Иммобилизованные клетки против иммобилизованных ферментов?

Непревзойденным "мастером" иммобилизации является по-прежнему живая клетка. Ферменты, связанные в клетке естественным путем, без труда превосходят все искусственно иммобилизованные ферменты по активности и стабильности. Последовательное "включение" ферментативных реакций в мультиферментных системах или регенерация коферментов не представляют для клетки никаких трудностей. При этом каждый фермент имеет в клетке оптимальную микросреду. Удивительно, но лишь после иммобилизации ферментов биотехнологам пришла в голову мысль сходными методами иммобилизовать целые микроорганизмы^*. Поэтому нет принципиальных различий между иммобилизацией ферментов и клеток. Иммобилизуются как живые, так и мертвые клетки микроорганизмов, однако в последнем случае ферменты должны быть еще активными.

^* (В последнее время проводятся опыты по иммобилизации животных и растительных клеток.)

Особые успехи в области иммобилизации клеток достигнуты в Японии. Проф. Сибате принадлежат пионерские работы не только по иммобилизации ферментов, но и по фиксированию на носителе целых клеток. Например, его группой разработан процесс синтеза аспарагиновой кислоты из фумаровой с помощью иммобилизованных в геле клеток Escherichia coll Таким образом ежегодно получают 600 т аспарагиновой кислоты. Лишь через 120 суток активность аспартазы бактерий уменьшается вдвое. Сходный процесс с иммобилизованными клетками Brevibacterium позволяет получить L-яблочную кислоту из фумаровой; таким путем ежегодно производится 180 тонн яблочной кислоты. В каждом рассмотренном случае используется один-единственный бактериальный фермент (аспартаза или фумараза). Естественно, еще более пригодны иммобилизованные микроорганизмы для многоступенчатых процессов. Например, широкие возможности открываются при производстве спирта с помощью иммобилизованных дрожжей. Этанол образуется из глюкозы в анаэробных условиях (без доступа воздуха) в результате многоступенчатой реакции, в которой используются системы регенерации АТФ и НАДФ. Японская компания "Киова хакко" длительное время на опытных заводских установках (колонки общим объемом 4000 л) с иммобилизованными клетками дрожжей получает 2400 л спирта в день из тростниково-сахарной мелассы. Производительность такого полностью автоматизированного процесса в 20 раз выше по сравнению с традиционными реакторами периодического действия, причем затраты на электроэнергию и рабочую силу существенно ниже. Из 20%-ного раствора глюкозы за 2,5 часа образуется примерно 13%-ный раствор спирта. Рис. 33 служит иллюстрацией оптимистических представлений (конечно, с определенной долей фантазии) проф. Сибаты относительно повседневной жизни японцев в недалеком будущем, если учесть все возможности, которые предоставятся им после освоения методов иммобилизации клеток.

Возможности иммобилизованных клеток велики. Их можно использовать практически во всех известных сегодня биотехнологических процессах. По сравнению со свободноживущими клетками иммобилизованные клетки обладают в большинстве случаев явными преимуществами. Например, при производстве аспарагиновой кислоты из фумаровой с помощью иммобилизованных клеток издержки производства снизились на 40% только благодаря повышению производительности труда, экономии фондов заработной платы, автоматизации и повышению выхода продукта.

Рис. 33. 'Возможности' использования иммобилизованных клеток дрожжей для производства спирта (публикуется с разрешения проф. И. Сибаты, Осака и издательства Elsevier, North Holland)

Означает ли это, что иммобилизованные клетки вытеснят ферменты из промышленности? Надо тщательно взвесить, в каких случаях следует предпочесть иммобилизованные ферменты, а в каких - иммобилизованные клетки. Преимуществ иммобилизованных клеток нельзя не видеть. Они заключаются прежде всего в том, что отпадает необходимость в очистке ферментов, причем активность и стабильность иммобилизованных клеток очень высоки, с их участием легко осуществляются многоступенчатые процессы, при которых требуется регенерация коферментов. Однако с участием иммобилизованных клеток не удается расщепить высокомолекулярные субстраты (например, крахмал, целлюлозу), поскольку они не могут преодолеть такого барьера, как клеточная мембрана. В этом случае можно было бы одновременно использовать клетки и внеклеточные ферменты. Для аналитических целей можно подключить иммобилизованные клетки к сенсорам. Однако время измерения с помощью бактериальных сенсоров значительно больше, чем в случае ферментных, вследствие длительной диффузии субстрата через мембраны клеток. Кроме того, бактериальные сенсоры менее чувствительны и часто не столь специфичны, как ферментные сенсоры. Это делает бактериальные сенсоры особенно удобными при определении таких сложных параметров, как, например, общее число соединений, подвергающихся биологической деградации. Для контроля состояния окружающей среды при определениях содержания кислорода в сточных водах в Японии- используют микробиологический сенсор. Такой анализ занимает всего несколько минут вместо 5 дней, необходимых при традиционном определении. Недостатком микроорганизмов является то, что в отличие от изолированных ферментов это сложные системы, причем в результате происходящего в них обмена веществ могут образоваться побочные продукты, которые должны быть впоследствии удалены. Кроме того, при применении ферментов на 1 г носителя можно иммобилизовать примерно в 10 раз большую активность, чем при иммобилизации клеток, т.е. при том же количестве носителя преобразовать больше субстрата.

Таким образом, иммобилизованные клетки в ближайшем будущем не смогут заменить иммобилизованные ферменты. Скорее, обе формы иммобилизованных на носителях биокатализаторов, дополняя друг друга, будут играть важную роль в промышленности завтрашнего дня.