Для катодного процесса можно использовать фермент гидрогеназу, катализирующий реакцию. Возникает естественный вопрос: как передать электроны с активного центра фермента на анод? Возможны различные варианты. Можно ввести в систему дополнительное вещество – так называемый медиатор, который будет играть роль переносчика электрона с активного центра на электрод. Удобным медиатором оказался метилвиологен:

Фермент может быть как растворимым, так и иммобилизованным на электроде. Очень удачным способом иммобилизации гидрогеназы оказалась ее адсорбция на саже, идущая практически необратимо и почти с полным сохранением активности.

Иммобилизация на саже позволила осуществить и другой путь передачи электрона: непосредственно с активного центра на электрод. Это схематически выглядит так:

(далее…)

Выполняющий каталитические функции фермент может находиться как в растворе, так и в иммобилизованном состоянии прямо на поверхности электрода. В принципе к биоэлектрокатализу относят не только системы, в которых фермент ускоряет саму электродную реакцию, но и такие, в которых ферментативной является предшествующая реакция, генерирующая электрохимически активные частицы. Для иллюстрации систем последнего типа рассмотрим устройство биоэлектрохимического датчика для определения глюкозы.

Сама по себе глюкоза очень инертна в электрохимических реакциях. Однако если ее подвергнуть окислению до глюконовой кислоты, то в ходе реакции выделится перекись водорода, которая, в свою очередь, может окислить йодид-ион до йода:

Ферменты на обеих стадиях применяют в иммобилизованном состоянии, а для электрохимического определения пригодны сразу четыре вещества: 02; Н2О2, J – и J2, концентрации которых в системе связаны стехиометрическими реакциями.

(далее…)

А в присутствии амидазы можно продолжить реакцию до получения акриловой кислоты.

В заключение этого раздела мы хотели бы обратить внимание на возможность успешного сочетания химических и биотехнологических путей при разработке новых процессов, что позволяет использовать преимущества каждого из подходов. В качестве примера разберем процесс, разрабатываемый фирмой «Cetus corporation». Д-глюкозу ферментативно окисляют в кетон Д-глюкозон с одновременным образованием перекиси водорода. Далее Д-глюкозон химически гидрируют до Д-фруктозы, а перекись водорода используют для ферментативного эпоксидирования алкенов. В последнем случае используют монооксигеназу, но при введении перекиси водорода вместо кислорода ей не требуется кофактора НАД-Н.

Электрокатализ – давно известное явление, суть которого состоит в ускорении электрохимических реакций под действием веществ, адсорбированных на поверхности электрода. Это явление совершенно аналогично химическому катализу, с той лишь разницей, что одним из реагентов является электрический ток. Если для ускорения электрохимической реакции используются биологические молекулы, то это явление называют «биоэлектро-катализ». Открытие биоэлектрокатализа группой советских ученых недавно было зарегистрировано в Государственном комитете СССР по делам изобретений и открытий.

(далее…)

Последний процесс разрабатывается и как самостоятельный путь получения НАД-Н с помощью иммобилизованной формиатдегидрогеназы.

Если в качестве субстрата монооксигеназы использовать не алкен, а алкан, то этот фермент катализирует другую важную реакцию: концевое гидроксилирование углеводорода до первичного спирта:

(далее…)

Некоторые из рассмотренных нами процессов, например получение аминокислот и антибиотиков, можно отнести к тонкому органическому синтезу. Возможности инженерной энзимологии в этой области и даже в области тяжелого органического синтеза (крупнотоннажное производство различных веществ: кислот, мономеров, сшивающих агентов и т. д.) только начинают осознаваться. Рассмотрим некоторые перспективные направления развития инженерной энзимологии для целей тяжелого органического синтеза.

Для химической технологии необходимы окислы олефинов (эпоксиды).

Их применяют главным образом для производства лаков и клеющих композиций. Химически реакция эпоксидирования, т. е. получение эпоксидов, кислородом воздуха идет сравнительно гладко только для этилена на серебряном катализаторе. Для высших алкенов разработан так называемый Халкон-процесс, где в качестве источника кислорода используют гидроперекиси в присутствии ванадиевых катализаторов.

(далее…)