Экстремозимы: применение в биотехнологиях

Экстремозимы – специфические ферменты так называемых экстремофилов – организмов, выживающих и размножающихся в экстремальных условиях. Эти катализаторы природного происхождения являются быстрыми, эффективными, селективными, специфическими, последовательными и стабильными в условиях, в которых денатурируют их «неэкстремальные» аналоги.

Уникальные источники экстремозимов

Экстремофилы – в нашем случае это микроорганизмы, чрезвычайно стойкие бактерии и археи – населяют биотопы, распространенные по всему миру как в наземных, так и в морских условиях. Экстремофилы могут выживать и даже процветать в суровых условиях окружающей среды, таких как горячие источники, глубоководные жерла, гейзеры, геотермальные вулканические области и ледники.

В контексте живучести экстремофилов можно сравнить с тихоходкой, ведь эти «экстремальные» микроскопические существа не только выжили, но и эволюционировали и смогли процветать в невероятно суровых условиях: им нипочем высокая температура, pH, насыщенность солью, радиация, влажность и т. д. В зависимости от стойкости к тому или иному фактору, такие бактерии классифицируют как

• ацидофилы – устойчивые в кислой среде с уровнем pH 3 и ниже.
• алкалофилы: организмы, размножающиеся в щелочной среде с уровнем pH 9 и выше.
• барофилы, или пьезофилы: организмы, живущие в среде с крайне высоким давлением, например, в глубоководье.
• галофилы – устойчивые в средах с чрезвычайно высокой концентрацией солей.
• гипертермофилы – устойчивые в среде с чрезвычайно высокими температурами (между 80–122 ° C).
• психрофилы – организмы, выживающие в условиях экстремального холода (от -20 °C до +10 °C)
• радиофилы – устойчивые к радиации.
• ксерофил – организмы, живущие в экстремально засушливых условиях.

Известно, что большинство экстремофилов являются полиэкстремофилами, т. е., способны жить и размножаться при множественных биотических и абиотических стрессах.

Ну, а ключевую роль в эволюционном успехе таких бактерий играют синтезируемые ими белки, в частности ферменты – те самые экстремозимы. Хотя понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе их стойкости, также важно для их использования в промышленности, многолетние исследования еще не помогли исчерпывающе объяснить, как этим белкам удается сохранять стабильность, а микроорганизмам — выживать.

Ферменты, вырабатываемые «экстреальными» микроорганизмами для энергообмена, не только по своей природе термостабильны и термоактивны, но и обладают уникальными характеристиками, выходящими за пределы необычно высокофункционального температурного диапазона.

Поразительная стойкость экстремозимов

Экстремозимы способны катализировать ферментативные реакции при очень высоком атмосферном давлении, экстремальных температурах и т.д., что позволяет использовать их в разнообразных биотехнологических процессах.

Тенденция к производству зеленых продуктов привлекла еще больше внимание к экстремозимам. Неудивительно, ведь стабильные ферменты – просто находка для технолога, не только фармацевтического. Растет спрос на экстремозимы в качестве компонентов производства продуктов с высокой добавленной стоимостью, таких как биотопливо, биополимеры, биосенсоры, и, конечно же, инновационные лекарственные средства.

Молекулярные свойства экстремозимов, обусловливающие их устойчивость к экстремальным стрессам, закодированы генетически: в таких белках увеличено число солевых мостиков, водородных связей, усилены гидрофобные взаимодействия и пр. В комплексе это увеличивает ригидность и устойчивость ферментов.

К дополнительным преимуществам использования термозимов в биотехнологии относятся снижение риска микробного загрязнения, повышение скорости переноса и улучшение растворимости субстратов.

Многие биотехнологические области смогли развиваться только за счет применения этих ферментов – например, термостабильные полимеразы произвели революцию в области молекулярной биологии (прежде всего, позволили проводить ПЦР), а ферменты галофильных архей – в белковой инженерии.

Термостабильные гидролазы, включая амилазы, липазы и протеиназы, полученные из термофильных бактерий и архей, используются в различных биотехнологических процессах, причем не только (и не сколько) в фармпроизводстве, но и пищевой промышленности. В настоящее время термозимы даже помогают решать насущные экологические проблемы, такие как разложение отходов.

А некоторые из этих ферментов – помогают выводить «отходы» из организма: при помощи экстртремозимов токсикологи создают своего рода биоловушки для отравляющих веществ, таких как фосфорорганические соединения (ФОС).