Biokataliza (trzecia fala biotechnologii – biokataliza przemysłowa)

Biokatalizator – natywne lub modyfikowane białko enzymatyczne, lub też indywidualna komórka o określonych preferencjach biotechnologicznych

Uzdatnianie biokatalizy:

1. Poszukiwanie nowych biokatalizatorów o „niezwykłych właściwościach”

2. Wprowadzenie zmian w molekularnej strukturze biokatalizatora ( mutacje punktowe, modyfikacje chemiczne)

3. Opracowanie odpowiedniej formy biokatalizatora (immobilizacja – związanie biokatalizatora z komponentem, sieciowanie kryształów)

4. Inżynieria środowiska reakcji (układy dwufazowe, ciecze nadkrytyczne, ciecze jonowe, rozpuszczalniki nadfluranowe.

Katalityczne biocząsteczki:

1. Rybozymy – kwasy nukleinowe o właściwościach katalitycznych

2. Deoksyrybozymy

3. Abzymy – katalityczne przeciwciała. Przeciwciała, które rozpoznają stan przejściowy Danem reakcji – białkowy katalizator o mechanicznym działaniu podobnym do enzymu.

4. Mikrozymy – polipeptydy składające się z kilkunastu aminokwasów, wykazują określone właściwości katalityczne. Masa poniżej 10 kDa. Białka w ich strukturze mają między 4,3-8,7 kDa.

5. Ekstremozymy – enzymy pochodzące od organizmów ekstremofilnych

- termofile - powyżej 45 stopni C

- hipertermofile – powyżej 85 stopni C

- psychrofile – poniżej 0 stopni C

- acidofile – pH < 2

- alkalifile - pH > 10

- barofile - > 1 atm.

- halofile – c NaCl 4-5 M
- radiofile – wysoki poziom radiacji

- metalofile

- mikroanofile

- uetektofile

Ich wykorzystanie na podstawie skrobi do produkcji syropu fruktozowego (potrzebne jest ogrzewanie do 60 stopni C, żelatynacja i degradacja enzymatyczna)

1. Ukierunkowana ewolucja enzymów in vitro ( w warunkach naturalnych jest to dobór naturalny)

- tworzenie biblioteki wariantów genu enzymu

- ekspresja, screening, selekcja

Co uzyskujemy? Zmianę specyficzności i właściwości, np.: większa stabilność mezofilnej subtylizyny.

1. Nowe formy biokatalizatorów

- stałe nośniki

- biokatalityczne plastiki – materiały polimerowe zawierające enzymy, które są aktywne i stabilne w wodzie i innych rozpuszczalnikach organicznych. (stymotrypsyna + Poli (metylo metakrylan) Sposób wytwarzania: chemiczny – modyfikacja enzymu chlorkiem akroilu – ekstrakcja rozpuszczalnika orgabicznego lub kopolimeryzacja z metylo metakrylanem – otrzymuje się białko 230 razy bardziej aktywne niż natywny enzym

- kompozyty organiczne-nieorganiczne

- polimer + magnetyt

- sieciowanie kryształów enzymów CLECs

- sieciowanie agregatów białek CLEAs ( przeprowadza się równocześnie z precypitacją)

8. Inżynieria środowiska reakcji

Np.: działanie lipazy z Pseudomonas sp.

Biokataliza w warunkach niewodnych jest częścią inżynierii środowiska reakcji:

- rozpuszczalność substratów

- zapobieganie hydrolizie

- modyfikacja specyficzności enzymu

- poprawa termostabilności

9. Biokataliza i biosynteza kombinatoryjna

a. biosynteza – zmienianie czegoś w obrębie genów odpowiedzialnych za biosyntezę. Polega na zmianie sekwencji genów i ich produktów. Np.: produkcja nowych analogów Erytromycyny.

b. biokataliza – zastosowanie sekwencji powtarzających się reakcji – otrzymywanie biblioteki acylowych pochodnych Flawonoidów. Wykorzystuje się enzymy i komórki mikroorganizmów dla tworzenia bibliotek związków na drodze powtarzających się biotransformacji modelowego substratu – struktury wiodącej. Powstają związki o określonej konformacji chemicznej.

Produkty wytwarzane z zastosowaniem reakcji biokatalitycnzych:

- kwasy tłuszczowe – oleje trójglicerydowe

- wysoko fruktoz owy syrop kukurydziany

- aspartam

- akrylamid

- GAPA

Zastosowanie biokatalizy

1. Izolowane enzymy

2. Całe komórki – o zachowanej aktywności metabolicznej. Reakcje wymagające transportu elektronów, regeneracji ko faktorów, reakcje wieloetapowe, enzymy trudne do izolacji

3. Aktywna fermentacja – komórki aktywnie rosnące. Dodatek substratu do podłoża – biotransformacja.

Sposoby immobilizacji:

1. Wiązanie chemiczne: z nośnikiem, sieciowanie

2. Wiązanie fizyczne: zamknięcie w błonie, ?

Enzymy w syntezie organicznej

1. Uprzedzenia: są wrażliwe, są drogie, działają tylko na naturalne substraty, aktywne tylko w środowisku wodnym

2. Zalety: przyspieszenie szybkości reakcji, przyjazne środowisku, działają w łagodnych warunkach, wykazują tolerancję substratową, katalizują szerokie spektrum reakcji, również niemożliwych w chemii.

3. Selektywność: chemoselektywność, regio- i diastereoselektywność, enancjoselektywność.

Komercyjna biokataliza – mity i fakty:

1. Fakty:

- selektywność chemiczna:

• Substratowa – konkretny enzym działa tylko na konkretny substrat

• Stereoselektywność – rozpoznawanie pewnej strury geometrycznej (produkcja kwasu L-Asp)

• Regioselektywność – znajdowanie odpowiedniego miejsca w cząsteczce (produkcja aspartamu)

• Selektywność funkcyjna – np.: reakcja nitrylazy – hydroliza nitryli.