Іммобілізація клітин

У 70-х роках XX століття з'явилися перші публікації про іммобілізацію клітин мікроорганізмів, а перше промислове застосування іммобілізованих клітин було здійснено в Японії в 1974 р. З їхньою допомогою одержували аспарагінову кислоту.

Іммобілізовані клітини мають ряд переваг як перед іммобілізованими ферментами, так і перед вільними клітинами:

– відсутність витрат на виділення й очищення ферментів;

– зниження витрат на виділення й очищення продуктів реакції;

– більш висока активність і стабільність;

– можливість створення безперервних і напівбезперервних автоматизованих процесів;

– здатність до тривалого функціонування поліферментних систем без екзогенних кофакторів.

Для іммобілізації можуть бути використані клітини в різному стані: живі й ушкоджені в різному ступені. Одностадійні реакції можуть здійснювати й живі, і ушкоджені клітини. Поліферментні реакції проводять із застосуванням живих клітин, які можуть тривалий час регенерувати АТФ і коферменти (НАДФ, НАД).

Проблема використання ферментативної активності іммобілізованих мікроорганізмів має глибоке коріння. Більше 150 років тому швидкий спосіб одержання оцту був заснований на застосуванні мікроорганізмів, адсорбованих на деревній стружці. Методи іммобілізації клітин схожі з методами іммобілізації ферментів.

Хімічний метод заснований на утворенні ковалентних зв'язків з активованим носієм, на поперечній зшивці клітин за рахунок активних груп у клітинній оболонці з біфункціональними реагентами (наприклад, глутаровим альдегідом).

До фізичних методів відносяться адсорбція й агрегація.

Іммобілізація клітин шляхом включення в різні гелі, мембрани, волокна заснована на хімічних і фізичних взаємодіях. Хімічні методи використовуються рідше в порівнянні з іншими методами й малопридатні для іммобілізації живих клітин. Найбільшого поширення одержало включення клітин до складу гелів, мембран і волокон. При такому способі іммобілізації клітини можуть зберігати життєздатність й у присутності поживного середовища розмножуватися в приповерхневих шарах гелю. Біокаталітична активність цілих іммобілізованих клітин у цей час може бути використана в різних галузях науки й техніки:

– при біосинтезі й трансформації таких сполук, як амінокислоти, органічні кислоти, антибіотики, стероїди, вуглеводи, вуглеводні, нуклеотиди й нуклеозиди;

– у пивоварстві й виноробстві;

– при очищенні стічних і природних вод;

– при екстрагуванні металів зі стічних вод;

– при асиміляції сонячної енергії;

– при виготовленні водневих сонячних елементів;

– в азотфіксації;

– в аналітичних цілях при виготовленні електродів.

Найбільша кількість досліджень по іммобілізації клітин мікроорганізмів проведена японськими дослідниками. Особливі успіхи були досягнуті ними в області синтезу амінокислот, органічних кислот й антибіотиків. У Московському державному університеті був розроблений метод одержання аспарагінової кислоти, який за ефективністю не уступає японським. Клітини E.coli, включені в армований поліакриламідний гель, були з успіхом використані для одержання аспарагінової кислоти, період напівжиття каталізатора – 110 діб. Іммобілізувати можна не тільки клітини мікроорганізмів, але й клітини рослинних і тваринних тканин, використовуючи їх для синтезу фізіологічно активних сполук.

Цікаві можливості відкриваються й при іммобілізації клітинних органел як активних поліферментних систем. Все це свідчить про перспективність розвитку одного з напрямків біотехнології, пов'язаного з вивченням і застосуванням іммобілізованих клітин.