Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
особенно если иметь в виду, что запасы их ограничены. Хитин можно
получать из антарктического криля (рачков), отходов при переработке-
водных животных, имеющих панцирь, или же из грибного мицелия-отхода
бродильной промышленности. Оба полимера могут иметь разнообразное
применение: как адгезивы, коагулянты, переносчики лекарственных веществ,
а также как добавки при выдёлке бумаги и тканей.
4.4. Перспективы развития
В будущем влияние биотехнологии на развитие химической промышленности
будет определяться возможностью объединения принципов микробиологии,
биохимии и химической технологии. Основной предпосылкой использования
биологического катализа в химии является способность ферментов
катализировать энан-тиомерно однозначные, стереохимически определенные
реакциж
12-1344
178
Глава 4
синтеза. Сегодня многие биологические процессы имеют такие
характеристики, что с экономической точки зрения они не могут
конкурировать с альтернативными химическими процессами. Принято считать,
что для успешного осуществления крупномасштабного биологического
процесса, направленного на получение некоего химического соединения,
необходимо, чтобы прибавочная стоимость продукта составляла 500-1000
долл. за тонну сверх стоимости сырья. Впрочем, все же существуют области,
в которых применение биотехнологии обещает быть перспективным.
1. Тип реакции: прямые реакции окисления - восстановления; использование
обычных ферментов для проведения нетривиальных реакций; белковая
инженерия, нацеленная на изменение свойств катализатора; использование
биокатализа в неводных средах.
2. Конфигурация реактора: оптимизация биокатализаторов методами генной
инженерии; выбор термостабильных систем или использование
иммобилизованных конфигураций; разработка дешевых, эффективных и
общеудобных методов повторного использования кофактора; химическая
инженерия в связи с проблемами крупномасштабных биокаталитических систем
(см. гл. 10).
4.4.1. Тип реакции
Реакции прямого окисления и оксигенации
Для преобразования сложных молекул в ходе органического синтеза
используются оксидоредуктазы со строгой структурной, сайт- и
стереоспецифичностью. В случае более широкой субстратной специфичности
эти ферменты могут использоваться как катализаторы типовых реакций. В
реакциях превращения спиртов в карбонилы находят применение нуклеотид-
зависимые дегидрогеназы. Так, хорошо изучена алкогольдегидрогеназа из
печени лошади: известны ее субстратная специфичность и стереохимия
катализируемых реакций. Она атакует моно-, ди- и тетрациклические
структуры. Построена модель ее активного центра, что позволяет
прогнозировать активность этого фермента в отношении новых субстратов
(см. разд. 4.1.1). Отметим, что ациклические вторичные спирты - плохой
субстрат для этого фермента, и если ставится задача осуществления синтеза
на их основе, то целесообразно попытаться использовать другие
дегидрогеназы (возможно, термофильные). Особенность окси-геназ состоит в
их способности с высокой эффективностью и специфичностью включать
кислород прямо в органические субстраты; проведение такого прямого
окисления неактивирован-
Химия и технология
179
ных органических субстратов - вечный камень преткновения в работе химика-
синтетика. Реакции этого типа весьма разнообразны: они лежат в основе
превращения алканов в спирты,
олефинов - в эпоксиды, сульфидов - в сульфоксиды; это реакции
гидроксилирования ароматического кольца и его раскрытия, а также
окислительного деметилирования. Вполне возможно, что результаты глубокого
изучения механизма активации и присоединение кислорода ферментами найдут
применение для создания новых химических каталитических систем. В
последнее время большое внимание уделялось использованию различных
микробных оксигеназных систем в стереоспецифическом эпоксиокислении
олефинов, в результате которого образуются "строительные блоки" для
синтеза полимеров. В микроорганизмах, окисляющих алканы и алкены,
функционируют соответствующие монооксигеназы, но если исходить из
нынешнего уровня технологии, то вряд ли хоть один процесс такого типа
целесообразен с экономической точки зрения. Поскольку оксигеназы
нестабильны, принято считать, что эти процессы основаны на
биокаталитической активности целостных организмов. Предложен интересный
альтернативный путь таких превращений: трехступенчатый ферментативный
процесс с участием оксидаз-(рис. 4.14). На первом этапе пиранозо-2-
оксидаза из гриба-ба-зидиомицета катализирует образование перекиси
водорода, используя в качестве субстрата и источника энергии глюкозу.
Далее галопероксидаза осуществляет реакцию перекиси водорода с алкеном и
ионом какого-либо галогена с образованием алкенгалогидрина, от которого
затем отщепляются атомы водорода и галогена и образуется соответствующий
алкеноксид. Побочными продуктами процесса являются фруктоза и глюконовая
кислота. Стереоспецифичность окислительного катализа может использоваться
