تاریخچه کاربرد آنزیم ها

جهان پروتئین ها

پروتئین ها به همراه قندها، چربی ها و نوکلئیک اسیدها بنیاد آلی موجودات زنده را می سازند. پروتئین ها زنجیری دراز و به هم پیچیده از مولکول هایی کوچک به نام آمینواسیدها هستند. 20 نوع آمینواسید وجود دارد که می توانند با تنوع نامحدودی به هم بپیوندند. بر اساس برهم کنش های اتمی و مولکولیِ آمینواسیدها، زنجیر پروتئین در هم فرومی رود و ساختار فضایی پروتئین ها شکل می گیرد. این ساختار نقش های متفاوتی را در موجود زنده بر عهده می گیرد. تقریبا هر فرایند و محصولی در جهان زنده به پروتئین ها بستگی دارد. پروتئین ها مسئول بسیاری از واکنش های شیمیایی در موجودات زنده هستند، پیام ها را در سطح سلول منتقل می کنند، با عناصر بیگانه در بدن می جنگند، غشای سلول را می سازند، تاندون ها، ماهیچه ها، خون و دیگر بافت ها را می سازند. پروتئین ها به چند دسته تقسیم می شوند:

* ایمونوگلوبولین ها و پادتن ها: این پروتئین ها سیستم ایمنی بدن را می سازند و به عناص بیماری زا و بیگانه حمله می کنند. فیبرین و ترومبین در لخته سازی خون نقش دارند.

* هورمون ها: این پروتئین ها مسئول تنظ   ییم بسیاری از فرایندها در موجود زنده هستند. انسولین متعلق به این دسته است.

* پروتئین های سیگنال: در فرایند انتقال سیگنال ها در سطح درون و برون سلولی نقش دارند. در سطح سلولی پیام های فراوانی برای تنظیم عملکردهای بدن منتقل می شود.

* موتورهای سلولی: این پروتئین ها انرژی شیمیایی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. اکتین و میوزین پروتئین های عامل ایجاد نیرو و حرکت در ماهیچه ها هستند.

* رسپتورها (گیرنده ها): مسئول شاسایی سیگنال ها و تبدیل شان به پیام های دیگر هستند. پروئتین رودوپسین در چشم گیرنده پیام های نوری و عامل بینایی است.

* پروتئین های ذخیره ای: اینها ذخیره گر انرژی هستند و می توانند آن را طی متابولیسم آزاد کنند (مثل اوالبومینِ تخم مرغ و کازئین شیر). تقریبا همه ی پروتئین ها می توانند تجزیه شوند و انرژی آزاد کنند. این انرژی برای انجام فرایندهای زیستی استفاده می شود.

* پروتئین های ناقل: اینها یونها و دیگر مواد شیمیایی را ذخیره یا منتقل می کنند. مثلا هموگلوبین مسئول انتقال اکسیژن از ریه ها با سلول ها و تکمیل فرایند تنفس است.

* آنزیم ها: کاتالیز کننده های واکنش های شیمیایی هستند. اینها بزرگترین گروه پروتئین ها و مسئول انجام همه واکنش های شیمیایی و متابولیکی در جهان زنده هستند.

آنزیم ها

یکی از اصول زیست فناوی استفاده از پتانسیل ژنتیکی و ساختاری موجود زنده برای اهداف انسان است. زیست فناوری فرایندهای صنعتی استفاده از موجود زنده بری تولید مواد غذایی، دارویی، شیمیایی، صنعتی، انرژی و… است. آنزیم های صنعتی از محصولات مهم تولیدشده در زیست فناوری هستند. تخمیر قدیمی ترین نمونه استفاده از آنزیم ها در صنعت است. از هزاران سال پیش برای تولید سرکه، ماست، پنیر و برخی نوشیدنی ها از میکروارگانیسم ها استفاده می شده است. این موجودات دارای آنزیم هایی بودند که به فراوری محصول کمک می کردند و این آغازگاه آنزیم های صنعتی بود. به تدریج نقش باکتری ها در تثبیت ازت، تولید آنتی بیوتیک ها، اسیدهای آمینه و ویتامین ها شناخته شد. امروزه به کمک زیست فناوری و استفاده از آنزیم های صنعتی که در تولید فراورده های تخمیری و افزودنی ها استفاده می شوند، تهیه غذا، دارو و دیگر محصولات صنعتی به طور چشمگیری بهبود یافته است. پس یکی از هدف های زیست فناوری تولید آنزیم های صنعتی است.

آنزیم ها ماکرومولکول های پیچیده ای هستند که در فرایندها و واکنش های زیستی به عنوان کاتالیزور فعالیت می کنند. این ترکیبات با اتصال به مواد واکنشگر، انرژی فعالسازی مورد نیاز برای یک واکنش را به قدر زیادی کاهش می دهند و این امکان را فراهم می کنند که واکنش های در دمای بدن موجود زنده با کمترین انرژی و بیشترین سرعت انجام شوند. آنزیم ها را می توان از منابع گیاهی، جانوری، و میکروارگانیسم هایی همچون باکتری ها، مخمرها و قارچ ها و… به دست آورد.

نخستین آنزیم تولید شده در مقیاس صنعتی نوعی آمیلاز قارچی بود که در سال 1894 تولید و به عنوان دارویی برای اختلالات گوارشی  استفاده شد. در 1915 اختراعی با عنوان شستشوی لباس با افزودنی دارای آنزیم تریپسین ثبت شد که نخستین کاربرد آنزیم های شوینده بود. تا 1969، 80% از شوینده های لباس از آنزیم های صنعتی به ویژه پروتئاز استفاده کردند. به تدریج لیپاز، پکتیناز و سلولاز نیز به شوینده ها افزوده شدند. به دلیل  بروز آلرژی در کارگران کارخانه های تولید شوینده و نیز در مصرف کننده ها، در 1971 استفاده از پروتئازها در شوینده ها به شدت کم شد و فروش جهانی آنها از 150 به 3/1 میلیون دلار کاسته شد. در سال های بعد با توسعه تکنیک هایی همچون کپسول کردن امکان تولید پروتئاز بی خطر فراهم شد. اکنون حدود 85% شوینده های اروپایی پروتئاز دارند، هرچند این درصد در آمریکا کمتر است.

تولید آمیلازها و گلوکوآمیلازها برای تولید گلوکز از نشاسته کاربرد دیگر آنزیم های صنعتی بود. در 1970 از گلوکوایزومراز برای تولید فروکتوز استفاه شد. در 1965 رنین صنعتی تولید شد. این آنزیم که در میان آنزیم های صنعتی بسیار مهم است و در پنیرسازی استفاده می شود، تا پیش از آن با استخراج از معده گوساله و با بازدهی کم ساخته می شد. در 1977 فروش جهان آنزیم های صنعتی 150 ملیون دلار شد.

امروزه آنزیم های صنعتی فراوانی تولید می شوند که می توان در قالب زیر آنها را دسته بندی کرد:

الف) آنزیم های مورد استفاده در صنعت شوینده ها: آمیلازها، پروتئازها، کاتالازها، لیپازها

ب) آنزیم های مورد استفاده برای تجزیه: گلوکز اکسیداز، گالاکتواکسیداز، الکل دهیدروژناز، هگزوکیناز، مورامیداز، کلسترول اکسیداز و…

ج) آنزیم های پزشکی-دارویی: آسپاراژیناز، پروتئازها، لیپازها، استروپتوکینازها، پنیسیلین اسیلازها، ایزومرازها

د) آنزیم های مورد استفاده در تولید سوخت: سلولازها، پکتینازها

مقدار و کیفیت آنزیم ها صنعتی متفاوت است. آنزیم های دارویی کمترین حجم و آنزیم های صنعتی بیشترین حجم تولید را دارند. آنزیم های صنعتی در فرمانتورهایی با حجم تا بیش از 100 متر مکعب تولید می شوند، ولی آنزیم های مورد استفاده در پزشکی و آنزیم های تجزیه گر اغلب در فرمانتورهای کوچکتر تولید می شوند. پایین بودن غلظت و بازده تولید آنزیم های تولیدشده به طور طبیعی (در نژادهای وحشی یا طبیعی) باعث شده است امروزه از موجودات دستکاری و مهندسی شده برای تولید آنزیم ها استفاده شود. همچنین تغییرات هدفمند و ایجاد ژن های مهندسی شده امری مرسوم در تولید آنزیم هاست، زیرا به این روش می توان قابلیت های مهم آنزیم ها را تقویت کرد. برای مثال برخی آنزیم ها باید بتوانند در دمای نسبتا بالا فعالیت کنند که به طور طبیعی امکان فعالیت در آن را ندارند. توسط روش های مهندسی ژنتیک، می توان آنزیم هایی با قابلیت تحمل دمایی بالا تر به دست آورد. به همین ترتیب می توان آنزیم هایی با عمر و ماندگاری بیشتر، فعالیت بیشتر، و فعالیت در pH مناسب تولید کرد. همچنین می توان با تغییرات ژنتیکی یا تغییرات ایجاد شده در میکروارگانیسم های تولید کننده، سرعت و میزان تولید آنزیم را افزایش داد. تا سال 1972 حدود 2000 آنزیم شناخته شده بود که فقط 140 آنزیم از میان آنها قابل تولید و فروش بودند. پروتئازها مهمترین آنزیم های صنعتی هستند و تقریبا 60% فروش آنزیم های صنعتی در دنیا مربوط به آنهاست.

استفاده از آنزیم ها مزیت های فراوان دارد. مثلا باعث صرفه جویی در مصرف انرژی به علت استفاده از دمای پایین تر در شستشو و نیز کاهش مواد شیمیایی نامطلوب در شوینده ها می شود. برخلاف دیگر ترکیبات شوینده ها، آنزیم ها اثر منفی بر فرایندهای تصفیه فاضلاب ندارد و نیز پسماند خطرناک حساب نمی شوند. آنها به سرعت و به طور کامل تجزیه زیستی می شوند و مواد آلاینده باقی نمی گذارند. به این ترتیب از نظر محیط زیست بی خطرند و برای بهداشت و نیز آبزیان آسیب ندارند.