TEHNOLOGIA ENZIMATICA “Deviza” enzimelor: a face si a desface continu substante…
Enzimele sunt catalizatori biochimici, specifici vietii, care asigura desfasurarea proceselor metabolice (catabolism si anabolism). Sunt solubile, macromoleculare, de natura organica, termolabile, produse de organismul viu, iar activitatea lor specifica fata de o anumita substanta sau un anumit tip de substante sau substrat, si sunt dependente de anumite conditii de mediu: pH, temperatura, prezenta unor activatori etc. Enzimele pot fi activatoare sau inhibitoare pentru un anumit proces metabolic, dupa cum pot fi si degradatoare ale unor substante (enzime amilolitice, glicolitice, proteolitice etc.), fie in mediul extracelular (exoenzime) cum sunt cele utilizate in industria fermentativa (pepsina, tripsina etc.). Fabricarea enzimelor este dificila si foarte scumpa, stabilitatea lor este slaba si pot fi utilizate o singura data. Aceste trasaturi pareau greu de invins. Cercetarile efectuate de microbiologi si ingineri biotehnologi, au dus la intelegerea faptului ca enzimele pot constitui “instrumente” cu posibilitati deosebite. S-a stabilit ca enzimele pot fi produse natural de diverse microorganisme, de exemplu, de catre levuri (drojdi) . Apoi, pentru o folosire rentabila la scara industriala, dupa extragerea si purificare enzimele sunt fixate, fie prin formarea unei legaturi chimice, intre unele substraturi naturale (celuloza, agaroza), sintetice (polistiren, poliacrilonitric) sau minerale (argila, sticla poroasa), fie prin absortie simpla sau prin includerea in microcapsule cu pereti semipermeabili. Stabilizarea si utilizarea continua in reactoare cu substrat fluidizat se poate realiza si prin fixarea enzimelor pe particule magnetice. Fixate astfel, enzimele pot fi reciclate deoarece ele se prezinta sub forma solida si nu lichida. In timp ce in stare lichida enzimele se denatureaza in 24 ore, in urma fixarii pot functiona cateva luni, fapt care face ca pretul de cost sa scada sensibil. Dupa fixare enzimele, impreuna cu suportii, se introduc in bioreactori de diverse dimensiuni (chiar de zeci de mii de tone)1. Asemenea bioreactori au inceput sa produca. De exemplu, in reactori enzimatici se produce lactoza din lactoser (partea lichida care ramane din lapte dupa indepartarea coaguluilui format sub actiunea fermentilor; contine albumina si globulinele din lapte, precum si cea mai mare parte din lactoza si saruri minerale; lactoza este un dizaharid compus dintr-o molecula de glucoza si una de galactoza, deci lactoza poate fi utilizata pentru producerea glucozei si galactozei (izomer al glucozei), precum si fructoza din glocoza (transformarea in fructoza intensifica dulceata). In reactorii in care au fost introduse doua tipuri de molecule (reactori bimoleculari): amoniac si acid fumaric, enzima imobilizata, aspartaza a catalizat acidul aspartic. Reactorii in care sunt introduse enzime cu actiune secventiala asigura transformari chimice profunde ale moleculelor substratului conducand la sinteza dirijata a unor molecule noi, specifice. Imobilizarea enzimelor pe suporti insolubili si folosirea acestora in bioreactori, in flux continuu, este in curs sa devina o tehnologie larg utilizata in domeniile alimetar si farmaceutic. Aceasta va avea implicatii economice si social-politice dintre cele mai importante , deoarece procedeele enzimatice pot fi competitive sau complementare proceselor chimice clasice (industriei fermentarii). De exmplu, in S.U.A., transformarea amidonilui porumbului de catre glucoamilaze in glucoza -> fructoza se realizeaza de acum in statie pilot (amidonul este hidrolizat de a-amilaza in dextrine si apoi in maltoza, maltotrioza si glucoza, iar g-amilaza elibereaza glucoza si maltoza). Moleculele separate de glucoza in prezenta unei glicoizomeraze sunt apoi transformate in fructoza, sub forma unui sirop (cu un continut ridicat in fructoza) cu o putere de indulcire superioara zaharozei (care este fomata dintr-o glucoza si fructoza). Acest suc dulce este foarte potrivit in industriile alimentare, in special in fabricarea bauturilor racoritoare (inclusiv Coca-Cola). In prezent, unele cercetari de inginerie genetica intreprinse de societatea californiana Cetus au drept obiectiv gasirea unei biotehnologii de solidificare a siropului prin cristalizarea fructozei. Prin generalizarea acestui procedeu, in 1990, S.U.A. a asigurat o jumatate din consumul intern de zahar, eliberandu-se de necesitatea importului acestui produs. In anii ’70, SUA producea anual aproape 3 milioane de tone de zahar din porumb. (In SUA, valoarea totala a utilizarii industriale a enzimelor ca valoare adaugata, in 1975, s-a ridicat la aproape 500 milioane dolari.). S-a mentionat ca o celula bacteriana sintetizeaza circa 2000 enzime, care, de altfel, sunt prezente in orice celula vie. Dar, numarul celor cunoscute este mult mai mic, iar al celor folosite industrial este extrem de redus. Astfel, numarul enzimelor industriale (cu o cifra de afaceri de 200 milioane dolari/an in SUA) atinge doar cifra 10. Dintre acestea 4 grupe de enzime reprezinta 80% din comert si anume: amilazele (a si b amilaza, de origine bacteriana; hidrolizeaza polizaharidele->glucoza, maltoza), amiloglucozidazele (origine fungica; hidrolizeaza total amidonul, dextrinele->glucoza, bere, alcool), proteazele (papaina, bromelaina de origine vegetala; tripsina, pepsina, cheagul de origine animala sau fungica, proteaze bacteriene si fungice; hidrolizeaza peptide, amide sau esteri, caseina, proteine-> peptide sau aminoacizi; limpezirea berii; producerea painii, produselor de cofetarie, branzeturilor, medicamentelor) si glucoizomereazele (origine fungica; izomerizarea glucozei in fructoza si producerea siropului cu continut ridicat in fructoza). La aceste enzime, larg folosite, se adauga: pectinaza (origine fungica; fructe->suc de fructe, vin), celulaze (origine fungica; hidrolizeaza biomasa, celuloza->glucoza, alcool), lipaze (origine fungica; hidrolizeaza gliceride->acizi grasi, gliceroli), invertaza (levuri; hidrolizeaza zaharoza -> glucoza si fructoza->zahar invertit), lactaza ( levuri, fungi; hidrolizeaza lactoza->glucoza, galactoza->siropuri) si pancreatina (extrasa din pancreas; actioneaza ca o proteaza + o amilaza + o lipaza, reunite; hidrolizeaza legaturi peptidice, polizaharidice si gliceridice -> glucoza, aminoacizi, acizi grasi etc.; utilizari in industria farmaceutica). O ultima enzima, dar cu un mare viitor este amino-acilaza, care asigura producerea a-aminoacizilor. Pe scurt despre aminoacizi: sunt substante organice din a caror polimerizare rezulta proteinele. In structura aminoacizilor intra una sau cateva grupari carboxilice ( -COOH) si una sau cateva grupari aminice (-NH2). Dupa pozitia gruparii aminice fata de cea carboxilica aminoacizii se clasifica in a, b, g, D,... Cea mai mare parte a aminoacizilor naturali sunt a-aminati… Sunt sintetizati de celule pe seama hexozelor, pentozelor sau acizilor cetonici. Unii aminoacizi sunt esentiali pentru organismul animal. Prezenta acestora in alimente este indispensabila deoarece organismul nu ii sintetizeaza. Asa sunt: lizina, triptofanul, cistina + metionina, histidina, fenilalanina, treonina, leucina + izoleucina, valina. Lizina este asadar un aminoacid esential, iar in cereale aproape ca lipseste (in porumbul obisnuit) sau este prezenta in cantitati mici (la grau 2,8 g/100g proteina). Spre deosebire, o leguminoasa, soia are circa 7% proteina din bob, iar oul de gaina 6,97 g/100 g proteina. (Necesarul in 24 de ore al unui om este de 4,2 g/100 g proteine). Din aceasta cauza furajarea animalelor impune completarea ratiilor cu leguminoase boabe, mai ales cu soia. Este adevarat ca lizina poate fi fabricata si prin sinteza chimica, dar aceasta nu poate fi utilizata pentru imbogatirea cerealelor si alimentatie. Cauza? Sinteza chimica produce un amestec, in parti egale, din doi izomeri optici: D-lizina si a-lizina. Organismul animal asimileaza insa numai a-lizina (levogira), iar celalalt izomer nu. Mai mult D-lizina la o doza mare devine toxica pentru organism. Aceasta situatie si inexistenta unui procedeu chimic pentru separarea celor doua lizine la scara industriala a facut ca sinteza chimica a lizinei sa nu aiba efectele economice scontate. Impasul a fost inlaturat prin procedee enzimatice. Astfel, potrivit procedeului pus la punct de INSA, in Franta, intr-un bioreactor lizina sintetica a fost combinata cu un reactiv X, asupra caruia a actionat o enzima imobilizata. Enzima taie selectiv legatura stabilita intre a-lizina si reactivul X, dar lasa neschimbat compusul a-lizina—X . Apoi a-lizina este extrasa din reactor, in timp ce compusul D-lizina—X este supus caldurii pentru ramificare, in vederea reciclarii. In acest mod D- lizina neutralizabila este transformata in a-lizina. In Europa, singurul producator de lizina este societatea Eurolizina, instalata la Amiens, Franta, care lucreaza dupa un brevet japonez. Societatea produce 7500 tone lizina pe an (in perspectiva 11.000 tone). Dupa un procedeu similar celui folosit in producerea lizinei, in Japonia se produce a-metionina (levogira), cate 20 tone in fiecare luna… Au fost prezentate anterior doar enzimele catalizatoare ale reactiilor de degradare (hidrolazele) care permit utilizarea glucidelor, proteinelor, lipidelor in alimentaite, in medicina etc. De asemenea, s-a vorbit despre izomeraze care catalizeaza rearanjari in sanul moleculei substratului (de exemplu, glucoza -C6H12O6, aldohexoza, in fructoza C6H12O6 cetoglucoza), prin oxidoreducere, transferuri intramolecurare s.a. Exista insa si enzime care catalizeaza oxidoreducerea-oxidoreductazele (transfera electroni de la un donor la un acceptor), altele care catalizeaza transferul unui grup chimic dintr-o molecula in alta – transferaze, liaze si ligaze. Aceste enzime sunt inca putin folosite, importanta lor este insa deosebita, daca ne gandim ca ele pot cataliza oxidarea, dar mai ales reactiile de sinteza a noi molecule plecand de la molecule mai simple. Ingineria enzimatica exploreaza orizonturi noi in diverse directii si, ca urmare, a obtinut realizari remarcabile in domeniile mentionate deja: farmaceutica, alimentatie, chimie. Utilizarea enzimelor este incurajatoare in activiatatea de reducere a rezidurilor si poluantilor chimici din mediu (apa) si din produsele alimentare. Un rol major il vor avea insa enzimele in energetica: prin tratarea biomasei cu celulaze, amilaze, amiloglucozidaze se realizeaza hidroliza celulozei, polizaharidelor, amidonului si dextrinei in glucoza->alcool etilic->energie, dupa cum prin asocierea fotosistemelor vegetale cu hidrogenaza bacteriana se poate obtine hidrogen->energie. Bibliografie: Teofil Craciun, Genetica si societatea, Editura Albatros, Bucuresti, 1981 1 Seroussi Sophie, Mettre les enzymes au travail in Science et Vie, nr. 765, VI, Paris, 1981
