آنزيم ها و زيست فناوري

[mehraboOon]

آنزيم ها و زيست فناوري


قسمت اول: معرفي کاتاليزورهاي حياتي


زندگي از طريق انجام واکنش هاي شيميايي تداوم مي يابد. اکثر اين واکنش ها به خودي خود بسيار کند پيش مي روند. بنابراين براي تداوم حيات نياز است که اين واکنش ها سرعت يابند، از اين رو کاتاليزورهايي به نام آنزيم سرعت انجام اين واکنش ها را به ميزان قابل توجه اي افزايش مي دهند. قدرت کاتاليتيکي آنزيم ها باعث تداوم حيات در سيستم هاي زيستي از باکتري تا انسان شده است، به گونه اي که ادامه ي حيات بدون آنها غير ممکن خواهد بود.
موجودات زنده به واسطه ي انجام انواع گوناگون واکنش هاي بيوشيميايي توانايي حيات را کسب نموده اند که تقريباً همگي آنها به وسيله ي دسته اي از مواد زيستي به نام آنزيم صورت مي گيرند. از مهم ترين خصوصياتي که عملکرد آنزيم ها در فرايندهاي بيولوژيکي و صنعتي را متمايز و برجسته کرده است توان کاتاليتيکي بالا و همچنين قابل تنظيم بودن فعاليت آنها است. مشخص شده است که آنزيم ها سرعت واکنش هاي بيوشيميايي را حداقل به ميزان حدود يک ميليون برابر افزايش مي دهند. و اين افزايش ممکن است تا بالاتر از هزاران ميليار برابر برسد!
نکته ي ممتاز کننده ي ديگر آنزيم ها نسبت به ديگر کاتاليزوهاي شيميايي اين است که در واکنش هاي آنزيمي هيچ گونه مواد جانبي توليد نمي شود و راندمان عمل تقريباً صد در صد است. با توجه به اين ويژگي ها همچنين وجود ساختارهاي شيميايي و فرم هاي ايزومري مختلف آنزيم ها، کاربرد آنها در سنتز مواد بخصوص مواد دارويي بسيار مورد توجه و مطرح است. از سوي ديگر با پيشرفت دانش مربوط به خصوصيات آنزيم ها در حلال هاي غير آلي و يوني، در سال هاي آينده بيش از پيش شاهد کاربردهاي بسيار متنوع و گسترده ي اين بيوکاتاليزورها در صنايع شيميايي – دارويي خواهيم بود.

بسيار از امراض ناشي از فعاليت غير طبيعي آنزيم ها مي باشد. بر اين اساس ميزان قابل ملاحظه اي از تحقيقات دارويي به يافتن مهار کننده هاي خاصي مي پردازد که فعاليت اين آنزيم ها را تنظيم نمايد. از اين رو جزئيات مربوط به خصوصيات و نحوه عمل آنزيم ها از ديرباز مورد توجه دانشمندان بوده و امروزه يکي از بحث هاي مهم در بيوتکنولوژي محسوب مي شود.
علم مطالعه ي آنزيم ها، آنزيمولوژي است و قدمتي برابر با اولين روزهاي ظهور دانش بيوشيمي دارد و در جريان توجه به فرايندهاي تخميري، در اوايل قرن نوزدهم پا به عرصه وجود گذاشت. لوئي پاستور و سايرين با مشاهده ي انجام نشدن واکنش ها در محيط آزمايشگاه اين طور تصور نمودند که سيستم هاي زنده تحت تاثير نيروي حياتي هستند که باعث مي شود آنها بر خلاف قوانين طبيعي حاکم بر مواد بي جان واکنش دهند. در اين ميان برخي محققاني از جمله Justus Von Leibig عنوان کردند که فرايندهاي حياتي تحت تاثير مواد شيميايي که آنها را «فرمنت» (ferment) ناميدند، صورت مي گيرند. در واقع واژه ي آنزيم از دو لغت يوناني en به معناي «در» و zyme به معناي «مخمر» در سال 1878 و به منظور تاکيد بر وجود عاملي در مخمر، غير از خود مخمر، که فرايند تخمير را انجام مي داد شکل گرفت.

خصوصيات آنزيم ها


به طور کلي آنزيم ها تابع همان قوانين حاکم بر رفتار ساير مواد هستند، به علاوه آنزيم ها در مقايسه با کاتاليزورهاي شيميايي داراي ويژگي هاي اختصاصي مي باشند که در اينجا به برخي از آنها اشاره مي شود:1. سرعت واکنش هاي آنزيمي بيشتر است. سرعت واکنش هايي که توسط آنزيمها کاتاليز مي شوند عموماً 106 تا 1012 مرتبه بيشتر از واکنش ها معادل فاقد کاتاليزور است و حداقل چندين برابر بيش از واکنش هاي مشابهي است که توسط کاتاليزورهاي شيميايي کاتاليز مي شوند.

2. شرايط واکنش هاي آنزيمي معمولاً ملايم تر است. واکنش هاي آنزيمي معمولاً در شرايط نسبتاً ملايم مانند دماي نه چندان بالا، فشار اتمسفري و pH نزديک به خنثي انجام مي شوند. در حاليکه کاتاليزورهاي قوي شيميايي بر خلاف آنزيم ها، اغلب به دما و فشار بالا و pH اسيدي يا بازي قوي نياز دارند.
3. آنزيم ها نسبت به واکنش هايي که کاتاليز مي کنند بسيار اختصاصي عمل مي کنند. آنزيم ها در مقايسه با کاتاليزورهاي شيميايي، ويژگي فوق العاده اختصاصي تري نسبت به ماهيت سوبسترا و فراورده هاي واکنش نشان مي دهند. اين به اين معني است که واکنش هاي آنزيمي به ندرت داراي فراورده هاي جانبي ناخواسته هستند.

4. آنزيم ها قابليت تنظيم دارند. فعاليت کاتاليتيکي بسياري از آنزيم ها نسبت به تغييرات غلظت موادي به جز سوبسترا، حساس است. و از طريق مواد خاصي که در آنزيم جايگاه اتصال دارند مي توان فعاليت آنزيم را افزايش يا کاهش داد.

نکته ي قابل توجه ديگر در خصوص کابرد صنعتي آنزيم ها اين است که در ابتداي پيدايش علم آنزيمولوژي، استفاده از آنزيم ها تنها به منظور بررسي جزئيات ساختماني و مکانيسم واکنش هاي متابوليکي و همچنين مطالعات ديگر که صرفاً جنبه ي علمي دارد، در حد ميکرو گرم مطرح بوده است، در صورتي که استفاده از آنزيم ها در صنايع شيميايي، دارويي، غذايي، نساجي، مواد شوينده و ... در حد تن مطرح مي باشد. از اين رو روش هاي بيوتکنولوژي کلونینگ ژن هاي مربوط به آنزيم و کشت سلول، براي توليد انبوه آنزيم ها به کار مي آيد.

امروزه همچنين در زمينه هاي تحقيقاتي کابردي، تلاش زيادي به منظور دستيابي به آنزيم هاي جديد با خصوصيات منحصر به فرد صورت مي گيرد. باور اين است که براي انجام هر واکنشي که از نظر ترموديناميکي امکان پذير است مي توان آنزيم خاصي پيدا کرد که آن واکنش را کاتاليز نمايد. در حال حاضر 2500 واکنش آنزيمي که توسط انجمن بين المللي بيوشيمي (IUB) ثبت شده، حدود 100 آنزيم در صنايع مختلف مورد استفاده قرار مي گيرند و اين روند از نظر تعداد و مقدار توليد رو به افزايش است.

سمانه سادات عنايتي
بخش دانش و زندگي تبيان

منابع:

M. Nemat Gorgani et al. Applied enzymology. University of Tehran press (1383).
S. Shanmugam and T. Sathishkumar. Enzyme Technology. (2009).

[mehraboOon]

آنزیم ها و فناوری زیستی


قسمت دوم: منابع زیستی آنزیم ها


حدود 2500 آنزیم تا کنون کشف شده است که حدود 15% آن را می توان در مقادیر میکروگرم تا کیلوگرم از شرکت های فروشنده مواد شیمیایی تهیه کرد. این آنزیم ها اغلب به منظور انجام تحقیقات مورد استفاده قرار می گیرند. تعداد زیادی از این آنزیم ها در آنالیز های شیمیایی و تشخیص های بالینی استفاده می شود.

آنزیم های فعال زیستی از هر ارگانیسم زنده قابل استخراج هستند. دامنه وسیعی از منابع، از اسفناج تا نیش زنبور عسل، برای تولید آنزیم های تجاری وجود دارد. از صدها آنزیمی که به طور تجاری استفاده می شود بیش از نیمی از آنها از قارج و مخمر و بیش از یک سوم آنها از باکتری ها و باقیمانده از حیوانات و گیاهان حاصل می شود.

منابع آنزیمی


میکرو ارگانیسم ها


بیشتر آنزیم ها که از نظر اقتصادی حائز اهمیت هستند توسط محدودی از میکروارگانیسم ها تولید می شوند. این میکروارگانیسم ها که بر مبنای تجربه مورد استفاده قرار گرفته اند، عمدتاً آنهایی هستند که در صنایع غذایی کاربرد دارند و به عنوان «آلودگی های طبیعی غیر مضر» مواد غذایی شناخته می شوند. این محدودیت ها صاحبان صنعت را ناگزیر کرد که سرمایه های کلانی را برای اخذ مجوز به منظور استفاده از میکرو ارگانیسم های جدیدی که تنظیم فعالیت آنها به میزان مناسب امکان پذیر است، هزینه کنند.
منابع حیوانی


تعدادی از آنزیم ها به طور سنتی از منابع حیوانی تهیه می شوند. از جمله می توان به لیپاز پانکراس و تریپسین اشاره کرد. البته آنزیم های تهیه شده از میکرو ارگانیسم ها را می توان به جای آنها به کار گرفته. اما نکته مهم این است که گرچه جایگزین های میکروبی فعالیت قابل قبولی نشان می دهند اما با نمونه های تهیه شده از منابع حیوانی تفاوت های ظریفی دارند که می تواند در کاربرد آنها موثر باشد. تلاش دانشمندان در این زمینه به ابداع و بهره گیری از تکنیک های DNA نوترکیب منتهی گردید که به کمک آن موفق شدند آنزیم های حیوانی را به روش کلون کردن ژن مورد نظر از پستانداران در باکتری های یا مخمر مناسب تولید نمایند.
منابع گیاهی


گیاهان نیز یک منبع سنتی برای تهیه تعداد محدودی از آنزیم ها به شما می روند. به عنوان مثال سیستئین پروتئیناز از شیره درخت پاپایا، انجیر آناناس و برخی گیاهان دیگر به دست می آید. نکته مهم این است که شیره ی این درختان را می توان از میوه ی آنها بدست آورد و به عنوان آنزیم خام مصرف کرد یا آنها را خشک کرد و از پودر آنها استفاده کرد. شیره این گیاهان غنی از آنزیم است. به طور مثال 90 درصد پروتئینی که از صمغ Ficus glabrata به دست می آید مخلوطی از 10 آنزیم پروتئولیتیک مشابه است که مخلوطی از غنی ترین منابع شناخته شده آنزیم می باشد. همچنین شیره تازه حاصل شده از میوه پاپایا حاوی تعدادی آنزیم های پرتئولیتیک است که پاپائین به تنهایی 7 درصد آنها را تشکیل می دهد. این ها منابع بسیار خوبی برای تهیه آنزیم ها محسوب می شوند زیرا می توان آنزیم را بدون از بین بردن گیاه و یا اتلاف مقادیر زیادی از میوه های سالم بدست آورد.

Ficusglabrata

پاپایا

از دیگر منابع مهم آنزیم های مشتق از گیاهان جوانه جو یا سمنوی جو است. صنایع نوشابه سازی از دیرباز از این ماده به عنوان منبع خام انواع متنوعی از پروتئینازها و گلیکوهیدرولازها استفاده می کرده اند. امروزه سمنوی جو نقش مهمی در تجارت آنزیم دارد.
به خاطر محدودیت های موجود در تهیه آنزیم ها از منابع گیاهی یا حیوانی، تولید آنها از کشت سلول های گیاهی یا حیوانی مورد توجه قرار گرفته است. امروزه به لحاظ تکنیکی برای رشد و تکثیر انبوه سلول های مذکور مشکلی وجود ندارد. ولی به لحاظ اقتصادی به نظر نمی رسد این شیوه در آینده نزدیک به عنوان روشی برای تهیه مقادیر زیا آنزیم مورد استفاده قرار گیرد. مشکل اساس این است که رشد این سلول ها در محیط کشت کند بود و لذا ممانعت از آلودگی محیط کشت آنها دشوار است. از نظر اقتصادی چنانچه بخواهیم تهیه یک آنزیم به روش کشت سلولی مقرون به صرفه باشد، آنزیم باید حدود 1000 بار از محصول مشابهی که به طریق تخمیر میکروبی بدست می آید ارزشمندتر باشد.
در حال حاضر مکروارگانیسم ها به عنوان منبع آنزیم ها نسبت به گیاهان و حیوانات ترجیح داده می شوند چراکه


• عموماً تولید آنها ارزانتر است• آنزیم های حاصل از آنها قابل پیشگویی تر و قابل کنترل تر است
• منابع قابل اعتمادی از مواد خام ترکیبات پایدار به راحتی فراهم می شود
• بافت های گیاهی و جانوری نسبت به میکرو ارگانیسم ها بیشتر این پتانسیل را دارند که مواد سمی هم تولید کنند، شامل ترکیبات فنول ( در مورد گیاهان)، مهار کننده های آنزیمی و پروتئازها.

سمانه سادات عنایتی

بخش دانش و زندگی تبیان منابع:

Kroner et al. Ectractive enzyme recovery: economic consideration, process Biochemistry. 19, 170-179.
M. Nemat Gorgani et al. Applied enzymology. University of Tehran press (1383).

S. Shanmugam and T. Sathishkumar. Enzyme Technology. (2009