Глава 21 Микробы и ферменты

Глава 21

Микробы и ферменты

Около 100 лет тому назад в 1907 г. Эдвард Бюхнер (не путать с Эрнестом Бюхнером, изобретателем воронки Бюхнера) получил Нобелевскую премию за открытие ферментации бесклеточными экстрактами из дрожжей. Растерев дрожжевые клетки с кварцевым песком и отфильтровав полученную жидкость, Бюхнер получил «вытяжку», способную проводить ферментацию сахара так же, как и живые клетки.

С ферментацией (от латинского fermentare — вызывать брожение) человек ознакомился еще в доисторические времена, когда началось производство и потребление спиртных напитков. Но только лишь в XVIII в. было изучено, как происходит этот процесс, т. е. как сахар превращается в спирт и углекислый газ. Наблюдения А. Левенгука и классические опыты Л. Пастера показали, что ферментация возможна только в присутствии живых клеток.

Полученные Бюхнером результаты противоречили этим утверждениям. Объединить две противоположные точки зрения могло только предположение, что и в клеточном экстракте, и в самих дрожжах присутствует одно и то же действующее начало. Из этого следовало, что никаких различий между химией живого и неживого не существует и что действующее начало может работать и вне живой клетки, если его удается выделить из нее в нативном (неповрежденном) виде.

Этому действующему началу подобрали название — энзим (фермент), и с этого времени энзимология стала бурно развиваться. Оказалось, что в живой клетке присутствует множество ферментов (на сегодня их известно около 3700!) и они служат катализаторами всех протекающих в ней биохимических реакций. Ферменты намного эффективнее обычных химических катализаторов — по сравнению с ними они ускоряют реакции в сотни и тысячи раз. Ферменты участвуют в разложении веществ, биосинтезе, получении энергии, при фото- и хемосинтезе, передаче наследственной информации и даже для исправления в ней ошибок.

Одной из главнейших функций живого является сохранение вида. Для ее выполнения требуется проведение множества биохимических реакций. Сравнивая микроорганизм с микроскопическим заводом, можно сказать, что ферменты — обширный и разнообразный станочный парк этого завода. Они являются теми высокоточными инструментами, с помощью которых клетка штампует различные комплектующие, используемые для последующего монтажа изделия главного сборочного конвейера — новой клетки. Если же нас интересует один из продуктов метаболизма, то нужно выделить соответствующий фермент и использовать его для получения целевого продукта вне связи с общей задачей выживания.

Хотя ферменты и содержатся во всех живых клетках, в промышленных масштабах их получают в основном из клеток микроорганизмов. Это самый удобный источник получения ферментов, так как их концентрация может быть значительно увеличена за счет изменения условий культивирования или генетических манипуляций.

После получения и выделения ферментов необходимо, не нарушая тонкой структуры, сохранить их в работающем состоянии и создать условия, в которых их активность сохранялась бы достаточно долго. Подобно мифическому Антею, оторванному Гераклом от матери-Земли, ферменты, отделенные от клетки, быстро теряют активность. Эта проблема стабильности успешно решается с помощью техники иммобилизации. Ферменты прикрепляются химическими связями к носителю или включаются в объем органических полимерных гелей. Таким образом получают высокоэффективные, высокоспецифичные биокатализаторы пролонгированного действия, позволяющие поднять производительность многих производств.

Выделенные ферменты используются в виноделии и пивоварении, хлебопечении и сыроварении, при производстве спирта и уксуса. Ферменты находят все большее применение в медицине не только как катализаторы, но и как высокочувствительные и скоростные анализаторы. Производство ферментов достигло поистине промышленных масштабов: речь идет о сотнях и тысячах тонн готовой продукции.

Несмотря на огромные успехи, связанные с обнаружением новых ферментов с повышенной активностью и стабильностью, выделением их из клеток и стабилизацией их активности, мы по сути всего лишь повторяем на новом технологическом уровне работы, начало которым положил Эдвард Бюхнер. Но, конечно, успехи в сфере энзимологии огромны. Увеличился объем знаний о структуре ферментов, созданы новые представления об их активном центре и о механизмах протекания реакций. Все это (и многое другое!) вместе с огромными возможностями генетической инженерии позволит не только улучшать известные в природе ферменты, но и создавать новые, которых не существовало в природе. По-видимому, в ближайшие годы технологии получения ферментов с повышенной активностью и стабильностью будут быстро развиваться. И главную роль в этом по-прежнему будут играть микроорганизмы.