Материал: Шмид Р. Наглядная биотехнология и генетическая инженерия

ВВЕДЕНИЕ. Получение опары – наиболее важный

временном производстве используют дрожжи, кото-

этап в производстве хлебобулочных изделий. Ком-

рые оптимизированы для быстрого образования опа-

бинированное молочнокислое и дрожжевое броже-

ры, следовательно и активность препаратов фермен-

ние при изготовлении хлеба из ржаной муки способ-

тов также должна быть высокой. Чаще всего

ствует его лучшей усвояемости. Для приготовления

применяется нейтральная протеиназа из Aspergillus

теста, как правило, используют очищенные фермен-

oryzaе, которая разрыхляет клейковину в необходимой

ты (α-амилазы, глюкоамилазы, протеиназы, ксила-

мере, не приводя к излишнему расщеплению белка.

назы). Специфические ксиланазы препятствуют об-

МЕТОДЫ АНАЛИЗА. В современной хлебопекарной

разованию геля, вызванному пентозанами, и таким

промышленности широко используются методы

образом снижают вязкость ржаного или пшеничного

анализа и контроля технологических процессов. На-

теста. Роль амилаз, глюкоамилаз и протеиназ за-

пример, для изучения газообразования и уменьше-

ключается в разрыхлении теста. В зависимости от

ния вязкости используют метод определения числа

природы муки для теста используют разные фер-

падения. Для наблюдения за ходом протеолиза под

менты в разных соотношениях. Добавление β-ами-

действием протеиназ применяют фаринограф, экс-

лазы, катализирующей образование мальтозы при

тенсограммы или альвеограммы, которые отражают

гидролизе углеводов, позволяет значительно увели-

изменение вязкости раствора при расщепления

чить сроки хранения хлеба. Современная хлебопе-

глютена.

карная промышленность во всем мире потребляет

ФЕРМЕНТЫ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ МЯСА. Мясо – это

около 1000 тонн ферментов в год. Для производст-

мышечная ткань, подвергнутая биохимической обра-

ва колбасных изделий к мясу добавляют стартовые

ботке. Особая роль в этой обработке принадлежит

культуры микроорганизмов, что определяет вкусо-

протеиназам (катепсинам). Основными критериями

вые качества и сроки хранения полученных колбас.

качества мяса служат сочность, вкусовые качества,

Нежный вкус мяса достигается обработкой протеи-

цвет и мягкость. Существует множество способов

назами, которые частично расщепляют мышечные

сделать мясо более нежным на вкус: так, в Европе

волокна. Чаще всего в мясной промышленности ис-

мясо маринуют, а в некоторых странах его заворачи-

пользуют протеиназу папаин.

вают в листья папайи или замачивают в ананасовом

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ХЛЕБА. Муку получают перемалыва-

соке или в соке папайи. При смачивании раствором

нием зерна. В завимости от вида зерна различают

папаина (сульфгидрильная протеиназа, выделенная

пшеничную, ржаную муку, муку из спельты*. Свойст-

из папайи) мясо тоже становится мягким. Можно

ва почвы, на которой выращивался злак, климат и

также делать инъекции неактивного папаина живот-

уровень зрелости на момент сбора урожая определя-

ным непосредственно перед забоем: в мясе убитого

ют содержание крахмала, пентозанов и белков.

животного окисленные группы папаина восстанавли-

Воздействие ферментов может изменять состав му-

ваются, происходит активация фермента и частичное

ки: так, амилазы расщепляют крахмал до декстринов

разрушение мышечной ткани.

(α-амилаза), мальтозы (β-амилаза) и в конце кон-

цов – до глюкозы. Этот процесс важен для

следующих этапов переработки муки: например, пе-

карские дрожжи, используемые для приготовления

опары, могут перерабатывать только моноили диса-

хариды. Белок клейковины глютен связывает воду и

формирует гелеобразную структуру теста. При дейст-

вии протеиназ эту структуру можно частично разру-

шить и таким образом повысить эластичность теста:

это необходимо для эффективного удерживания СО2,

образовавшегося в результате жизнедеятельности

дрожжей при получении опары. Слишком высокая

концентрация протеиназ приводит к потере эластич-

ности и излишнему размягчению структуры теста. На

практике обычно используют α-амилазы, выделен-

ные из солода, бацилл или плесневых грибов. Глюко-

амилазы также получают из плесневых грибов. В со-

ВВЕДЕНИЕ. Стремительный прогресс генетической

тов для промышленного применения. Наиболее

инженерии обусловил развитие новых подходов к по-

наглядны успехи направленной эволюции для получе-

иску ферментов: усовершенствованы традиционные

ния ферментов, обладающих высокой стабильностью

методы скрининга, разработаны методики переноса

в экстремальных температурных и кислотно-щелоч-

генетической информации между различными орга-

ных условиях. Методами биоинформатики можно

низмами и во многих случаях найдены пути увеличе-

проводить ускоренный поиск новых ферментов на ос-

ния выхода необходимого фермента. Несмотря на

нове данных, полученных при секвенировании гено-

это, в промышленном синтезе ферменты все же ред-

мов. К настоящему времени полностью секвенирова-

ко выдерживает конкуренцию с химическим синте-

ны геномы нескольких сотен микроорганизмов: при

зом. Во-первых, для многих важнейших реакций син-

сравнении их последовательностей с консенсусными

теза, например, реакции образования углеродных

последовательностями известных ферментов уда-

связей, известно лишь несколько ферментов, не тре-

лось обнаружить несколько сотен ферментов с неяс-

бующих дорогостоящих кофакторов. Во-вторых, вре-

ной субстратной специфичностью. С помощью ПЦР

мя, которое затрачивается на разработку метода по-

были получены кДНК этих ферментов, однако поиск

лучения фермента и на повышение выхода продукта

природных субстратов – чрезвычайно сложная зада-

в штаммах-продуцентах, значительно превышает

ча. Анализ консенсусных областей 16S-рРНК раз-

время на полный цикл внедрения метода химическо-

личных бактерий позволил предположить, что к на-

го синтеза веществ для фармакологии или сельского

стоящему времени лишь 1% всех существующих

хозяйства. Ввиду явного отставания ферментативно-

бактерий классифицированы и могут быть культиви-

го синтеза от химического становится очевидной ак-

рованы. В связи с этим осуществляются попытки об-

туальность следующих направлений развития науки:

наружения новых ферментов из некультивируемых

1) рациональная белковая инженерия; 2) направлен-

микроорганизмов путем выделения и экспрессии

ная эволюция; 3) новые методы скрининга для изуче-

ДНК («Метагеном») из естественных природных ис-

ния огромного разнообразия природных ферментов.

точников. Для этого выделяют ДНК, при помощи

НОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ФЕРМЕНТОВ. Живые организмы

ферментов расщепляют ее на фрагменты небольшо-

обитают в самых разнообразных условиях и выраба-

го размера, чтобы их можно было встроить в вектор,

тывают ферменты, приспособленные для функциони-

затем экспрессируют их в клетках-хозяевах и прово-

рования в специфических средах. Механизмы при-

дят функциональный анализ полученных продуктов.

способления к условиям существования особенно

Несмотря на то что методика еще не окончательно

разнообразны у микроорганизмов: в процессе эволю-

разработана, таким способом уже удалось выделить

ции некоторые из них сумели приспособиться к са-

и охарактеризовать несколько ферментов с необыч-

мым экстремальным условиям – рН, температура,

ными функциями.

жесткий осмос и др. При систематическом скрининге

необычных сред обитания (щелочные или кислые

природные среды, глубоководные впадины, горячие

источники и др.) регулярно обнаруживают новые ми-

кроорганизмы, из которых выделяют ферменты с не-

обычными свойствами. Так, ДНК-полимераза I (Taq-

полимераза), широко применяемая для проведения

ПЦР, выделена из термофильной бактерии Thermus

aquaticus, обитающей в гейзере (90 °С) на террито-

рии Йеллоустонского заповедника. В гидротермаль-

ных источниках (110 °С, 150 бар) Средиземного мо-

ря на глубине 1500 м были обнаружены не

изученные ранее микроорганизмы, относящиеся к

группе архей. Оказалось, что ДНК-полимераза этих

организмов делает меньше ошибок, чем Taq-полиме-

раза в аналогичных условиях. Некоторые из этих

ферментов уже поступили в продажу, в частности

Pfu- и Tma-полимеразы.