Екстремозими: застосування в біотехнологіях

Екстремозими — специфічні ферменти так званих екстремофілів — організмів, які виживають і розмножуються в екстремальних умовах. Ці каталізатори природного походження є швидкими, ефективними, селективними, специфічними, послідовними та стабільними, тому вони зберігають активність в умовах, де їхні «неекстремальні» аналоги денатурують.

Унікальні джерела екстремозимів

Екстремофіли – у нашому випадку це мікроорганізми, надзвичайно стійкі бактерії та археї – населяють біотопи, поширені у всьому світі як у наземних, так і в морських умовах. Екстремофіли можуть виживати і навіть процвітати у суворих умовах довкілля, таких як гарячі джерела, глибоководні жерла, гейзери, геотермальні вулканічні області та льодовики.

У контексті живучості екстремофілів можна порівняти з тихоходкою, адже ці «екстремальні» мікроскопічні істоти не тільки вижили, а й еволюціонували і змогли процвітати в неймовірно суворих умовах: їм байдуже висока температура, pH, насиченість сіллю, радіація, вологість тощо. залежно від стійкості до того чи іншого фактора, такі бактерії класифікують як

• ацидофіли – стійкі у кислому середовищі з рівнем pH 3 та нижче.
• алкалофіли: організми, що розмножуються у лужному середовищі з рівнем pH 9 і вище.
• барофіли, або пʼєзофіли: організми, що живуть у середовищі з дуже високим тиском, наприклад, у глибоководді.
• галофіли – стійкі у середовищах із надзвичайно високою концентрацією солей.
• гіпертермофіли – стійкі у середовищі із надзвичайно високими температурами (між 80–122°C).
• психрофіли — організми, що виживають в умовах екстремального холоду (від -20 ° C до +10 ° C)
• радіофіли – стійкі до радіації.
• ксерофіли – організми, що живуть в екстремально засушливих умовах.

Визначено, що більшість екстремофілів є поліекстремофілами, тобто здатні жити та розмножуватися при численних \ різноманітних біотичних і абіотичних стресах.

Ну, а ключову роль в еволюційному успіху таких бактерій грають білки, що синтезуються ними, зокрема ферменти — ті самі екстремозими. Хоча розуміння молекулярних механізмів, що лежать в основі їхньої стійкості, також важливе для їх використання в промисловості, багаторічні дослідження ще не допомогли вичерпно пояснити, як цим білкам вдається зберігати стабільність, а мікроорганізмам — виживати.

Ферменти, що продукються «екстремальними» мікроорганізмами для енергообміну, не тільки за своєю природою термостабільні й термоактивні, але й мають унікальні характеристики, що виходять за межі надзвичайно високофункціонального температурного діапазону.

Вражаюча стійкість екстремозимів

Екстремозими здатні каталізувати ферментативні реакції при дуже високому атмосферному тиску, екстремальних температурах і т.д., що дозволяє використовувати їх у різноманітних біотехнологічних процесах.

Тенденція до виробництва зелених продуктів привернула ще більшу увагу до екстремозим. Не дивно, адже стабільні ферменти просто знахідка для технолога, не тільки фармацевтичного. Зростає попит на екстремозими як компоненти виробництва продуктів з високою доданою вартістю, таких як біопаливо, біополімери, біосенсори, і, звичайно ж, інноваційні лікарські засоби.

Молекулярні властивості екстремозимів, що зумовлюють їх стійкість до екстремальних стресів, закодовані генетично: у таких білках збільшено кількість сольових містків, водневих звʼязків, посилено гідрофобні взаємодії та ін. У комплексі це збільшує ригідність та стійкість ферментів.

До додаткових переваг використання термозимів у біотехнології відносяться зниження ризику мікробного забруднення, підвищення швидкості перенесення та покращення розчинності субстратів.

Багато біотехнологічних галузей змогли розвиватися тільки внаслідок можливості застосування цих ферментів – наприклад, термостабільні полімерази зробили революцію в галузі молекулярної біології (передусім, дозволили проводити ПЛР), а ферменти галофільних архей – у білковій інженерії.

Термостабільні гідролази, включаючи амілази, ліпази та протеїнази, отримані з термофільних бактерій та архей, використовуються в різних біотехнологічних процесах, причому не тільки (і не скільки) у фармвиробництві, а й харчовій промисловості. В цей час термозими навіть допомагають вирішувати нагальні екологічні проблеми, такі як утилізація (деградація) відходів.

А деякі з цих ферментів – допомагають виводити «відходи» з організму: за допомогою екстремозимів токсикологи створюють свого роду біопастки для отруйних речовин, таких як фосфорорганічні сполуки (ФОС).