Искусственные генетические системы. Том 1 - Патрушев Л.И.
Скачать (прямая ссылка):
Белковая инженерия в поисках полипептидов, максимально отвечающих требованиям современной биотехнологии
Белковая инженерия, как и все остальные научные направления, имеет перед собой две цели: фундаментальную, направленную на познание окружающего мира, и прикладную, призванную улучшить жизнь человека отныне и навсегда. Биотехнологическая промышленность является одним из крупнейших потребителей фундаментальных и прикладных достижений белковой инженерии, которая оказывает на развитие современной индустрии глубокое влияние.
5.1. Изменение парадигмы оптимизации биотехнологических процессов
При разработке биотехнологического процесса в современных условиях приходится учитывать не только основные издержки на его проведение, но и необходимость осуществления процесса в жестких временных рамках, что накладывает особые требования на свойства биокатализаторов [330]. Необходимость интенсификации ферментативных процессов особенно актуальна для фармацевтической промышленности, поставленной в трудные условия из-за ограничений срока действия патентов. При обычной разработке стадий биосинтеза в конкретном биопроцессе исходят из свойств имеющихся ферментов, с помощью которых предполагается осуществлять требуемые химические реакции в промышленном масштабе. Свойства фермента определяют особенности дизайна биопроцесса в целом. Это определяется тем, что для оптимального функционирования конкретного фермента необходимо создавать строго контролируемые условия проведения реакции, а стоимость биокатализатора часто составляет основную часть издержек производства.
С увеличением стоимости исходных субстратов реакции и расширением возможностей белковой инженерии в отношении изменения свойств ферментов в нужную сторону структура издержек производства начинает меняться. При проектировании современного биотехнологического процесса все чаще становится возможным брать за основу свойства реакций как таковых и технические возможности их проведения, а биокатализатор со-
здавать, исходя из предварительно сформулированных требований. При таком подходе современная идеология разработки биотехнологического процесса меняется на противоположную по сравнению с обычно применяемым для данной цели подходом. В этом случае основной упор делается на поиск “идеального” биокатализатора, который бы максимально соответствовал требованиям спланированного процесса биосинтеза требуемого химического соединения.
Тем не менее, в обстановке изменяющейся парадигмы дизайна биотехнологического процесса возможности поиска новых биокатализаторов ограничиваются независимыми от фермента свойствами и условиями проведения реакций, такими как термодинамика реакции, а также свойствами исходных реагентов и образующихся продуктов. Например, растворимость и стабильность субстратов и продуктов реакции определяет состав, pH и температуру среды, в которой данная реакция должна проводиться, а равновесие реакции должно быть сдвинуто в сторону образования продуктов в высокой концентрации. Методы и технологии белковой и генной инженерии сегодняшнего дня, рассмотренные в этой книге, позволяют эффективно менять ключевые свойства исходных ферментов, существенные для проведения биотехнологических процессов.
5.2. Современные технологии, позволяющие улучшать свойства ферментов
Некоторые из впечатляющих достижений белковой инженерии были рассмотрены в гл. 3. Табл. 15 суммирует и дополняет эту информацию.
Интенсивные исследования стабильности ферментов, проведенные на протяжении двух последних десятилетий, привели к обнаружению новых молекулярных механизмов стабилизации белковых молекул, в том числе сетей внутримолекулярных ионных взаимодействий [343], которые позволили сознательно улучшать соответствующие свойства ферментов. Особенно продуктивными в этом отношении оказались методы направленной эволюции белковых молекул, применение которых позволяет повышать температуру денатурации белковых глобул на 10-15 °С без ущерба для их ферментативной активности. Особенно впечатляющим достижением здесь является 340-кратное повышение времени полужизни протеиназы Bacillus stearothermophilus при 100 °С без ухудшения ее каталитических свойств [211]. Такого
Примеры использования современных технологий для улучшения свойств ферментов, важных для биотехнологии [330]
Улучшаемое
свойство
Использованная
технология
Примеры
Число оборотов
Солюбилизация
ферментов
Солюбилизация субтилизина для проведения реакции в органических растворителях с использованием октана и АОТ
Пластиковые биокатализиторы на основе химотрипсина и субтилизина
Молекулярный
импринтинг
Солюбилизация субтилизина и химотрипсина для проведения реакции в органических растворителях с использованием промывки пропанолом
Импринтинг субтилизина (Carlsberg и мутантных форм) сахарозой, а также тимидином и другими нуклеозидами
Изменение Направленная
энантиоселек- эволюция
тивности
Изменение функ- Рациональный циональности дизайн и направленная эволюция
Рациональный
