БІОТЕХНОЛОГІЯ - В. Г. Герасименко - 2006
Частина ІІ. Спеціальні біотехнології
Розділ 7. БІОТЕХНОЛОГІЯ ВИРОБНИЦТВА І ЗАСТОСУВАННЯ ІММОБІЛІЗОВАНИХ ПРЕПАРАТІВ
7.8.ІММОБІЛІЗАЦІЯ КЛІТИН (АДГЕЗІЯ)
Крім біологічно активних речовин (в т.ч. ферментів), можна іммобілізувати цілі мікробні клітини. Це явище називається адгезією.
Слід зазначити, що пріоритет в області іммобілізації клітин належить не вченим, а природі. У природі більшість мікроорганізмів знаходиться (на тій чи іншій стадії розвитку) в закріпленому стані на поверхні тіла тварин, рослин, у воді, в гірських породах і особливо в ґрунті. Без адгезії мікрорганізми не могли б існувати у природі. Вона є важливою екологічною рисою існування мікроорганізмів. Так, у ґрунті адгезія дозволяє мікроорганізмам утримуватись у ґрунтовому профілі і не вимиватись в нижні горизонти. Крім того, адгезовані клітини знаходяться на межі розділу твердого тіла і рідини, де зосереджені основні поживні речовини. Розкладання рослинних решток, деяких мінералів теж відбувається лише при адгезії мікроорганізмів.
Явище адгезії на різних носіях почали використовувати дуже давно. Ще більше 150 років тому в Німеччині використовували закріплені на буковій стружці бактерії для виробництва оцту. В 1857 р. Луї Пастер наголошував, що додавання адсорбентів стимулює спиртове бродіння.
Однією з перших робіт, яка започаткувала використання в області інженерної ензимології поряд з ферментами безпосередньо клітин, є робота шведських дослідників К. Мосбаха і П. Ларссона, опублікована в 1970 р. У Радянському Союзі вперше були опубліковані роботи в цьому напрямку в 1974 р.
Перший промисловий процес з використанням іммобілізованих клітин здійснено в 1973 році. Відома японська фірма «Танабе Сейяко» за допомогою іммобілізованих в поліакріламідному гелі клітин Escherichia coli здійснила процес одержання аспарагінової кислоти з фумарової кислоти. Тепер існує більше десятка біотехнологічних процесів, у яких використовуються іммобілізовані клітини (синтез амінокислот, органічних кислот, антибіотиків).
Ферментативна активність іммобілізованих клітин використовується також при очищенні стічних вод, особливо від токсичних сполук, наприклад фенолу, бензолу, гексаметилендіаміну.
Можлива також деградація і неприродних речовин, таких як циклічний дімер амінокапронової кислоти, який міститься у стічних водах з найлонового виробництва. Створені пілотні установки, в яких використовується суміш адсорбованих мікроорганізмів, що здійснюють денітрифікацію стічних вод, а також вилучення з них важких металів. Показана можливість використання цілих клітин Algaligenes eutrophus, іммобілізованих в альгінатний або карагінановий гель, для очищення стічних вод від тритію. 10 г клітин (сира біомаса) еквівалентні 1 г платинового каталізатора.
Іммобілізовані клітини використовуються для обробки не тільки стічних вод, але й органічних відходів. Реактор з адсорбованими клітинами в анаеробних умовах діяв два роки. Одержаний біогаз містив 90 % метану і менше 5 % CO2.
Для іммобілізації можуть використовуватись клітини у різному стані: живі і пошкоджені різною мірою. Одностадійні реакції можуть здійснювати і живі, і пошкоджені клітини. Полі- ферментні реакції проводять з використанням живих клітин, які тривалий час можуть регенерувати АТФ та інші коферменти (НАД, НАДФ).
Іммобілізовані клітини мають певні переваги над іммобілізованими ферментами: при використанні іммобілізованих клітин нема необхідності виділення і очищення необхідних ферментів, що має високу вартість; ферменти в клітині функціонують в нативному оточенні і їх денатурація в процесі роботи зводиться до мінімуму; клітини здійснюють одно- і складні багатостадійні процеси синтезу практично в один етап; у деяких випадках мають вищу ферментативну активність і стабільність окремих ферментів; значно ширший діапазон використання і більше можливості масштабування біотехнологічних процесів.
Основними недоліками адгезії є: обмеження дифузії як субстрату до клітини, так і продукта реакції у зворотному напрямку через стінку клітини, плазматичну або внутрішньоклітинну мембрану; необхідність підтримання цілісності клітини і утримання клітин у тій фазі росту, у якій синтезуються потрібні ферменти; через присутність у клітині великої кількості ферментів (що в деяких випадках є перевагою) можливі небажані побічні реакції.
Однак, незважаючи на недоліки, даний напрямок біотехнології дуже перспективний (судячи з кількості публікацій та оцінок спеціалістів) і поступово витіснятиме процеси з використанням як іммобілізованих ферментів, так і вільних клітин. Найбільш перспективним напрямком реалізації біотехнологічного потенціалу іммобілізованих клітин є клітинна і генетична інженерія, гібридомна технологія, субклітинна інженерія, ґрунтова біотехнологія тощо.
Варто зазначити, що іммобілізувати можна не тільки цілі клітини мікроорганізмів, але й клітини рослинних і тваринних тканин, використовуючи їх так, як і активні біокаталізатори для синтезу фізіологічно активних речовин. Перспективною є також іммобілізація клітинних органел як активних поліферментних систем.