Модификация ферментов и молекулярный секс

Природные ферменты невероятно эффективны, но клетка имеет отличные от наших приоритеты. Мы хотим получить большое количество данного продукта, то есть производить его в промышленных масштабах. Клетки же хотят точно регулировать свой метаболизм и сохранять энергию, производя только то, в чем действительно нуждаются. Многие ферменты клетки неустойчивы к нагреванию и обладают небольшим периодом жизни. Кроме того, они имеют тенденцию «выключаться» при накоплении продукта реакции, которую катализируют. Иногда ферментов, которые нам необходимы, не существует в природе, и мы вынуждены видоизменять другие ферменты, направляя их себе на службу. На рис. 12.2 суммированы методы получения новых ферментов для промышленного использования.

Создание новых биореагентов и биофабрик

Рис. 12.2. Создание новых биореагентов и биофабрик

* Активные клетки — это клетки, которые выполняют интересующую нас функцию

К счастью, более полное понимание принципов функционирования ферментов привело нас к технологиям рекомбинантных ДНК, которые позволяют использовать свойства ферментов в наших нуждах. Мы можем переделать то, что дала природа. Например, получить ферменты из организмов, живущих в экстремальных условиях (температура, рН), и найти способ использовать характеристики этих ферментов в своих целях. Особенно мы заинтересованы в увеличении специфичности данного конкретного фермента — ограничить его воздействие, например, специфической пространственной конфигурацией мишени. Мы также хотели бы создать ферменты с многочисленными активными центрами и мультиферментные системы, которые были бы способны катализировать многоступенчатые метаболические процессы.

Кто-то скажет, что рекомбинантные технологии увеличили доступность природных ферментов для промышленного использования. Развитие и инновационное использование новых ферментов с применением технологии рекомбинантных ДНК все еще находится в недрах академического сообщества. Однако недавний прорыв в понимании клеточных процессов и сопровождающий его прорыв в патентовании созданных разработок ясно показывают, что использование биореагентов в производственных процессах будет происходить в огромных масштабах, подобно извержению вулкана. Утверждение о том, что «использование биокатализаторов в химической технологии в промышленных масштабах стоит на грани значительного роста», может быть даже приуменьшением данной проблемы.

Для изменения химического состава определенной молекулы применяют метод направленного мутагенеза. Он основан на мутации, появление которой в определенном участке генетического кода индуцируется искусственно. При применении данной технологии исследователь наблюдает за влиянием мутации на функцию клетки, а затем проводится работа в обратном направлении, чтобы определить источник такого влияния. Если интересующая нас функция не проявляется, исследователь может прийти к заключению, что белок, чей код был нарушен, ответственен за проявление данной функции. Если же неактивная клетка после мутагенного воздействия становится активной, можно заключить, что данная мутация, по-видимому, приводит к образованию интересующего нас белка.

Направленный мутагенез использовался для синтеза большинства ферментов, созданных для промышленного применения. Однако, как вы уже знаете, небольшие изменения в чрезвычайно сложной структуре белка могут привести к неожиданным изменениям в его третичной структуре, функциональности, стабильности, а в результате, возможно, — и к потере функции. Причина, по которой индустрия продолжает придерживаться этой технологии, заключается в том, что ученые обнаружили, что небольшие изменения в аминокислотной последовательности иногда приводят к положительному результату, который может заключаться, например, в тонкой регуляции интересующей нас реакции. Все это напоминает азартную игру для исследователей. Итак, требуется лишь немного успеха, чтобы мотивировать ученых потратить уйму сил на случайные поиски белка, который отвечает за данную конкретную функцию в клетке.

Помимо искусственно вызываемых мутаций исследователи нашли еще один метод увеличить разнообразие белков. Он был любовно назван «молекулярным сексом» и заключается в рекомбинации соответствующих генов, которая искусственно вызывается в лабораторных условиях. В основе данного подхода лежит случайное увеличение генетического разнообразия, что предусматривает даже рекомбинацию генов разных видов.

После увеличения разнообразия ферментов, обнаруженных в данной клетке, либо в результате направленного мутагенеза, либо в результате рекомбинации генов, популяция клеток может развиваться в лабораторных условиях. Примите во внимание, что результатом этой технологии является образование разнообразных клеточных популяций. Полученные клетки подвергают воздействию неблагоприятных факторов, в результате чего выживают только те немногие, которым посчастливилось иметь необходимый в данных условиях фермент. Используя данный метод, ученые могут отобрать клетки, устойчивые к загрязнению металлами, высокой температуре, изменениям значений рН и т.п., а также отобрать клетки, в которых образуется большое количество требуемых веществ. Повышенная продуктивность и стабильность могут сделать этот процесс экономически выгодным.

Помимо повышения продуктивности клеток, улучшения условий выращивания, повышения стабильности ферментов биоинженерные технологии могут быть направлены на устранение побочных реакций и выведение продуктов этих реакций. Огромная проблема производства веществ посредством биоинженерных технологий заключается в выделении нужного продукта из клеток. Поэтому чрезвычайно важно дать клетке возможность секретировать нужный нам продукт.

Вы можете также активно создавать новые белки путем случайной комбинации аминокислот, создавая аминокислотные последовательности, прежде никогда не существовавшие в природе. Чтобы это имело какой-то смысл, необходимо иметь представление о том, какую структуру нужно получить. Вы можете основывать свои предположения на огромном количестве информации, касающейся белков и их функций. Однако анализ этой информации невозможно проводить без использования современных технологий.

При использовании одной из этих технологий определяется комбинация генов, ответственных за образование нужного нам продукта. Часто сложные биохимические пути включают функционирование более одного типа клеток. Гены из этих клеток теоретически могут быть получены и вставлены в единственную клетку-хозяина. Золотой рис — прекрасный пример успеха этой технологии. Гены, полученные от нескольких неродственных видов, кодирующих различные промежуточные соединения при образовании бета-каротина, были скомбинированы в одном виде, в результате чего получился рис, содержащий бета-каротин.


Оставить комментарий

Ваш комментарий