Петербургскими учеными разработаны уникальные ферменты, устойчивые к высоким температурам

Дата публикации: 16.03.2015

Новый метод стабилизации индустриальных ферментов выведет на новый уровень процессы нефтепереработки и органического синтеза. Руководитель Международной лаборатории растворной химии передовых материалов и технологий Университета ИТМО Владимир Виноградов объяснил, как ученым удалось повысить устойчивость биологических молекул к высоким температурам и химическому воздействию.

– Наука о ферментах, энзимология, переживает настоящий бум, а рынок ферментов является одним из самых быстроразвивающихся. В чем причина столь бурного развития направления?

– Все биохимические процессы в живых организмах происходят с участием ферментов. Вы моргнули или почувствовали голод, задумались или засмеялись – эти сиюминутные действия совершаются с помощью молекул, которые обладают колоссальными возможностями. Поэтому неудивительно, что ученые захотели использовать эту силу в своих целях. Наука научилась искусственно, путем выращивания из бактерий, воспроизводить ферменты, находящиеся в организме. Теперь они участвуют в процессах не только внутри нас, но и снаружи: в производстве бумаги, лекарств, стирального порошка и многих других продуктов.

Эти молекулы, представляющие собой клубок различных химических связей, являются наиболее эффективными катализаторами, которые могли бы использоваться в промышленности. В особенности иммобилизованные ферменты, те, что физически или химически связаны с нерастворимым носителем – так называемой матрицей. У них есть ряд преимуществ: такие ферменты можно отделить и использовать заново, они более устойчивы.

Но несмотря на все перечисленное, ферменты уступают твердотельным неорганическим катализаторам в борьбе за широкое использование в промышленности.

– Почему?

– По той же причине, по какой температура тела выше 40 градусов является критичной для человека. Казалось бы, всего пять градусов отклонения от нормы! Но при высоких температурах ферменты денатурируют, теряют свою активность. То же происходит и в промышленности: клубок молекулы разворачивается, происходит денатурация, он становится неактивен. В организме все предусмотрено: сохранением структуры ферментов занимаются специальные белки – шапероны. Но что делать с производством?

Долгое время ученые ломали голову над тем, как стабилизировать ферменты, чтобы они не теряли своей активности в жестких условиях нагрева, облучения, химического воздействия. Выходом стала иммобилизация ферментов в неорганические матрицы, среди которых наиболее популярен  аморфный кремнезем. Этот способ позволяет повысить устойчивость биомолекул почти до 100 градусов, однако не решает всех проблем.

– Какое решение предлагаете вы?

– Мы задались целью разрушить стереотип о том, что максимальная температура, которую могут выдержать ферменты, составляет 100 градусов. Мы хотели доказать, что особая иммобилизация позволит расширить спектр применения ферментов до таких высокотемпературных процессов, как нефтепереработка и органический синтез.

Наше решение – это процесс энтрапирования молекул фермента в наночастицы оксида алюминия, в результате которого происходит «захват» фермента в пористую кристаллическую матрицу. Пример такого рода биохимического процесса в природе – куриное яйцо. Его скорлупа имеет пористую структуру, что позволяет зародышу получать необходимый для развития кислород и предотвращает проникновение бактерий извне – диаметр пор слишком мал для них. В таком же комфорте существует и наш фермент (мы проводили эксперименты с участием наиболее распространенных индустриальных ферментов, таких как протеиназа и ксиланаза). Он подвижен в своей нанокристаллической «скорлупе», но развернуться и высвободиться не может.

– Чем ваша структура отличается от той, что используется в промышленности сейчас?

– В промышленности также используется метод энтрапирования, однако есть значительный минус: аморфные структуры имеют свойство меняться с течением времени. Матрица из такого вещества начинает деформироваться, что зачастую приводит к разрушению содержимого. Наша кристаллическая матрица не подвержена таким трансформациям: она обеспечивает постоянную активность фермента при каталитической реакции.

Мы сравнили устойчивость к температурам, проследив интересную закономерность. При нагреве наших иммобилизованных ферментов ксиланазы и протеиназы до 90 градусов Цельсия их активность не только не падала, а, наоборот, возрастала в разы. Это говорит о том, что биомолекулы продолжают активно функционировать так, будто все еще находятся в комфортных для себя температурных условиях.

Экспериментально установлено, что наш метод стабилизации ферментов продолжает работать при немыслимых для этих систем 200 градусов. Нагревая до критической точки, мы охлаждали ферменты и проверяли уровень сохранившейся активности. Ферменты в матрице на основе оксида алюминия выдержали четыре подобных цикла с небольшим показателем снижения активности, а решение, используемое сегодня в промышленности, не справилось и с одним.

– У вас есть очевидные доказательства эффективности вашего решения и статья, опубликованная по результатам работы. Что теперь?

– Результатами наших исследований уже интересуются за границей. Вместе с соруководителем нашей лаборатории, профессором Еврейского университета Давидом Авниром мы поддерживаем диалог с директором Biointerface Institute при McMaster University в Канаде, доктором наук Джоном Бреннаном. Это известный ученый, ведущий специалист в мире по «биопринтингу», нанесению биоактивного слоя практически на любую поверхность.

Одним из пунктов нашего взаимодействия может стать создание высокостабильных сенсоров для медицины и промышленности. От этого сотрудничества мы хотим получить максимум, начиная с совместных образовательных программ, заканчивая возможной коммерциализацией нашей разработки. Уже запланированы последующие публикации по результатам наших исследований. Сейчас мы активно ведем поиск магистрантов и волонтеров, которые хотели бы присоединиться к нашим исследованиям.

Пресс-служба Университета ИТМО