酶是什么,他们怎么能帮助我们吗?

人类用微生物优势从一开始的文明。烤面包酵母细胞喂养取决于糖存在于面粉,和大多数酒类饮料是由糖存在于葡萄和谷物转化为酒精。这是开始的生物催化作用:第一个例子使用的生物体(或物质他们)生产对人类有用的产品。但如果我们需要一个反应发生在更极端的条件,例如,在一个较高的温度?很难对大多数微生物在这些条件下,生存和反应不会发生。这是因为微生物发酵酵母等嗜温菌:生物生活在“正常”条件,比如水的存在,气温20到45°C,和7和9之间的pH值(图1一个)。嗜温菌不喜欢变化的环境中,所以他们往往不能使用条件的情况下并不温和。

但并不是世界上所有的栖息地有这样愉快的conditions-imagine火山,或南极洲,例如。一些微生物进化到在这些严酷的生存环境中嗜温菌不能:这些微生物被称为极端微生物。极端微生物可以生活在冰冻的湖泊,在热水浴温度超过70°C,甚至在核废料容器!他们就像这幅漫画超级英雄,有特殊的权力。极端微生物可以在这些环境中生存,因为他们已经进化内部工具,让他们吃,能在恶劣条件下成长,茁壮成长。

当我们谈论这些内部工具,我们主要谈论酶。酶是蛋白质,作为催化剂。他们帮助在所有生物体的生物反应发生的速度和easier-such改变对你的身体你吃的糖转化为能量。来自极端微生物的酶,它可以在恶劣的条件下工作,被称为extremozymes。细胞产生酶通过遵循一组指令编写的DNA。科学家们了解这个过程是如何工作的,他们可以操纵它在实验室里产生酶他们欲望!这种技术被称为重组表达。通常情况下,重组表达包含三个步骤(图1 b)。第一步是确定酶我们感兴趣的基因,叫做基因挖掘。我们看极端微生物的DNA,直到我们找到生产酶的基因,我们想要的。在第二步中,我们在实验室和孤立的基因克隆,这意味着多个副本。克隆一个基因,我们把基因到另一个microorganism-one在实验室里,我们可以很容易地处理。最后,我们正在准备第三步:我们使用的微生物克隆基因像一个小工厂,生产大量的酶。使用这三个步骤,我们可以产生许多不同的酶在实验室,研究它们,并选择最适合我们的需要。

Extremozymes能为我们做什么?

虽然很多工作创造extremozymes,这些酶对我们非常有用!有很多微生物,它们已进化到生活在各种极端条件下,所以几乎总是一种酶,这种酶可以帮助使工业过程更好。例如,extremozymes可用于食品行业准备果汁、肉类,或奶酪,他们也可以用于制药行业生产药物。使用extremozymes在这些过程往往产生更清洁、更安全的产品,因为我们可以例如用更高的温度比将被允许嗜中温酶,帮助运行更好更快地反应,而尽在水里。使用这些酶还可以使生产过程更可持续发展的(很少或没有损害环境)因为酶通常做一个更好的,更有效的工作比人造化学物质,产生更少的浪费,减少污染。酶的使用一些非常酷的优点:酶是更精确(选择性),产生更少的浪费和不受欢迎的产品。

让我们看看extremozymes的例子可以在极冷的温度下工作。这些酶来自极端微生物生活在环境温度低于15°C。这是冷的!当温度增加到30 - 40°C,有些酶灭活。想象能够打开或关闭一个过程只需将温度几度…这是一个重大的加在“简单”的行业一直是一个主要的优势。你可能有一些extremozymes现在在你的房子!自1980年代以来,他们一直在洗涤剂中使用。酶在洗涤剂可以帮助去除污渍的衣服1]。通常,污渍更容易用热水,但耐寒性酶添加到洗涤剂时,我们可以得到相同的干净、新鲜的衣服使用冷水,可以节省大量的能量。所以extremozymes不仅让你的衣服更环保,但是也便宜!

我们怎样才能使Extremozymes更好吗?

但extremozymes不是一个完美的解决方案。的主要障碍之一是,他们不是可重用。记住,酶是由生物体产生的,所以他们不会持续forever-they变得不那么活跃。这发生了失活,因为酶失去形状。一种酶的特定形状的反应是至关重要的帮助;就像一个运动员失去健康,它不执行了。虽然这失活在本质上是正常的,不适合工业应用。制造更多的酶需要时间、精力和资源,所以是很有帮助的酶,持续时间更长。在工厂,如果我们可以重用相同的酶一百次,想象多少的时间和精力会得救。但是我们如何使酶更稳定和可重用?

重用酶的主要问题是,他们通常是溶解在液体,不能恢复。想象试图区分糖和一杯新鲜橙juice-almost无法做!它与一种酶在溶液中是相同的。但是,如果我们能把酶上的东西不能溶解在水中,我们可以单独的酶液!在我们的橙汁的例子中,如果柳橙果肉的糖被卡住了,我们可以很容易地分离果汁和一个过滤器。使酶的过程不溶性被称为固定(2]。多年来,许多技术被发明出来,固定酶(图2)。有三个主要类型的固定:诱捕,“陷阱”酶在一个更大的容器,是insoluble-for例子中,在一个不能溶解在水中的油滴;交联,酶是互相联系创建一个不溶性净;和依恋,酶被直接一个粒子的表面。

每个固定技术有优点和缺点,所以我们必须找到每个酶的最佳策略。在交联及附件,因为酶与另一个粒子不能移动。这通常可以提高酶的耐温度或其他恶劣的条件,因为它有助于酶保持其形状。但是,与此同时,连接酶也会导致其更有效地工作,因为它不太灵活。截留,酶免受环境的变化在一个“泡沫”,但它可以自由移动在这个泡沫,所以它通常不失去活性。

固定化酶是如何使用?

固定化酶是应用的一个很好的例子是脱脂牛奶生产的过程。乳糖是牛奶分子存在于牛,60 - 70%的人不能正常消化,乳糖不耐症。因为牛奶是矿物质和维生素的重要来源,消除乳糖的牛奶是一个很好的选择。脱脂牛奶可以通过分解乳糖酶,称为乳糖酶或β-galactosidase。乳糖的牛奶行业摆脱的方法之一是将酶直接添加到牛奶,然后灭活酶通过增加温度。然而,失活后,酶仍在牛奶,这可能导致过敏等问题,当然不允许第二次酶的重用,因为你不能区分酶和牛奶。但如果酶固定化,我们可以简单地删除它们使用一个过滤器从牛奶!(3]。恢复的一种酶可以被重用与另一批牛奶,也确保了脱脂牛奶不再包含乳糖酶。更好的是,如果我们可以用一种酶,这种酶在低温下工作,我们可以执行这个反应在不影响牛奶的味道和维护其他重要特性影响的加热的步骤。

但有更多的作为固定化酶的使用超出食物!一些可以用于生物柴油的生产,例如。生物柴油是一种燃料来自植物油如手掌,向日葵,或者大豆油。生产生物柴油,我们使用固定化脂酶,这些酶作用于脂肪。最著名的固定化脂肪酶叫做CALB的代表南极假丝酵母脂肪酶B (4]。顾名思义,这是一个低温酶,但令人惊讶的是,它可以抗高温性能。固定时,它可以承受的温度高达110°C,它甚至可以工作即使没有任何水!这是非常有用的生产生物柴油,在高温下发生。生产生物柴油使用固定化酶可以帮助我们减少化石燃料的使用和污染这些燃料产生,帮助解决一个主要气候问题威胁着我们的未来。

结论

酶是一个很好的例子,人类可以利用自然。他们已经成为非常重要的工具,环保生产的产品满足我们的日常需求。能够产生任何酶在实验室里,发现extremozymes,固定化酶技术的突破性发展。这些进步可能允许我们改变许多工业流程。现在,我们使用的流程生产的许多产品每天都在生产垃圾污染我们的星球。我们现在面临着一个危机,我们必须想办法保护地球和它的居民。这样做,更重要的是比以往任何时候都朝着更可持续的策略在所有,我们可以和我们的巨大的工业生产更环保系统通过使用酶可以在减少污染中发挥重要作用。

术语表

生物催化作用:↑使用生物或机械制造产品重要的人类。

嗜温性的:↑有机体发展和生长在温和的温度下(20-45°C),中性pH值(5 - 8)和高含水量(70%以上)。

极端微生物:↑有机体,生活在极端条件下如很高或很低的温度下,例如,假设火山和冰川。

酶:↑加速反应的蛋白质在身体,也在一个化学实验室。所有生物体有多种酶。

Extremozyme:↑来自于一个极端微生物的酶。

重组表达:↑表达一种酶在实验室的过程。在这个过程中,一个包含感兴趣的基因实验室细菌刺激产生酶在实验室。

可持续发展的:↑导致很少或根本没有对环境的破坏。

不溶性:↑不能溶解在水中,就像纸浆的橙汁。

固定:↑坚持一种酶的过程与一种不溶性材料。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

确认

这项工作是支持的SNSF (200021 _192274 FP)。

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引用

[1]↑Sarmiento F。佩拉尔塔,R。布莱梅,j . m . 2015。冷和热extremozymes:工业相关性和当前的趋势。前面。Bioeng。Biotechnol。3:148。doi: 10.3389 / fbioe.2015.00148

[2]↑Romero-Fernandez, M。天堂金花蛇,2020年成立。蛋白质固定化生物催化技术流。咕咕叫。当今。化学。医学杂志。55:1-8。doi: 10.1016 / j.cbpa.2019.11.008

[3]↑低音部,。Serban, s . 2019。工业应用的固定化enzymes-a审查。摩尔。Catal。479:110607。doi: 10.1016 / j.mcat.2019.110607

[4]↑奥尔蒂斯,C。费雷拉,m . L。巴博萨,O。多斯桑托斯,j . c . S。罗德里格斯,r . C。Berenguer-Murcia,。,等。2019。435年Novozym:“完美”脂肪酶固定化生物催化剂?Catal。科学。抛光工艺。9:2380 - 420。doi: 10.1039 / C9CY00415G