Entsyymit ja niiden tuotanto Niklas von Weymarn, VTT Erikoistutkija ja tiiminvetäjä
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 Entsyymi Tuote
Entsyymien toiminta (perusajatus) E E E E S T S T 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
Mitä entsyymit käytännössä tekevät? Leikkaavat Hapettavat Lisäävät Entsyymit ovat: Spesifisiä Tehokkaita Ei-myrkyllisiä
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
Entsyymien synteesi soluissa Genomi DNA mrna Entsyymi
Miten teollisuus tähän liittyy? Vuosisatojen varrella ihminen on oppinut hyödyntämään entsyymejä erilaisissa 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.
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
Tuotantoprosessi ja arvoketju Bioreaktori Kuluttajatuote Raaka-aineet Jälkikäsittely Ainesosa Kuluttajatuote Soluja Monia teollisuudenaloja
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
Teolliset tuotto-organismit Bakteerit Bacillus sp. Streptomyces sp. Pseudomonas fluorescens Hiivat Pichia pastoris Homeet Aspergillus sp. Trichoderma sp. Chrysosporium lucknowense
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
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)
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