На сегодняшний день большинство ферментов, представленных на рынке, имеют бактериальное или грибковое происхождение, и лишь немногие из них являются производными архей, большинство из которых было продуцировано мезофильными микроорганизмами, которые часто ингибируются в экстремальных условиях многих промышленных процессов.
В дополнение к целым микробным клеткам экстремозимы представляют собой ферменты, которые разработали молекулярные механизмы адаптации к экстремальным физико-химическим условиям, которые имеют соответствующее применение в качестве биокатализаторов в промышленных процессах биотрансформации.
Примеры использования экстремозимов
Было показано, что ферменты, продуцируемые психрофилами, проявляют высокую каталитическую эффективность в производстве моющих средств и в пищевой промышленности, а также для производства некоторых химикатов.
Промышленный потенциал для галофильных ферментов заключается в их способности быть активными и стабильными при низкой активности воды, а во многих случаях также в присутствии органических растворителей. Примеры этих экстремозимов включают полисахарид-гидролизующие ферменты, имеющие большое значение для гидролиза целлюлозы, ксилана и крахмала.
Бактериальные алкалифилы в основном используются для производства ферментов, которые широко применяются в производстве моющих средств и в прачечной.
Термозимы представляют собой экстремозимы, продуцируемые термофильными и гипертермофильными микроорганизмами. Эти ферменты также часто способны переносить протеолиз и суровые условия, такие как присутствие денатурирующих агентов и органических растворителей, а также высокую соленость. Преимущества использования термозимов включают уменьшенный риск загрязнения, более низкую вязкость и более высокую растворимость субстратов.
В дополнение к вышеупомянутым экстремумам, другие ферменты также подходят для использования в других промышленных процессах. Например, спиртовые дегидрогеназы могут использоваться для синтеза строительных блоков химической промышленности, таких как оптически активные спирты, или для синтеза кофакторов, таких как NAD и NADP.
Между тем, нитрильные деградирующие ферменты представляют интерес для превращения нитрилов и ферментов, образующих углерод-углеродные связи, таких как альдолазы, транскетолазы и гидроксинитрильные лиазы, которые используются в органическом синтезе.
Экстремолиты и их биотехнологическое применение
Экстремолиты – это органические соединения, которые могут составлять до 25% от массы сухих клеток, накапливаемых в микроорганизмах, подвергающихся воздействию стрессовых условий окружающей среды. Например, некоторые соединения производных полиолов (эктоин, гидроксиэктоин и бетаин), углеводы, такие как трегалоза и производные маннозы (маннозилглицерат и маннозилглицерамид), глюкозилгликозилглицерат, глюкозилглицерат и различные аминокислоты.
Экстремолиты в основном использовались в косметике (они защищают клетки от действия ультрафиолетовых лучей) и имели потенциал для применения в фармацевтической промышленности (в качестве профилактического средства при раках, вызванных ультрафиолетовым излучением, таких как меланома).
Бактериоберин, продуцируемый радиорезистентными микробами (Halobacterium и Rubrobacterium), был предложен для применения в профилактике рака кожи человека, поскольку он участвует в восстановлении поврежденных нитей ДНК, вызванных ионизирующим УФ-излучением.
Экстремолиты также могут быть использованы для стабилизации макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты. Нестабильность белка является основной проблемой при введении терапевтических препаратов на основе белка, особенно в водных составах. Благодаря своей способности стабилизировать белки in vivo и in vitro, экстремолиты предлагают привлекательное решение для стабилизации и хранения чувствительных белков в отсутствие других стабилизаторов белка.
Более того, экстремолиты могут ингибировать неправильное сворачивание или агрегацию белка и, следовательно, являются интересными кандидатами для разработки лекарств от нескольких подобных заболеваний.
Заключение
Экстремофильные или экстремально устойчивые микробы способны оказывать большое влияние на биотехнологию через вырабатываемые ими соединения (т.е. экстремозимы и экстремолиты), которые позволяют им процветать в суровых условиях.
Экономический потенциал экстремальных веществ является значительным для их применения в сельском хозяйстве, пищевой и кормовой промышленности, фармацевтической, моющих средствах, текстильной и целлюлозно-бумажной промышленностях.