо­билизованные хроматофоры используют в лабораторных установ­ках для синтеза АТФ, а пурпурные мембраны – для создания искусственных фотоэлектрических преобразователей – аналогов солнечных батарей. Разрабатывается реактор на основе иммоби­лизованных клеток дрожжей для получения этанола из мелассы, в котором дрожжи сохраняли бы способность к спиртовому броже­нию в течение 1800 ч. Из более чем 2000 известных в настоящее время ферментов иммобилизована и используется для целей ин­женерной энзимологии примерно десятая часть (преимуществен­но оксидоредуктазы, гидролазы и трансферазы).