Indukcja syntezy enzymów przez drobnoustroje.
Większość enzymów wykorzystywanych w procesach biosyntezy i biotransformacji produkowanych jest przez drobnoustroje. W przemyśle wykorzystuje się proteazy, a-amylazy, amyloglukozydazę, aminoacytazę, dekstranazę, katalazę. W celach leczniczych pozyskuje się enzymy trawienne, heparynę, streptolizynę. W mniejszych ilościach produkuje się też enzymy służące do celów analitycznych w biologii molekularnej czy w inzynierii genetycznej (np. restryktazy).
Część enzymów jest syntetyzowana wewnątrz organizmu konstruktywnie, niezależnie od warunków środowiskowych. Dotyczy to głównie enzymów katalizujących reakcje przemian centralnych i podstawowych syntez komórkowych.
Większość ważnych biotechnologicznie enzymów należy do grupy induktywnych, tzn. takich, których synteza wymaga obecności induktora w środowisku zewnętrznym. Induktorami są substraty, rzadziej produkty reakcji enzymatycznych albo też ich analogi.
Najlepiej poznanym przykładem enzymu jest produkcja b-galaktozydazy przez bakterie Escherichia coli. Komórki tego organizmu mogą rozwijać się na wielu substratach nie produkując prawie w ogóle b-galaktozydazy. Jeżeli jednak w podłożu hodowlanym znajdzie się laktoza – substrat dla b-galaktozydazy – to aktywność tego enzymu może wzrosnąć tysiąckrotnie.
Synteza indukowanego enzymu ulega najczęściej represji w obecności końcowych produktów degradacji substratu. Represorami mogą więc być aminokwasy przy produkcji proteaz czy też np. glukoza przy produkcji aminoglukozydazy czy izomerazy glukozowej.
Mechanizmy regulujące powstawanie enzymów konstytutywnych jak i induktywnych działają na poziomie molekularnym, przede wszystkim na etapie transkrypcji DNA i w mniejszym stopniu na etapie translacji. W pierwszym przypadku regulacja dotyczy oddziaływań białek regulatorowych (indukujących lub represorowych) na geny promotora i operatora, które umożliwiają przyłączenie się polimerazy RNA do nici DNA i tym samym na rozpoczęcie transkrypcji mRNA.
Regulacja na etapie translacji polega na różnej częstości syntezy białek enzymatycznych lub też związana jest z translacyjnym modyfikowaniem białek, ułatwiającym ich przejście przez błony wewnątrzkomórkowe (przez aparat Golgiego) i tym samym wyjście poza teren komórki.
Separacja enzymów.
Wyprodukowane przez drobnoustroje enzymy znajdują się bądź to wewnątrz komórek, lub też w podłożu hodowlanym. Enzymy wewnątrzkomórkowe są zazwyczaj mniej stabilne i charakteryzują się większą masą cząsteczkową. Proces ich separacji należy rozpocząć od rozbicia komórek, co wiąże się z tym, że do roztworu przechodzą również wszystkie inne białka obecne w cytoplazmie, a także cały kompleks kwasów nukleinowych.
Dalsze postępowanie zarówno z enzymami wewnątrzkomórkowymi jak i zewnątrzkomórkowymi jest podobne. Jedną z metod pozyskiwania enzymów jest ich wydzielanie z roztworów na zasadzie różnicy rozpuszczalności białek. Dodając do roztworu sole nieorganiczne (np. siarczan amonowy, magnezowy lub sodowy), rozpuszczalniki organiczne (np. etanol, aceton) czy też rozpuszczalne polimery niejonowe (np. glikol polietylenowy, dekstran) w odpowiednim stężeniu powoduje się wypadanie białka z tegoż roztworu. Tak uzyskaną zawiesinę odwirowuje się, a z otrzymanego precypitatu usuwa się czynnik denaturujący, przez co enzym odzyskuje swą aktywność.
Stosując wyżej wymienione sposoby można pozyskać 80-90 % pożądanego enzymu.
Oczyszczanie enzymów można prowadzić również poprzez denaturację termiczną; ogrzewanie roztworu oczyszczanego enzymu w temperaturze nieco niższej od temperatury, w której traci on aktywność, prowadzi najczęściej do wytrącania się wieku białek towarzyszących. Temperaturę ogrzewania można podwyższyć nie powodując inaktywacji enzymu, gdy do roztworu zostanie dodany związek swoiście się z tym enzymem łączący.
Zmiana pH roztworu lub też obniżenie jego siły jonowej do bardzo niskich wartości może również doprowadzić do usunięcia wielu białek towarzyszących.
Bardzo szeroko stosowanymi metodami rozdziału białek są metody chromatograficzne. Obejmują one następujące sposoby frakcjonowania:
sączenie molekularne – technika wykorzystująca różnice w wielkości rozdzielanych cząstek; mieszanina substancji o różnej masie cząsteczkowej przepływa przez kolumnę wypełnioną porowatym hydrofilnym żelem o określonej wielkości porów, zrównoważonym odpowiednim buforem; cząsteczki zbyt duże, aby wniknąć do ziaren żelu, przepływają między nimi i pojawiają się w eluacie lako pierwsze, substancje o niższej masie cząsteczkowej wnikają do ziaren żelu, są więc opóźniane na kolumnie; pojawiają się w eluację w porządku od najmniejszych do największych
chromatografia jonowymienna – kolumna chromatograficzna wypełniona jest celulozowym wypełniaczem jonowym, do którego wiążą się białka obdarzone przeciwnym niż wymieniacz ładunkiem, białka obdarzone tym samym ładunkiem przepływają swobodnie przez kolumnę. Białka połączone z wypełniaczem uwalnia się poprzez wprowadzenie do układu czynników konkurujących z białkami o miejsce na wypełniaczu
chromatografia adsorpcyjna – kolumna wypełniona jest nieorganicznym materiałem
(np. hydroksyapatyt), który adsorbuje białko na zasadzie oddziaływań Van der Waals’a
chromatografia powinowactwa – rzadko stosowana na większą skalę ze wzgl. na wysokie koszty i niestabilność wypełniacza kolumny, który powinien być specyficzny dla danego enzymu, gdyż ligandem, do którego wiąże się pozyskiwany enzym jest w tym przypadku substrat danego enzymu, jego analog bądź też inhibitor enzymu.
W ostatnich latach rozdział enzymów na skalę przemysłową prowadzony jest przy użyciu technik membranowych, do których należy ultrafiltracja. Przepuszczając oczyszczany roztwór przez membranę o zdefiniowanej porowatości można uzyskać zagęszczony enzym, nieposiadający zanieczyszczeń w postaci soli czy niskocząsteczkowych związków. Frakcjonowanie odbywa się tu na zasadzie różnicy w rozmiarach cząsteczek, co ma odniesienie do ich masy cząsteczkowej.