BASF создает химию для устойчивого будущего. Мы объединяем экономический успех с защитой окружающей среды и социальной ответственностью. Благодаря науке и инновациям мы даём возможность нашим клиентам в каждой индустрии удовлетворять текущие и будущие потребности общества.
Являясь первопроходцем коммерциализации фитазы, а также родоначальником применения гибридных ферментов в кормлении, немецкий концерн BASF имеет на сегодняшний день одну из самый современных и продвинутых баз в мире по разработке ферментов для различных областей применения.

otdel-kormovykh-dobavok-kontserna-basf-bolee-50-let-na-sluzhbe-kormleniya-2
Штаб-квартира и часть производственной площадки концерна BASF в г. Людвигсхафен-на-Рейне, где также располагается часть лабораторий по разработке и анализу ферментов

Значение ферментов

Ферменты (энзимы) — важнее, чем воздух, которым мы дышим, вода, которую мы пьём и еда, которую мы едим, поскольку без ферментов мы бы не смогли дышать, глотать, пить, есть или переваривать пищу (Beauregard, 2013). Ферменты увеличивают скорость реакций в живых клетках в миллионы раз, поэтому реакции, для завершения которых нужны годы, при участии энзимов протекают в течение доли секунды (Cooper and Sunderland, 2000). В цифрах данное ускорение достигает 1017 раз (Radzicka and Wolfenden, 1995). Почти все ферменты, за исключением рибозимов (РНК-ферменты), по своей природе являются белками. Считается, что именно рибозимы были первыми биокатализаторами в природе, то есть предшественниками ферментов-белков.

Ферменты разрабатывались природой миллиарды лет для эффективного выполнения своих функций в различных физиологических условиях, на определённом субстрате и в концентрациях менее одного миллимоль (Dalby, 2007). Тем не менее энзимы, встречающиеся в природе, очень редко подходят для использования их в индустриальных процессах (Greiner, 2012). Например, фермент, используемый в кормлении животных, должен иметь высокую биоэффективность в условиях желудочно-кишечного тракта (кислотность, действие протеаз и других деактиваторов), выдерживать высокие температуры и давление во время процесса грануляции комбикорма, обладать высокой стабильностью при воздействии жестких процессов (окисление) во время нахождения в премиксе и т.д. Ферменты, выделенные из микроорганизмов, в первоначальном виде не подходят для применения их в кормлении моногастричных животных. Для того чтобы обойти это ограничение, в лабораторных условиях с помощью белковой инженерии создаются усовершенствованные ферменты. Использование термина «инженерия» подразумевает, что существует полное и точное понимание системы, которая подвергается модификации (Greiner, 2012). Однако генерирование и идентификация ферментов из различных экологических ниш в природе (гейзеры, вулканы, арктическая тундра и т.д.), адаптированных к неестественным для них условиям (например пищеварительный тракт), а также достижение функциональной и экономической эффективности в таких условиях является непростой задачей (Martinez and Schwaneberg, 2013).

Природа создала уникальные стабилизирующие элементы в различных классах ферментов, и понимание этих важных характеристик, а также использование отдельных или комбинирование потенциала различных эволюционных стратегий in vitro (в пробирке) позволит достичь пика совершенства ферментных продуктов в ближайшем будущем (Ushasree et al., 2011).

Ферменты для кормления животных производятся с помощью генетически модифицированных организмов (ГМО)?

Да, это действительно так. Хотя целью данной статьи не является обсуждение темы ГМО, несколько фактов следует упомянуть.

1. Коммерческие ферменты, зарегистрированные в ЕС (включая ферменты BASF), гарантированно не содержат никаких остатков ГМО, их ДНК или РНК. Конечный фермент — это чистый белок, состоящий из аминокислот.

2. В основе эволюции лежит мутация. Мутация — это изменения в ДНК живых клеток. Например, сегодня в мире насчитывается около 450 пород собак, и все они имеют одного общего предка. Всё это разнообразие — результат множества мутаций и селекции. По cути дела, современный человек также является результатом миллиардов мутаций в генах. Природа разрабатывает ферменты за счёт аккумуляции нейтральных и вредных мутаций и, в отличие от направленной эволюции, позволяет существовать неактивным секвенциям в молекуле энзима (Romero and Arnold, 2009). Как и в природе, в основе разработки современных ферментов в лаборатории лежит также мутация, но контролируемая человеком. При этом ферменты с неактивными секвенциями отсеиваются в процессе отбора ферментов-кандидатов.

3) Человек, создавая ферменты с улучшенными свойствами в лаборатории, просто моделирует естественный процесс эволюции ферментов в природе. То, на что в природе требуются миллионы лет, мы способны создавать в лаборатории в кратчайшие сроки.

Ферментные технологии BASF

На сегодняшний день отдел ферментов компании BASF имеет самую большую в мире коллекцию ферментов. Источниками этой коллекции являются пробы из почвы и воды, собранные со всех уголков нашей планеты и из экосистем с экстремальными условиями существования — и чем экстремальнее, тем лучше! Вулканы и гидротермальные источники, тропический лес и арктическая тундра — богатые источники различных микроорганизмов. Что еще более интересно, эти экстремальные факторы — температура, давление, кислотность аналогичны таковым в индустриальных процессах приготовления комбикорма, а также протекающим в пищеварительном тракте животных и птицы. Другими словами, если фермент преуспевает в природе, то возможно, что данный энзим справится со своей задачей и в условиях производства.

В портфолио ферментов компании BASF сегодня присутствуют:

1) высокоэффективные ферменты для кормления — фитазы Натуфос® и Натуфос® E, а также фермент, расщепляющий некрахмальные полисахариды, — Натугрэйн TS;

2) ферменты, используемые при производстве этанола: α-амилаза Фьюлзайм® для сжижения крахмала, фитаза для ферментации растительного сырья Фьюлтаза™, ксиланаза Ксилатин® для снижения вязкости субстрата, кислая протеаза Дельтазим® для увеличения выхода этанола, глюкоамилаза Дельтазим® GA для генерирования чистой глюкозы и др.

Отдел разработки ферментов концерна BASF использует всю мощь природы, применяя уникальную запатентованную технологию для создания продуктов с максимальной эффективностью и экологической результативностью. В 2013 году концерн BASF расширил свою технологическую основу для усиления позиции на рынке по индустриальной разработке ферментов за счёт:

1) приобретения ферментных технологий компании Henkel AG & Co. KGaA;

2) заключения лицензионного соглашения по совместной разработке ферментов с биотехнологической компанией Dyadic International Inc.;

3) приобретения компании Verenium Corporation, мирового лидера по разработке ферментов для различных областей применения.

Как BASF открывает ферменты?

За счёт применения самых продвинутых технологий BASF экстрагирует микробную ДНК из проб, что позволяет избежать медленного и часто нерезультативного процесса индивидуальной культивации микроорганизмов в лабораторных условиях. Специально сконструированные библиотеки проб быстро анализируются при помощи автоматических роботизированных технологий , включая использование матрицы GigaMatrix®, одна пластина которой может содержать до миллиона лунок (проб) на площади 8,4×12,7 см. Каждая такая лунка имеет диаметр не более толщины человеческого волоса. С помощью пластин GigaMatrix® и робототехники BASF способен анализировать до одного миллиарда проб в день, что значительно увеличивает способность отдела разработки ферментов компании BASF идентифицировать новые ферменты-кандидаты из огромных и сложных библиотек генов, имеющихся в распоряжении концерна. Фактически компания BASF располагает самой крупной библиотекой ферментов в мире.

Как только перспективные кандидаты ферментов идентифицированы, определяется их потенциал для коммерческого применения. При необходимости наиболее перспективные ферменты-кандидаты в дальнейшем могут быть оптимизированы по технологии направленной эволюции BASF.

Оптимизация ферментов для высокой эффективности и стабильности

Комбинируя открытие ферментов с технологиями эволюции в лаборатории, отдел разработки ферментов BASF создал и успешно коммерциализировал ряд революционных и высокоэффективных продуктов. Например, первый в мире гибридный фермент для кормления животных 6-фитаза Натуфос® Е (Natuphos® Е) был недавно разработан именно компанией BASF (рис. 1). Создание первого гибридного фермента для кормления, комбинирующего в одном продукте лучшие желаемые свойства трёх различных фитаз (биоэффективность, устойчивость к действию различных факторов и высокая термостабильность), подчёркивает успех фитазы и ферментной инженерии в целом.

basf_fermenty_proveryat_3_page_3

Рис. 1. Natuphos® E — композитная гибридная 6-фитаза бактериального происхождения

Как мы оптимизируем ферменты? Гены кодируют точный порядок связи аминокислот во время синтеза белков в живых клетках. При этом ДНК работает как чертёж. Энзимы — это естественные комплексные молекулы, состоящие из длинной цепочки отдельных аминокислот. В природе существует 20 различных аминокислот, кодируемых геномом, и каждая обладает определёнными химическими свойствами. Конечная уникальная очерёдность аминокислот в протеине (белке) определяет его специфическую форму и функции. Изменение одной лишь аминокислоты может значительно повлиять на функции и свойства белков как ферментов. Отдел разработки ферментов компании BASF обладает запатентованными современными методами направленной эволюции генов, которые позволяют оптимизировать протеины на уровне ДНК. Отдел разработки ферментов компании BASF имеет комплект технологий под названием DirectEvolution® («Направленная эволюция»), предоставляющей значительные преимущества, включая наиболее полную и объективную платформу по эволюции генов, способность совершать тонкие изменения по всему гену и возможность собирать (составлять) широчайшее разнообразие геномов с уникальной точностью, значительно превосходя саму природу по точности и скорости в этом процессе. Читатель может представить, насколько важна скорость анализа проб, когда требуется охватить потенциал возможностей двадцати аминокислот на каждой позиции в белке, состоящем, например, из 100 аминокислот. Это цифра поражает воображение: 20100 возможных комбинаций. В реальности же для большинства фитаз количество аминокислот варьирует от 319 до 1821 (Lei et al., 2013).

Так, например, с помощью направленной эволюции активность фермента глифосат-N-ацетилтрансферазы была увеличена в 10 тысяч раз, а его термостабильность — в 5 раз (Siehl et al., 2005).

В целом отдел разработки ферментов компании BASF может проводить улучшение и изменение любого фермента по множеству различных показателей: качеству протеина (свёртывание, резистентность к разрушению, контроль гликозилирования и др.), увеличению сроков годности, уровня экспрессии и выработки, термостабильности, изменению профиля pH, специфичности к субстрату, силе связывания, снижению ингибирования и др.

В основе технологии DirectEvolution® компании BASF лежат два взаимодополняющих метода:

1) Технология Gene Site Saturation MutagenesisSM («Ген–позиция–насыщение–мутагенез» — ГПНМ).

Запатентованная компанией BASF ГПНМ-технология быстро генерирует различные варианты белков за счёт включения одной или всех двадцати аминокислот на любой позиции аминокислотной последовательности определённого фермента, позволяя тем самым в кратчайшие сроки тестировать все возможные комбинации данного энзима. Одновременно создаваемая библиотека вариантов определённого фермента при применении ГПНМ-технологии становится доступной для экспрессии, скрининга и отбора лучших кандидатов. Из нашего опыта, часто изменение лишь нескольких аминокислот в структуре фермента приводит к созданию энзимов со значительно улучшенными свойствами, такими как стабильность при воздействии высоких температур, стабильность при определённых значениях pH, устойчивость к действию различных деактивирующих химических соединений и др.

2) Технология Tunable GeneReassemblySM («Контролируемая сборка генов» — КСГ).

Отдел разработки ферментов компании BASF использует КСГ-технологию для оптимизации характеристик энзимов за счёт комбинации лучших свойств генов-кандидатов в одной высокоэффективной молекуле. Гибкий, но точный дизайн — это основа КСГ-технологии, использование которой позволяет определять последовательность нуклеотидов в ДНК, а также получать дополнительную информацию, такую как 3D-структура молекулы белка и уровень оптимизации кодонов. Кодон — это единица генетического кода в молекуле ДНК. Последовательность кодонов в гене определяет последовательность аминокислот в длинной цепочке белка, кодируемого данным геном. КСГ-технология позволяет смешивать секвенции генов на определённой позиции, тем самым создавая комбинированные библиотеки всех желаемых вариантов, а также производить сборку генов из лучших кандидатов определённого семейства протеинов. В целом КСГ-технология — это отличное дополнение к вышеописанной ГПНМ-технологии, что значительно увеличивает успех открытия ферментов нового поколения.

Заключение

Благодаря уникальному доступу к постоянно меняющемуся разнообразию природы, отдел разработки ферментов концерна BASF создает экологически чистые ферментные продукты, включая фитазы, которые улучшают продуктивность и снижают затраты современной глобальной индустрии. Новейшая техническая база позволит концерну BASF и в будущем оставаться ведущим разработчиком и производителем высокоэффективных ферментов для кормления животных и других областей применения.

Автор:  Е. Шастак, доктор аграрных наук, ООО «БАСФ», отдел кормовых добавок, Москва

6 Комментариев к Ферментные технологии BASF: индустрия в совершенстве
  1. не до конца понятно, чем новая фитаза отличается от старой, кроме как технологией производства.

  2. Новая — гибридная
    «Создание первого гибридного фермента для кормления, комбинирующего в одном продукте лучшие желаемые свойства трёх различных фитаз (биоэффективность, устойчивость к действию различных факторов и высокая термостабильность)…»
    Цитата из текста выше.

  3. Кто продает данную фитазу в РФ?

  4. Хорошая фитаза, но дорогая 🙁
    Если входная цена не пугает, то результат оправдает!

    Дистрибьютер в РФ http://www.feedland.ru

  5. Спасибо Максим, за информацию!
    А Вы какую фитазу используете?

  6. Использовали Хостазим 5000, Натуфос 5000, Фидбест российский. Раньше был зоотехником в свинокоплексе Талин, сейчас занимаюсь другим проектом связанным с кормовыми добавками.

    Если нужна хорошая фитаза, я бы смотрел в сторону Акстра фай или Натуфос е, это два лидера на рынке.
    Просчитывайте все в рационах и делайте опыты, тогда Вы поймете где заложена экономия и выгода.


[Вверх]

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *