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