Нейтральные и щелочные целлюлазы

Главнейшей задачей ферментативного гидролиза растительной биомассы является получение глюкозы для SSF-процесса - одновременное или последовательное сбраживание сахаров (Subsequent or Simultaneous Fermentation). Это предполагает поиск новых целлюлаз, которые были бы рН-совместимыми с бактериями, образующими этанол. Такие целлюлазы с повышенной активностью в широком диапазоне рН и рН совместимые с бактериями, образующими этанол, обеспечивают больше сахара для сбраживания, чем традиционно используемые для ферментативного гидролиза кислые целлюлазы гриба Trichoderma viride (reesei). Это, в свою очередь, снижает себестоимость получаемого биоэтанола. Термостабильные эндоглюканазы с нейтральным и щелочным рН-оптимумом активности, неоднократно описанные в ряде работ, удовлетворяют этим условиям. Кроме того, повышенный интерес к нейтральным и щелочным эндоглюканазам объясняется появлением возможности применения этих ферментов в текстильной промышленности и производстве стиральных порошков.

Причина высокой термо- и рН-устойчивости у этих ферментов, которые выдерживают 70-80 ⁰С при крайних значениях рН и сохраняют при этом значительный процент активности в широком диапазоне рН, пока еще не ясна, хотя наблюдается корреляция стабильности со степенью упорядоченности вторичной и третичной структуры белковой молекулы. Так, эндоглюканаза Y из Humicola insolens, относится к семейству 45 и является в настоящее время наиболее термостабильной и щелочной промышленной эндоглюканазой, имеет особую плотно упакованную складчатую структуру 6-бета бочонок (6-beta barrel fold) каталитического домена.

Сравнительные исследования эндоглюканаз, из штаммов Aspergillus sp., Penicillium sp. 4-6,обитающих в таких неблагоприятных условиях среды, как засоленные почвы пустыни Гоби и Южно-Вьетнамские почвы, обработанных дефолиантами в годы войны с США, показали, что они имеют значительно более высокую активность в нейтральной и щелочной области, чем эндоглюканазы из Trichoderma reesei. Штамм Penicillium sp. 4-6 продуцирует фенолоксидазу, которая судя по влиянию галоген ионов на активность, является лакказой с более широким рН – оптимумом по сравнению с аналогичными ферментами из Coriolus hirsutus. Известно, что лакказы ингибируются ионами хлора, причем степень ингибирования зависит от условий рН. В случае лакказы из Penicillium sp. 4-6 с ростом рН наблюдается активация фермента ионами хлора почти в два раза, что может быть результатом изменений в стуктуре ферментов, вызванными мутагенным влиянием дефолиантов. Разумеется, столь интересный эффект, как и в целом проблема щелочных и нейтральных целлюлаз, в связи с новыми перспективами их применения, требует более подробного изучения.

Ферментные препараты, способные разрушать целлюлозу, находят широкое применение в различных отраслях производства. Целлюлолитические ферменты используются для облагораживания грубых кормов в сельском хозяйстве, улучшения процессов экстракции в виноделии, пивоварении, консервной, спиртовой отраслях промышленности, для выделения из растений белков, витаминов, крахмала. Довольно эффективно использование целлюлолитических ферментов в производстве эфирных масел и стероидных соединений. Применение целлюлаз позволяет подойти к созданию экологически безопасных технологий, предусматривающих снижение потоков загрязняющих веществ, поступающих в биосферу.

Совершенствование целлюлюлолитических ферментов идет по пути их применения в целлюлозно-бумажной, текстильной промышленности, а также в быту при изготовлении стиральных порошков и для обработки древесины с целью получения биопластиков. При использовании ферментов важной проблемой является высокая эффективность действия фермента и стабильность. Возможности современной белковой инженерии, знание структуры и механизмов действия ферментных систем, позволяют улучшить свойства ферментов природных штаммов. Необходимые ферменты в нужном количестве и без сопутствующих активностей можно получить с использованием рекомбинантных грибных и бактериальных продуцентов. Достижения современной белковой инженерии, в совокупности с данными о структуре и механизме действия целлюлаз, позволяет существенно улучшить свойства ферментов природных штаммов. В свою очередь, генная инженерия дает возможность получать необходимые ферменты в нужном количестве и без сопутствующих примесных активностей, с использованием рекомбинантных грибных и бактериальных продуцентов.