Princípios da engenharia de enzimas e suas aplicações nas áreas de alimentos, indústria leve e produtos farmacêuticos

1. Princípio

A engenharia enzimática é a enzima ou células microbianas, células animais e vegetais, organelas, etc. em um determinado dispositivo de reação biológica, o uso de enzimas tem uma função biocatalítica, com a ajuda de meios de engenharia das matérias-primas correspondentes em substâncias úteis e aplicadas à vida social de uma ciência e tecnologia. Ela inclui a preparação da enzima, a imobilização da enzima, a modificação e a transformação da enzima e o reator enzimático. A aplicação da engenharia enzimática se concentra principalmente na indústria alimentícia, na indústria leve e na indústria farmacêutica.

• Propriedades catalíticas:

1. Alta eficiência: 108-1020 vezes maior do que a não catalítica; 107-1013 vezes maior do que a catalítica não enzimática

2. Alta especificidade

3. Condições de reação brandas

4. A catálise enzimática é ajustável

• Natureza química:

Proteínas enzimáticas

RNAs de ribozima

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História do desenvolvimento

Após a década de 70, juntamente com a geração da segunda geração de enzimas - enzimas imobilizadas e suas tecnologias relacionadas -, a engenharia de enzimas é considerada como estando realmente no palco da história. As enzimas imobilizadas estão se tornando cada vez mais a principal força da produção industrial, desempenhando um papel importante nos campos da indústria química e farmacêutica, da indústria leve e de alimentos, da proteção ambiental e assim por diante. Além disso, também produzimos uma enzima de terceira geração mais potente, que é um sistema multienzimático imobilizado, incluindo o sistema de regeneração de cofatores, e que está se tornando o protagonista das aplicações de engenharia de enzimas.

Como sabemos, o conteúdo de enzimas nos organismos vivos é limitado e, independentemente do tipo de enzimas, a concentração nas células não será muito alta, o que também não é necessário para a regulação equilibrada das atividades vitais dos organismos biológicos. No entanto, isso limita a possibilidade de utilizar diretamente as enzimas naturais para resolver muitas reações químicas com mais eficiência.

Essa dificuldade pode ser resolvida com o uso do método de engenharia genética.

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Principais usos

As enzimas, como um tipo de biocatalisador, têm sido amplamente utilizadas em vários campos de produção da indústria leve. Nas últimas décadas, com os contínuos avanços tecnológicos na engenharia de enzimas, elas têm sido cada vez mais utilizadas na indústria, agricultura, medicina e saúde, desenvolvimento de energia e engenharia ambiental.

Atividade catalisadora Proteínas Reações químicas Reatores Enzimologia Enzimas Redox Transferases Enzimas hidrolíticas Ligases Isomerase

A aplicação da engenharia de enzimas está concentrada principalmente na indústria de alimentos, na indústria leve e na indústria farmacêutica. Nossa vida cotidiana no detergente em pó para roupas enriquecido com enzimas e no amaciante de carne é a incorporação mais direta da engenharia de enzimas.

1. Aplicação no processamento de alimentos

O maior uso de enzimas na indústria alimentícia é o processamento de amido, seguido pelo processamento de laticínios, processamento de sucos, produtos de panificação e fermentação de cerveja. Várias enzimas relacionadas a isso, como amilase, glicose isomerase, lactase, coalho, protease, etc., representam mais da metade do mercado de preparação de enzimas.

A principal direção de desenvolvimento, incluindo enzimas para promover a digestão de proteínas (protease de abacaxi, pepsina, tripsina, etc.), enzimas para promover a digestão de celulose (celulase, poliglucanase, etc.), enzimas para promover a digestão de lactose (lactase) e enzimas para promover a digestão de gordura (lipase, esterase), e assim por diante.

2. Aplicação na indústria química leve

Os usos da engenharia enzimática na indústria química leve incluem principalmente: fabricação de detergentes (aumento da capacidade de descalcificação), indústria de peles, fabricação de gelatina, fabricação de fibra de colágeno (adesivo), pasta de dente e produção de cosméticos, fabricação de papel, produção de material fotográfico, tratamento de resíduos de águas residuais e processamento de ração.

3. Aplicativos médicos

A tecnologia de DNA recombinante promove a produção em larga escala de várias enzimas com valor médico. Vários tipos de enzimas usadas em clínicas estão aumentando gradualmente. Além do tratamento convencional, as enzimas também podem ser usadas como alguns componentes da engenharia médica e desempenhar um papel médico. Por exemplo, em dispositivos de circulação extracorpórea, as enzimas são utilizadas para remover resíduos de sangue e evitar trombose, além de sistemas de liberação de medicamentos controlados por enzimas in vivo. Além disso, a enzima, como reagente de teste clínico in vitro, pode ser uma determinação rápida, sensível e precisa de determinados metabólitos no corpo e também será uma aplicação importante das enzimas na medicina.

4. Desenvolvimento de energia

Sob a tendência geral de desenvolver novas fontes de energia em todo o mundo, o uso de microrganismos ou a tecnologia de engenharia enzimática para produzir combustíveis a partir de organismos vivos também é um novo caminho que as pessoas estão explorando. Por exemplo, o uso de celulose, hemicelulose, lignina, amido e outras matérias-primas em plantas, culturas, resíduos de produtos florestais, a fabricação de hidrogênio, metano e outros combustíveis gasosos, bem como etanol e metanol e outros combustíveis líquidos. Além disso, o assunto é o desenvolvimento de recursos petrolíferos.

5. engenharia ambiental

Embora a ciência e a tecnologia sejam altamente desenvolvidas, a purificação ambiental, especialmente a purificação de águas residuais industriais e esgoto doméstico, é de grande importância como medida para proteger a natureza.

Entre os métodos existentes de purificação de águas residuais, a purificação biológica é geralmente a de menor custo e mais viável. Os processos metabólicos dos microrganismos podem utilizar determinadas substâncias orgânicas nas águas residuais como fonte dos nutrientes necessários. Portanto, ao utilizar enzimas no corpo microbiano, as substâncias orgânicas nas águas residuais podem ser convertidas em pequenas moléculas utilizáveis, atingindo o objetivo de purificar as águas residuais. As pessoas obtiveram resultados notáveis no tratamento de águas residuais e na proteção ambiental usando técnicas de engenharia genética para criar cepas de bactérias altamente eficientes e imobilizar células microbianas vivas.

Além disso, o surgimento de biossensores oferece a possibilidade de monitoramento ambiental contínuo e automatizado, reduz o custo do monitoramento ambiental e fortalece a força da supervisão ambiental.

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Métodos de preparação

1. Preparação de genes

Se uma enzima útil for encontrada em um organismo, mesmo que o conteúdo seja baixo, aplicando a tecnologia de recombinação genética, por meio de amplificação de genes e expressão aprimorada, é possível estabelecer bactérias ou células de engenharia genética que possam expressar eficientemente preparações enzimáticas específicas. Ao fixar as bactérias ou células geneticamente modificadas, uma nova geração de biocatalisadores pode ser construída - bactérias ou células modificadas imobilizadas. Esse novo tipo de biocatalisador também é chamado de preparação enzimática geneticamente modificada.

O desenvolvimento de uma nova geração de preparação de enzimas geneticamente modificadas, sem dúvida, tornará a engenharia de enzimas como um tigre com asas. Os cientistas preveem que, se a tecnologia relacionada e o biorreator contínuo forem combinados de forma inteligente, isso levará a uma mudança fundamental em todo o setor de fermentação e no setor de síntese química.

2. A transformação e modificação de enzimas também é uma parte importante da engenharia de enzimas.

Embora a força da enzima seja muito forte, especialmente depois de ser imobilizada, o poder é ainda maior, mas nem todas as preparações de enzimas são adequadas para imobilização, mesmo para imobilização de enzimas naturais, sua atividade muitas vezes não consegue atender às exigências das pessoas, é necessário alterar algumas de suas propriedades, melhorar sua atividade, a fim de desempenhar melhor sua função catalítica.

Assim, foi proposta a tarefa de modificação e transformação molecular da enzima.

De modo geral, os cientistas utilizam a cadeia principal da molécula da proteína da enzima para "cortar", "cisalhar" e modificar quimicamente a cadeia lateral para atingir o objetivo da transformação da molécula da enzima. As moléculas de enzimas modificadas melhoraram as propriedades físicas e químicas, bem como as atividades biológicas, e até mesmo foram dotadas de novas funções.

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Lipase	9001-62-1
Catalase	9001-05-2
TANNASE	9025-71-2
Elastase	39445-21-1
Urease	9002-13-5
DEXTRANASE	9025-70-1
L-Láctico desidrogenase	9001-60-9
Malato desidrogenase	9001-64-3
Colesterol oxidase	9028-76-6