24. Иммобилизованные ферменты
Защита моей кандидатской диссертации в начале 1970-х годов примерно совпала по времени с началом новой эры в изучении и применении ферментов – эры иммобилизованных ферментов и инженерной энзимологии. Напомню, что ферменты – это катализаторы биологического происхождения, или биокатализаторы. Они, как и прочие катализаторы, ускоряют химические реакции. Но в отличие от традиционных химических катализаторов – металлов и их комплексов с органическими молекулами, – обычно получаемых искусственно, ферменты синтезируются живыми организмами – микробами, растениями, животными. И прочими насекомыми, червями, земноводными, морскими организмами и так далее.
Ферменты представляют собой, как правило, белковые образования, часто сопряженные с ионами металлов, а также сахарами и прочими органическими соединениями, которые иногда называют «коферменты». Ферменты по размеру больше молекулы, скажем, воды в тысячи и десятки тысяч раз. Если вода состоит из трех атомов, пенициллин, упоминаемый ранее, – из 41 атома, холестерин, опять же упоминаемый ранее, – из 68 атомов, то молекулы белков состоят из тысяч, десятков и иногда сотен тысяч атомов. Тем не менее белки можно выделить в индивидуальном виде и сотни их, если не тысячи, уже выделены. Можно спорить, в насколько чистом виде они выделены, и придираться к долям процента примесей, но это опять же детали.
А поскольку ферменты – это крупные органические молекулы, состоящие из сотен и тысяч химических групп – аминогрупп, карбоксильных, гидроксильных и прочих, – многие из которых торчат наружу, высовываясь в воду, в которой фермент растворен, то для химика не представляет особого труда достаточно прочно присоединить какую-либо из этих групп к стеклянным шарикам, гранулам пластмассы, кусочкам древесины и прочим твердым или мягким «носителям». Ведь стекло тоже содержит доступные химические группы – гидроксильные. И целлюлоза – тоже гидроксильные, но в другом окружении, нежели в стекле. А пластмассы вообще можно подобрать на любой химический вкус. Короче, ферменты можно присоединить к водонерастворимым носителям и тем самым их «иммобилизовать». То есть в переводе с английского термина – «обездвижить».
Такими иммобилизованными ферментами на гранулах носителя можно наполнить колонну-реактор, поставленную, например, вертикально, и пропускать через нее раствор субстрата, то есть вещества, в котором нужно провести необходимое химическое превращение. Такое измененное вещество называется, естественно, продуктом. Так вот, субстрат прокачивается через колонну, раствор продукта собирается на выходе колонны, а активный, работающий фермент продолжает оставаться в колонне. То есть мы превратили его из гомогенного катализатора в гетерогенный.
Осознание этой концепции вызвало революцию в использовании ферментов для технологических целей. Результатом явилось создание инженерной энзимологии, то есть широкомасштабного использования ферментов для промышленных целей. В середине 1980-х в Союзе вышел восьмитомник под названием «Биотехнология», а один из томов так и назывался – «Инженерная энзимология». Авторами его были те, чьи имена уже упоминались выше, в других главах и другом контексте. А именно И.В. Березин и его ученики, а также ученики его учеников. Эта книга была итогом десятилетней работы нашего коллектива, работы и осмысления.
Действительно, когда фермент имеется в нашем распоряжении в виде водорастворимого порошка, можно взять, например, раствор пенициллина и бросить туда щепотку фермента пенициллинамидазы. Я уже пояснял выше, что этот фермент химически расщепит каждую молекулу пенициллина пополам и образует так называемое «ядро пенициллина», которое нужно для синтеза новых производных пенициллина, например ампициллина. Или амоксициллина. Или оксациллина. Или диклоксациллина. Или многих других, их испытано несколько сотен, если не тысяч. Вторая половинка – это малоценная молекула, не стоящая того, чтобы о ней здесь говорить. Реакция-то осуществится, но щепотка фермента потеряется. Ее уже не вернуть. Точнее, вернуть можно, но затраты на это будут больше, чем стоимость полученного «ядра пенициллина». Экономика с отрицательным результатом. А если использовать иммобилизованный фермент, то его и выделять не надо. Он же остается в колонне, на гранулах носителя. Промыл его, слил воду – и все дела. Можно использовать опять.
Одним из первых практических применений иммобилизованных ферментов и было как раз применение иммобилизованной пенициллинамидазы для получения новых пенициллинов. Это была та самая работа, за которую наш коллектив получил Государственную премию СССР по науке и технике. Другое применение, которое было реализовано в Италии, – использование иммобилизованной лактазы для удаления молочного сахара (лактозы) из молока. Это была интересная разработка. Дело в том, что многие люди не могут пить молоко. Точнее, технически могут, но испытывают от этого серьезный дискомфорт. Их организм по причинам генетического характера не имеет фермента лактазы, который быстро расщепляет эту самую лактозу на два других сахара – глюкозу и галактозу. С ними организм легко справляется. А лактозу не любит, она вызывает аллергии, когда находится в организме длительное время. Так вот, если молоко обработать лактазой, то расщепление лактозы на те два сахара произойдет не в организме, а прямо в молоке. Получится в некотором роде диетическое молоко. Итальянцы и осуществили эту обработку молока в колонне непрерывного действия, содержащей иммобилизованную лактазу.
К началу 1980-х годов в мире работало уже восемь технологий с применением иммобилизованных ферментов. Помимо двух упомянутых здесь —
• гидролиз пенициллина для получения полусинтетических антибиотиков пенициллинового ряда,
• получение диетического безлактозного молока, еще —
• превращение глюкозы во фруктозу (медовый сахар) с помощью иммобилизованной глюкозоизомеразы,
• получение сахаров из молочной сыворотки с применением опять же иммобилизованной лактазы,
• разделение оптических изомеров аминокислот с помощью иммобилизованной аминоацилазы,
• получение оптически активной аспарагиновой кислоты с применением иммобилизованной аспартазы,
• получение оптически активной яблочной кислоты с помощью иммобилизованной фумаразы,
• превращение сахара в глюкозо-фруктозные сиропы с применением иммобилизованной инвертазы.
С чувством определенной профессиональной гордости должен отметить, что эти разработки не прошли мимо меня. Помимо работы в этой области и написания части книги «Инженерная энзимология», о которой упомянул выше, я написал книгу «Применение иммобилизованных ферментов в промышленности», которая была опубликована в Союзе и также издана ООН на английском языке в виде отдельной книжки в 1989 году.
К настоящему времени наиболее массовое применение иммобилизованные ферменты нашли в медицине, точнее, в аналитических применениях в медицине. Ферменты наносятся и прочно фиксируются на датчиках, электродах, на пластиковых стаканчиках, на мембранах и фильтрах, которые можно использовать либо многократно, либо однократно, но не загрязняя ферментом анализируемый раствор.
Теперь это устоявшаяся область применения ферментов. Но на это потребовалось почти тридцать лет – с начала 1970-х до конца 1990-х.