Ингибирование продукта

Ингибирование ферментов

Ингибирование продукта — это тип ингибирования фермента , при котором продукт реакции фермента ингибирует его выработку. ^[1] Клетки используют ингибирование продукта для регуляции метаболизма как форму отрицательной обратной связи, контролирующей метаболические пути . ^[2] Ингибирование продукта также является важной темой в биотехнологии , поскольку преодоление этого эффекта может увеличить выход продукта, такого как антибиотик . ^[3] Ингибирование продукта может быть конкурентным , неконкурентным или неконкурентным.

Снижение ингибирования продукта

Конструкция реактора

Одним из методов снижения ингибирования продукта является использование мембранного реактора . ^[4] Эти биореакторы используют мембрану для отделения продуктов от остальной части реактора, ограничивая их ингибирование. Если продукт сильно отличается по размеру от клеток, его производящих, и субстрата, питающего клетки, то реактор может использовать полупроницаемую мембрану, позволяющую продуктам выходить из реактора, оставляя клетки и субстрат позади для продолжения реакции, производя больше продукта. Другие системы реакторов используют химический потенциал для отделения продуктов от реактора, например, растворимость различных соединений, позволяющую им проходить через мембрану. Были разработаны электрокинетические системы биореакторов, которые используют электролиз , процесс, который использует электрический заряд для удаления продукта из системы биореактора. ^[5]

Реактор с внешним контуром использует ток, создаваемый пузырьками воздуха, протекающими через реактор, для создания потока, который переносит содержимое реактора через внешний контур. Разделительная мембрана может быть помещена во внешний контур для сбора продукта и уменьшения ингибирования продукта. Недостатком реакторов с внешним контуром является то, что они создают дополнительное напряжение сдвига . ^{[6] В биореакторах}с погружной мембраной мембрана находится внутри основной камеры биореактора. ^[6]

Разделительный биореактор — это тип непрерывного реактора , в котором производящие клетки установлены на смоляной мембране, чтобы не вытекать из реактора, когда субстрат проходит через них. Непрерывный поток реактора переносит продукт вниз по течению по мере его производства. ^[7]

Другие методы снижения ингибирования продукта

Интегрированная экстракция жидкость-жидкость может использоваться для удаления продуктов, плотность которых отличается от плотности остального содержимого биореакторов. ^[8] Это делается путем добавления растворителя ниже по потоку от биореактора и выделения продукта в отстойнике перед тем, как стоки биореактора будут перемещены во вторичный реактор или возвращены в исходный реактор для продолжения культивирования. Этот процесс может осуществляться в периодическом или непрерывном режиме.

Вакуумная экстракция ^[9] может использоваться при ферментации для удаления этанола из реактора. Когда жидкость в сосуде помещается в условия вакуума, этанол начинает испаряться, поскольку он более летуч, чем остальное содержимое реактора. Эта техника требует периода акклиматизации для дрожжей в реакторе, чтобы адаптироваться к среде с более низким давлением. ^{[ необходима цитата ]}

Нейтрализация продукта. Если ингибирование продукта обусловлено его pH, то его можно нейтрализовать в реакторе и далее переработать в исходную форму. ^{[ необходима цитата ]}

Ссылки

^ Уолтер, Чарльз; Фриден, Эрл (1963). «Распространенность и значение ингибирования ферментов продуктами». В Nord, FF (ред.). Достижения в области энзимологии и смежных дисциплин биохимии . Том 25. С. 167–274 . doi :10.1002/9780470122709.ch4. ISBN 978-0-470-12270-9. PMID 14149677.
^ Хатсон, NJ; Керби, AL; Рэндл, PJ; Сагден, PH (1979). «Регуляция пируватдегидрогеназы действием инсулина». Прогресс в клинических и биологических исследованиях . 31 : 707–719 . PMID 231784. NAID 10010916605.
^ Шюгерль, Карл; Хаббух, Юрген (июнь 2005 г.). «Интегрированные биопроцессы». Current Opinion in Microbiology . 8 (3): 294– 300. doi :10.1016/j.mib.2005.01.002. PMID 15939352.
^ Фань, Ронг; Эбрахими, Мехрдад; Чермак, Питер (3 мая 2017 г.). «Анаэробный мембранный биореактор для непрерывной ферментации молочной кислоты». Мембраны . 7 (2): 26. doi : 10.3390/membranes7020026 . PMC 5489860. PMID 28467384 .
^ Ли, Хонг; Мустакки, Роберта; Ноулз, Кристофер Дж.; Скибар, Вольфганг; Сандерленд, Гарри; Далримпл, Ян; Джекман, Саймон А. (январь 2004 г.). «Электрокинетический биореактор: использование постоянного электрического тока для улучшенной ферментации молочной кислоты и извлечения продукта». Тетраэдр . 60 (3): 655– 661. doi :10.1016/j.tet.2003.10.110.
^ ab Карстенсен, Фредерике; Апель, Андреас; Весслинг, Маттиас (март 2012 г.). «Извлечение продукта на месте: погружные мембраны против внешних петлевых мембран». Журнал мембранной науки . 394–395 : 1–36 . doi :10.1016/j.memsci.2011.11.029.
^ Arora, MB; Hestekin, JA; Snyder, SW; St. Martin, EJ; Lin, YJ; Donnelly, MI; Millard, C. Sanville (июль 2007 г.). «Разделительный биореактор: непрерывный процесс разделения для одновременного производства и прямого захвата органических кислот». Separation Science and Technology . 42 (11): 2519– 2538. doi :10.1080/01496390701477238. PMC 3662075. PMID 23723533.
^ Каур, Гунит; Шривастава, АК; Чанд, Субхаш (декабрь 2015 г.). «Устранение узких мест в ингибировании продукта при ферментации 1,3-пропандиола с помощью восстановления продукта на месте». Bioresource Technology . 197 : 451– 457. doi : 10.1016/j.biortech.2015.08.101. PMID 26356117.
^ Таварес, Бруна; Фелипе, Мария дас Грасас де Алмейда; дос Сантос, Жулио Сезар; Перейра, Феликс Монтейро; Гомес, Симоне Дамасено; Сене, Люциана (февраль 2019 г.). «Экспериментальный и моделирующий подход к производству этанола Kluyveromyces marxianus в биореакторе с мешалкой с использованием вакуумной экстракции как стратегия преодоления ингибирования продукта». Возобновляемая энергия . 131 : 261–267 . doi :10.1016/j.renene.2018.07.030.

[1] Уолтер, Чарльз; Фриден, Эрл (1963). «Распространенность и значение ингибирования ферментов продуктами». В Nord, FF (ред.). Достижения в области энзимологии и смежных дисциплин биохимии . Том 25. С. 167–274 . doi :10.1002/9780470122709.ch4. ISBN 978-0-470-12270-9. PMID 14149677.

[2] Хатсон, NJ; Керби, AL; Рэндл, PJ; Сагден, PH (1979). «Регуляция пируватдегидрогеназы действием инсулина». Прогресс в клинических и биологических исследованиях . 31 : 707–719 . PMID 231784. NAID 10010916605.

[3] Шюгерль, Карл; Хаббух, Юрген (июнь 2005 г.). «Интегрированные биопроцессы». Current Opinion in Microbiology . 8 (3): 294– 300. doi :10.1016/j.mib.2005.01.002. PMID 15939352.

[4] Фань, Ронг; Эбрахими, Мехрдад; Чермак, Питер (3 мая 2017 г.). «Анаэробный мембранный биореактор для непрерывной ферментации молочной кислоты». Мембраны . 7 (2): 26. doi : 10.3390/membranes7020026 . PMC 5489860. PMID 28467384 .

[5] Ли, Хонг; Мустакки, Роберта; Ноулз, Кристофер Дж.; Скибар, Вольфганг; Сандерленд, Гарри; Далримпл, Ян; Джекман, Саймон А. (январь 2004 г.). «Электрокинетический биореактор: использование постоянного электрического тока для улучшенной ферментации молочной кислоты и извлечения продукта». Тетраэдр . 60 (3): 655– 661. doi :10.1016/j.tet.2003.10.110.

[Carstensen_et_al_2012-6] Карстенсен, Фредерике; Апель, Андреас; Весслинг, Маттиас (март 2012 г.). «Извлечение продукта на месте: погружные мембраны против внешних петлевых мембран». Журнал мембранной науки . 394–395 : 1–36 . doi :10.1016/j.memsci.2011.11.029.

[7] Arora, MB; Hestekin, JA; Snyder, SW; St. Martin, EJ; Lin, YJ; Donnelly, MI; Millard, C. Sanville (июль 2007 г.). «Разделительный биореактор: непрерывный процесс разделения для одновременного производства и прямого захвата органических кислот». Separation Science and Technology . 42 (11): 2519– 2538. doi :10.1080/01496390701477238. PMC 3662075. PMID 23723533.

[8] Каур, Гунит; Шривастава, АК; Чанд, Субхаш (декабрь 2015 г.). «Устранение узких мест в ингибировании продукта при ферментации 1,3-пропандиола с помощью восстановления продукта на месте». Bioresource Technology . 197 : 451– 457. doi : 10.1016/j.biortech.2015.08.101. PMID 26356117.

[9] Таварес, Бруна; Фелипе, Мария дас Грасас де Алмейда; дос Сантос, Жулио Сезар; Перейра, Феликс Монтейро; Гомес, Симоне Дамасено; Сене, Люциана (февраль 2019 г.). «Экспериментальный и моделирующий подход к производству этанола Kluyveromyces marxianus в биореакторе с мешалкой с использованием вакуумной экстракции как стратегия преодоления ингибирования продукта». Возобновляемая энергия . 131 : 261–267 . doi :10.1016/j.renene.2018.07.030.