|
||||
|
||||
Не секрет, что рациональное конструирование термостабильных ферментов (т.е. способных работать с высокой активностью при температурах 100оС и выше) для современных промышленных реакторов имеет огромное практическое значение. Например, биотехнологическое производство биоэтанола (этилового спирта) c помощью термостабильных ферментов и использование его в качестве топлива в виде 10-20% добавок в бензин получило широкое распространение во многих развитых (и не очень) странах. США являются крупнейшим мировым биотехнологическим производителем этанола из дешевого кукурузного крахмала. Ценность этанола в качестве моторного топлива обусловлена тем, что: 1) этанол - это дешевая, безопасная и легко транспортируемая жидкость; 2) теплотворная способность этанола составляет около 70% теплотворной способности бензина; 3) при смешивании с бензином этанол повышает октановое число бензина, не содержащего экологически вредный тетраэтилсвинец; 4) топливные смеси, в которых содержание этанола не превышает 20%, могут использоваться во всех современных автомобилях без переделки двигателя. Около 30% бензина на рынке США содержит примесь этилового спирта. В прошлом году на 101 американском заводе было произведено около 16 млрд. литров этилового спирта. На фоне высоких цен на бензин политики США и Европы едва ли не в один голос заговорили о необходимости достичь энергетической независимости от стран ОПЕК и России за счет производства этанола из местных возобновляемых биоресурсов. Помимо всего прочего, биоэтаноловая промышленность обеспечивает США примерно 150 тыс. рабочих мест и приносит многомиллиардные налоговые поступления в федеральный и местные бюджеты. Производство биоэтанола - это и важнейший рынок сбыта для многих фермерских хозяйств который потребляет избытки урожая кукурузы и таким образом стабилизирует ее цены. Огромные правительственные субсидии и льготы, а также высокие цены на этанол сделали его производство чрезвычайно выгодным не только в США, но и в ЕС, Китае, Японии и Бразилии. По данным агентства Bloomberg, только за последний год в акции основных американских производителей этанола (AMD, VeraSun Energy, Pacific Ethanol, Hawkeye Holdings и Aventine Renewable Energy) было инвестировано около $14.3 млрд. Помимо производства этанола из кукурузного крахмала, не менее важно производство глюкозо-фруктозных сиропов из этого же сырья, что является еще одним широкомасштабным промышленным биотехнологическим процессом. В США, например, этот сироп заменяет 40% сахара в пищевой промышленности и производится в количестве около 10 млн. тон в год. Технологический процесс производства этанола и глюкозосодержащих сиропов из крахмала включает несколько стадий гидролиза крахмала с помощью промышленных ферментов. Наряду с термостабильной альфа-амилазой, другим ключевым ферментом в этом процессе является нетермостабильный фермент глюкоамилаза, последовательно отщепляющий в процессе реакции гидролиза глюкозные остатки от цепи крахмала, гликогена и мальтоолигосахаридов. В начале 90-х годов в серии работ, выполненных в ОМРБ ПИЯФ РАН под руководством Леонида Михайловича Фирсова, была впервые определена с высоким разрешением трехмерная структура ключевого фермента глюкоамилазы. Работа послужила мощным толчком в развитии всей этой области мировой индустрии и дала возможность сформулировать основные молекулярные механизмы действия этого фермента. В результате этого, во многих лабораториях была начата осмысленная работа по улучшению технологических характеристик глюкоамилазы. Дело в том, что получение одновременно достаточно термостабильного и активного варианта глюкоамилазы позволило бы сократить целую стадию в этом самом широкомасштабном биотехнологическом процессе в мире и, таким образом, оптимизировать затраты и эффективность этого производства. Одностадийный комбинированный гидролиз крахмала при максимально высоких температурах позволил бы значительно увеличить скорость реакции и уменьшить требуемое время и потребляемые ресурсы и, таким образом, значительно уменьшить себестоимость конечного продукта. Для поиска природных гипертермостабильных глюкоамилаз и создания термостабильных мутантов, способных функционировать при температурах 95-100оС (стандартная технологическая температура гидролиза крахмала альфа-амилазами) у нас и за рубежом было предпринято много попыток. Однако до сих пор таких ферментов не получено.
В ОМРБ ПИЯФ РАН недавно был создан новый метод конструирования ферментов, позволяющий стабилизировать их структуру в широком диапазоне температур. Хотя у нас в стране и отсутствуют дешевые источники крахмала, имеются бросовые отходы деревообрабатывающей и пищевой промышленности. Поэтому многие промышленно важные ферменты, широко используемые в бумажной, пищевой, парфюмерной и химической промышленности, также требуют термостабилизации. А их использование могло бы не только приносить большую прибыль и создать рабочие места для многих высококвалифицированных специалистов-биотехнологов, но значительно улучшить экологическую ситуацию. Поэтому проект имеет большое практическое значение. На первом этапе этого проекта с помощью нового метода были сконструированы и клонированы гены, кодирующие молекулу глюкоамилазы с рекордной на сегодняшний день термостабильностью в 80оС. В случае успеха, полученные в наших лабораториях штаммы-продуценты термостабильной глюкоамилазы могут быть запатентованы во всех странах, где этот технологический процесс используется в широком масштабе (США, ЕС, Китай, Япония и Бразилия), а соответствующие лицензии на их использование проданы основным мировым производителям чистых ферментов для биотехнологической промышленности. Достаточно сказать, что, согласно различным оценкам, мировой рынок только продаж промышленных альфа- и глюкоамилаз превышает 1 миллиард долларов США. В то же время, необходимая для промышленности достаточно термостабильная глюкоамилаза из других источников все еще не создана. Ведущий научный сотрудник ПИЯФ РАН М.Г.Петухов |
