الأهمية الصناعية للبروتينات

البروتينات في الصناعة

بدأ إنتاج البروتين للاستخدام الصناعي في نهاية القرن التاسع عشر، حيث بحثت الصناعة عن مكون جديد لتحسين الكفاءة العملية أو البحث عن بدائل لجعلها عملية فعالة من حيث التكلفة؛ يوفر تطوير تقنية الحمض النووي المؤتلف والتقدم المحرز في تحسين المعالجة الحيوية مع الكائنات المؤتلفة مجموعة متنوعة من البدائل في إنتاج البروتينات؛ لاستخدامها في العمليات الصناعية ذات الخصائص الجديدة والأفضل.

إلى جانب ذلك فقد تستخدم البروتينات في العديد من الصناعات بشكل رئيسي في شكل إنزيمات، ونضع في الاعتبار أهمية التحفيز الإنزيمي في صناعات الأغذية والمنسوجات والمنظفات، ومن الأمثلة البارزة على ذلك فئة إنزيم “السوبتيليزين” التي استخدمت كمضافات للمنظفات منذ الستينيات؛ ويتم حاليًا إنتاج مئات الأطنان من المتغيرات المؤتلفة من فئة الإنزيم هذه كل عام. 

استخدامات البروتينات في الصناعة

في الأعلاف الحيوانية

الحيوانات أحادية المعدة غير قادرة على استخدام أحماض الفايتيك؛ بسبب انخفاض مستويات نشاط إنزيم الفايتيز في قنواتها الهضمية، حيث يضاف مصدر الفوسفات غير العضوي عادةً إلى العلف لأغراض مكملات الفوسفور، ويحفز إنزيم الفايتيز التحلل المائي لحمض الفيتيك (ميو إينوزيتول هيكساكيسفوسفات)، وهو شكل التخزين الرئيسي للفوسفور في بذور النباتات.

وبالتالي إطلاق الفوسفات غير العضوي، ويعتبر عاملًا مضادًا للمغذيات؛ لأنه يشكل مجمعات غير قابلة للذوبان مع البروتينات ومجموعة متنوعة من أيونات المعادن المهمة من الناحية التغذوية مثل الكالسيوم والزنك والمغنيسيوم والحديد، وتقليل التوافر الحيوي للفورس.

وتواجه الفايتازات الميكروبية المتوفرة في السوق مشكلة في الاستقرار الحراري ويعاني التحلل في هضم المعدة؛ تصبح غير مجدية للإضافة في حصص العلف مثل المضافات، وينشأ بديل من (P. pastoris) للحصول على البروتين من الكائنات الحية الدقيقة بدائيات النوى أو حقيقيات النوى مع إنتاجية عالية من الإنزيم.

صناعة الجلاتين

الجيلاتين هو في جوهره كولاجين مشوه، ويتم تحضيره عن طريق استخراج الأحماض الساخنة أو القلوية من الأنسجة الحيوانية مثل العظام والجلود؛ هو بوليمر حيوي معروف وله تاريخ طويل من الاستخدام، بشكل أساسي كعامل تبلور في الطعام، وحدت بعض الخصائص من تطبيقاتها، وأسفر إجراء الاستخلاص عن ببتيدات جيلاتينية معدلة كيميائيًا تغطي نطاقًا واسعًا من الأوزان الجزيئية.

كما أن الجيلاتين التقليدي لديه درجة حرارة عالية للتبلور بسبب محتواه العالي من هيدروكسي برولين المثبت للحلزون، وقد يكون هذا غير مرغوب فيه لتطبيقات درجات الحرارة المنخفضة.

الجلاتين غير الجيلي

تم وصف إنتاج جيلاتين عالي خارج الخلية لا يتبلور في (pPIC9) ونواقل تعبير (pPIC9K) متعددة النسخ من (Pichia pastoris)، وجزء 0.7 كيلو بايت من الفئران المقومة بـ (COL3A1 cDNA)، وتم استنساخ جزء (كدنا) الذي يشفر 53 كيلو دالتون جيلاتين (Col1a1-2)، وتم استخدام استراتيجيات مختلفة لتقليل التحلل البروتيني لهذا البروتين المكشوف شديد الضعف، وتم الحصول على أفضل النتائج من محول يحمل ما يقرب من 15 نسخة من ناقل (pCOL3A1) وينتج ما يصل إلى 14.8 جم من الجيلاتين/لتر وسط خارج الخلية.

ويمكن أن تكون مشاكل التحلل البروتيني تم تقليله على الرغم من البنية غير المطوية لتعديلات حوض الجيلاتين لتخمير الأس الهيدروجيني واستكمال وسط التخمير بأحماض الكازامينو؛ ويمكن القضاء بنجاح على الانقسام التحلل للبروتين في مواقع محددة أحادية الأرجين، بواسطة بروتياز يشبه (Kex2)، عن طريق الطفرات الموجهة للموقع لهذه المواقع.

معالجة مياه الصرف الصحي والتبييض

(Laccases) عبارة عن أوكسيديز الفينول المحتوي على النحاس الأزرق والذي يتم توزيعه على نطاق واسع في النباتات وبعض الفطريات، وتم إسناد وظائف بيولوجية متنوعة في كائن حي مختلف؛ تشمل التطبيقات المحتملة، وإزالة اللجنين والتبييض الحيوي لللب، ومعالجة مياه الصرف الصحي من المنشآت الصناعية.

والتعديل الأنزيمي للألياف وتبييض الصبغة في صناعات النسيج والصباغة، وميزة محتملة مع (P. pastoris) ومقارنة بالعديد من الفطريات الخيطية، فهي لا تنتج إنزيمات تحلل النسيج الخلوي، وبالتالي يمكن تطبيق اللاكاز المنتج في هذا المضيف مباشرة في صناعة اللب والورق دون أي تنقية.

مضاد للتجمد

تم عزل البروتينات المضادة للتجمد (AFP) من عدد من الكائنات الحية بما في ذلك الأسماك والحشرات والنباتات والبكتيريا، وتشمل خصائصها خفض درجة حرارة التجمد دون التأثير على درجة حرارة الانصهار (ما يسمى بالتباطؤ الحراري)، وتعديل مورفولوجيا بلورات الثلج، وتثبيط نمو بلورات الثلج (إعادة التبلور)، وتعزيز السلامة الخلوية، وتقليل نمو الميكروبات.

الإنزيمات اللايتية

ويستخدم الإنزيمات مثل (السليولاز والزيلانيز والبروتياز والليباز والأميليز والفوسفاتاز والبكتينازات) على نطاق واسع في صناعة اللب والورق والمنسوجات والمنظفات والأغذية والمشروبات والصناعات الدوائية، والتطبيق الصناعي الرئيسي للبكتينازات هو استخراج وتوضيح عصائر الفاكهة والخضروات، ومعظم البكتينات الميكروبية التي تنتجها الصناعة مخصصة لهذا الغرض، البكتين مسؤول عن تعكر العصير وتماسكه، مما يؤدي إلى زيادة اللزوجه، مما يعيق توضيحه وترشيحه وتركيزه.

(Polygalacturonases) هي الإنزيمات البكتيرية التي تستخدم بشكل شائع في حالة عصير البرتقال، حيث توجد استرات البكتين الطبيعية، ويتم تمثيل البكتين جزئيًا فقط في عملية استخلاص عصير البرتقال، ويمكن إضافة البكتينازات في نهاية استخراج غسل اللب لتقليل اللزوجة.

ويفضل في نهاية وحدة الإنهاء الأولى وهذا يؤدي إلى إنتاجية أعلى في العصير، واستخلاص أفضل للمواد الصلبة الذائبة ولزوجة أقل، ويقلل عمل هذه الإنزيمات من اللزوجة فقط دون مهاجمة البكتين غير القابل للذوبان الذي يحافظ على استقرار السحابة، وإن إنزيم (إندوبوليجالاكتوروناز) هو العنصر الأكثر أهمية في الإنزيمات المحللة للبكتيريا التي تستخدم في تحلل المواد البكتيرية المختلفة.

ويمكننا القول بأنه تستخدم البروتينات في العديد من الصناعات بشكل رئيسي في شكل إنزيمات، ونضع في الاعتبار أهمية التحفيز الإنزيمي في صناعات الأغذية والمنسوجات والمنظفات ومن الأمثلة البارزة على ذلك فئة إنزيم السوبتيليزين التي استخدمت كمضافات للمنظفات منذ الستينيات؛ ويتم حاليًا إنتاج مئات الأطنان من المتغيرات المؤتلفة من فئة الإنزيم هذه كل عام.