4.5 Основные понятия иммобилизации ферментов
Чтобы преодолеть описанные ранее недостатки процессов с ис- пользованием свободных ферментов, надо придумать способ удержан- ия ферментов в аппарате или легкий способ их выделения из реакцион- ной жидкости после завершения процесса.
58
1 - биореактор, 2- проточный мембранный модуль
Рисунок 18 - Схема мембранного биореактора с выносным модулем
Возможно отделение ферментов с помощью ультрафильтрации. Схема установки для проведения процесса биотрансформации с ульт- рафильтрационным выносным модулем представлена на рисунке 18. Реакционная жидкость может циркулировать через ультра- фильтрационный модуль, который задерживает выход фермента, не мешая выходу продукта. Получается непрерывный процесс, в который не требуется добавлять фермент. Этот способ, однако, тоже имеет не- достатки:
- мембранные установки часто выходят из строя, и при их ис- пользовании часть ферментов «проскакивает», а часть может «застре вать» на мембране, ухудшая фильтрацию, и, приводя к необратимой потере фермента;
- многие ферменты, будучи в свободном состоянии (растворенном в жидкости или в виде взвешенных коллоидных частиц), подвержены довольно быстрой инактивации, так что срок службы фермента не- большой и необходимость расходования свежего фермента, стоимость которого высока, сохраняется.
Поэтому такой путь совершенствования процессов биотрансфор- мации большого применения не нашел. Только если сам субстрат не- растворим или находится в коллоидном состоянии, применение подоб- ных систем имеет смысл.
В середине 1950-х годов возникла блестящая идея создания «не- растворимых», или «прикрепленных к матрице», или «связанных» фер- ментов, которые позднее стали называть иммобилизованными.
К этой идее и ее реализации имел отношение бывший президент
Израиля Э. Качальский-Катцир. Мы привыкли, что президентами ста-
59
новятся политики, хозяйственники, юристы. Но этот человек до своего избрания был ученым-биохимиком и после пребывания на президент- ском посту вернулся в науку и до своей смерти в 1995 г. возглавлял институт биотехнологии в Тель-Авиве. Термин иммобилизация проис- ходит от латинского слова «immobilis», что означает неподвижный.
Иммобилизация - это прикрепление фермента к некоторому не- растворимому носителю, причем таким образом, чтобы фермент мог обмениваться с раствором молекулами субстрата и продукта.
Легко можно оценить красоту этого способа. Во-первых, появ-
ляется простая возможность отделять и многократно использовать та- кой иммобилизованный фермент. Во-вторых, оказалось, что закреплен- ный фермент сохраняется в активном состоянии гораздо дольше, чем свободный, растворенный.
4.6 Методы иммобилизации ферментов
Существуют различные способы закрепления ферментов на но-
сителе, основные из которых перечислены ниже.
1. Адсорбция на носителе (рис.19). Носителями могут быть: не- органические материалы (стекло, силикагель, бентонит, оксид алюми- ния, диоксид титана и др.); природные полимеры (целлюлоза, колла- ген); синтетические полимеры (нейлон, полиэтилен, полипропилен).
Рисунок 19 – Иммобилизация фермента методом адсорбции на носителе
60
2.Включение в гель агар-агара, альгинатов, карагинана (рис. 20). Молекулы фермента сидят в порах геля. Гель проницаем для молекул субстрата и продуктов реакции за счет молекулярной диффузии.
в гель
3. Ковалентное связывание с носителем. Носителем в этом слу- чае является полимерный материал, длинные молекулы которого в разных местах связаны химическими ковалентными связями с молеку- лами фермента (рис. 21).
