Entsyymit ja niiden tuotanto
Transcript of Entsyymit ja niiden tuotanto
Entsyymit ja niiden tuotanto
Niklas von Weymarn, VTTErikoistutkija ja tiiminvetäjä
VTT BIOTECHNOLOGY
Mitä ovat entsyymit?
• Entsyymit ovat proteiineja (eli valkuaisaineita), jotka vauhdittavat (katalysoivat) kemiallisia reaktioita.
• Entsyymit ovat elämälle elintärkeitä, koska suurin osa elävissä soluissa tapahtuvista kemiallisista reaktioista tapahtuisivat liian hitaasti. Ilman entsyymejä syntyisi myös osittain vääriä tuotteita.
• Entsyymit eivät itse muutu reaktiossa.
Substraatti TuoteEntsyymi
VTT BIOTECHNOLOGY
Entsyymien toiminta (perusajatus)
• Käytännössä entsymaattiset reaktiot tapahtuvat useimmiten nesteissä, eli substraatit, entsyymit ja syntyneet tuotteet uivat sekaisin ko. nesteessä.
• Entsyymeillä on olemassa optimiolosuhteet (mm. lämpötila ja happamuus), jossa ne toimivat parhaiten
• Teollisissa prosesseja pyritään olosuhteet pitämään mahdollisimman suotuisina
E
TS
E
S
E E
T
VTT BIOTECHNOLOGY
Mitä entsyymit käytännössä tekevät?
Entsyymit ovat:• Spesifisiä• Tehokkaita• Ei-myrkyllisiä
Leikkaavat Hapettavat Lisäävät
VTT BIOTECHNOLOGY
Tarkempi luokitus
• EC 1 Oksidoreduktaasit: katalysoivat hapetus/pelkistysreaktioita• EC 2 Transferaasit: siirtävät funktionaalisen ryhmän (metyyli- tai
fosfaattiryhmän)• EC 3 Hydrolaasit: katalysoivat erilaisten sidosten hydrolysoitumista• EC 4 Lyaasit: pilkkovat sidoksia muilla tavoin kuin hydrolysoimalla tai
hapettamalla• EC 5 Isomeraasit: katalysoivat isomeraatiomuutoksia yhdessä
molekyylissä• EC 6 Ligaasit: sitovat kaksi molekyyli kovalenttisidoksella
VTT BIOTECHNOLOGY
Entsyymien synteesi soluissa
Genomi
DNA
mRNA
Entsyymi
VTT BIOTECHNOLOGY
Miten teollisuus tähän liittyy?
• Vuosisatojen varrella ihminen on oppinut hyödyntämään entsyymejäerilaisissa valmistusprosesseissa.
• Esimerkiksi:• Renniini juuston valmistuksessa
• aluksi uuttamalla kuivatusta vasikan vatsasta (1874) • Amylaasit tekstiileissä olevan tärkkelyksen poistamiseksi (1910-luku)• Pepsiini (1926)• Proteaasit pesuaineiden lisäaineena (1959)
• Nykyään sovelluksia pesuaineissa, leivonnassa, lasten ruoissa, oluen valmistuksessa, mehuissa, meijeriteollisuudessa, siirappien valmistuksessa, P&P teollisuudessa, jne.
• Lisäksi monet lääkkeet ovat entsyymejä.
VTT BIOTECHNOLOGY
Entsyymien tuottamien
• Perinteisesti uuttamalla eläinten osista (tai kasvimateriaalista)• Tuotetaan nykyään pääosin mikrobisoluilla hallituissa tehdasympäristöissä
• Solut tuottavat entsyymejä joko intrasellulaarisesti tai ekstrasellulaarisesti• Jälkimmäinen on prosessiteknisesti helpompi
• Tuottotasojen nostaminen:• Satunnainen mutageneesi• Geenitekniikka• Proteiinien hienosäätö
VTT BIOTECHNOLOGY
Tuotantoprosessi ja arvoketju
Raaka-aineet
Soluja
Jälki-käsittely
Kuluttaja-tuote
Aines-osa
Kuluttaja-tuote
Moniateollisuudenaloja
Bioreaktori
VTT BIOTECHNOLOGY
Bioreaktori (fermentori)
ALUSSA• Vettä• Kasvuun tarvittavat raaka-aineet
liuenneena veteen• Oikeat ulkoiset olosuhteet, kuten
lämpötila, happamuus, liuenneen hapen määrä, jne.
• Vähän soluja
LOPUSSA• Paljon soluja• Tuote• Sivutuotteita• Raaka-aineita
VTT BIOTECHNOLOGY
Teolliset tuotto-organismit
• Bakteerit• Bacillus sp.• Streptomyces sp.• Pseudomonas fluorescens
• Hiivat• Pichia pastoris
• Homeet• Aspergillus sp.• Trichoderma sp.• Chrysosporium lucknowense
VTT BIOTECHNOLOGY
Bioreaktorista saatavan liuoksen puhdistus
• Riippuu sitä onko tuote solun sisällä tai ulkopuolella ja tuotteen käyttökohteesta (elintarvike, lääke, teollisuus tai eläinrehu)
• Kiintoaineen (= solut) erotus nestefaasista• Suodattamalla tai sentrifugoimalla
• Solujen hajotus
• Konsentrointi
• Puhdistus
• Formulointi
VTT BIOTECHNOLOGY
Markkinat
• Maailmanlaajuisesti >2 miljardia euroa vuodessa (teolliset entsyymit)
• Teollisten entsyymien merkittävimmät käyttökohteet:• Tekninen (pesuaineet, P&P teollisuus) • Elintarvike• Eläinrehu
• Merkittävimmät yritykset (markkinaosuusluvut vuodelta 2004):• Novozymes, Tanska 44 %• Genencor/Danisco, Tanska (kaksi tehdasta Suomessa) 18 %• DSM, Hollanti 5 %• BASF, Saksa 5 %• AB Enzymes, Englanti (tehdas Suomessa)
VTT BIOTECHNOLOGY
Tulevaisuus
• Uusia sovelluksia ja uusia entsyymejä• ”Liquanase” (Novozymes) poistaa kuivuneita veritahroja ja muita hankalia
tahroja vaatteista 30 asteessa• Suomessa: P&P-teollisuus
• Parannettua entsyymejä
• Uudet tuotto-organismit
• Biojalostamot• Bioetanolin tuotto ligno-selluloosasta
• Byrokratian vähentäminen• Hyväksyntäprosessit liian kalliita ja hankalia