Получение рекомбинантных ферментов как коммерческих продуктов

При наличии эффективной системы экспрессии получение фермента может производиться очень эффективно. Рекомбинантые клетки становятся «фабриками» по производству определенного белка. В настоящее время микробиологическое производство рекомбинантных ферментов, также как и других белков, находит все более широкое применение. Из всех тысяч известных к настоящему времени ферментов лишь несколько десятков имеют прикладное значение – используются в промышленности. Использование ферментов в промышленных масштабах часто ограничено тем, что большинство ферментов быстро денатурирует при высокой температуре и действии органических растворителей, а именно в этих условиях протекают многие промышленные процессы. Для изменения свойств белков применяют генную инженерию.

Примером получения ферментов в качестве коммерческих продуктов может служить получение сайт-специфических эндонуклеаз.

Получение эндонуклеаз рестрикции

Сайт-специфические эндонуклеазы – рестриктазы – это ферменты, на которых базируется огромное число молекулярно-генетических методов. Их используют в генной инженерии для создания рекобринантных ДНК, в молекулярно диагностике наследственных заболеваний человека, научных исследованиях. В настоящее время в продаже предлагается более 300 различных рестриктаз. Все эти ферменты синтезируются самыми разнообразными микроорганизмами: аэробными, анаэробными, термофильными и т.д. Для культивирования каждого из них понадобилось бы подбирать оптимальные условия ферментации – температуру, рН, состав среды, концентрацию кислорода. Получения рестриктаз использовались природные бактериальные штаммы, то это бы требовало огромных усилий по созданию оптимальных условий для большого разнообразных микроорганизмов и много времени для подбора оптимальных условий. Создание рекомбинантных штаммов E.coli, несущих гены рестриктаз позволило стандартизировать условия получения необходимых продуктов. Кроме того, культура E.coli быстро достигает высокой плотности и может быть приспособлена для сверхпродукции необходимого фермента. Методы получения рестриктаз из рекомбинантных систем намного более эффективны, чем выделение этих ферментов из природных исходных микроорганизмов.

Технология экспрессии чужеродных генов а E.coli и некоторых других микроорганизмах хорошо отработана, однако синтез гетерологичного белка в организме-хозяине может оказывать на него негативное влияние. Например, сверхпродукция такого белка может привести к истощению метаболических ресурсов хозяйских клеток и отрицательно повлиять на их рост и даже оказаться губительным для клетки-хозяина. Так, сайты рестрикции имеются во всех молекулах ДНК и, если продуктом клонированного гена является эндонуктеаза рестрикции, то в отсутствие специальных защитных механизмов хозяйская ДНК будет расщепляться ею. Природные микроорганизмы, синтезирующие эндонуклеазы рестрикции имеют защитный механизм, состоящий в том, что в них существуют системы модификации-рестрикции (в паре с рестриктазой действует метилаза и метилированные сайты не расщепляются).

Подход к решению проблемы деградации хозяйской ДНК гетерологичной эндонуклеазой состоит в клонировании и экспрессии в реципиентном организме кроме гена рестриктазы гена парной ему метилазы. При создании таких рекомбинантных систем преодолеваются такие сложности как то, что гены рестриктазы и метилазы могут находиться не рядом, а в разных местах исходного генома; метилирующий фермент должен синтезироваться в клетке до расщепляющего.

Получение ферментов – лекарственных препаратов

В настоящее время быстро развивается использование рекомбинантных ферментов для ферменто-заместительной терапии, в частности для лечения наследственных энзимопатий. Такие заболевания являются достаточно редкими и развитие методов их лечения стало возможным именно благодаря развитию методов генной инженерии. Один из мировых лидеров в этой области – фирма «Genzyme», которая производит рекомбинантные ферменты для лечения муковисцидоза, мукополисахаридозов, сфинголипидозов.