Введение

Способность вещества сопротивляться изменениям структуры при высоких температурах В материаловедении и молекулярной биологии термостойкость - это способность вещества сопротивляться необратимым изменениям в его химической или физической структуре, часто путем сопротивления разложению или полимеризации, при высокой относительной температуре. Термостойкие материалы могут использоваться в промышленности в качестве огнезащитных веществ. Термостойкий пластик, необычный и нетрадиционный термин, скорее относится к термостойкому пластику, который не может быть изменен при нагреве, чем к термопластику, который может быть переплавлен и переплавлен. Термостабильность также является свойством некоторых белков. Быть термостойким белком означает быть устойчивым к изменениям структуры белка вследствие нагрева.

Термостойкие белки

Большинство форм жизни на Земле живут при температуре менее 50 °C, обычно от 15 до 50 °C. Внутри этих организмов находятся макромолекулы (белки и нуклеиновые кислоты), которые образуют трехмерные структуры, необходимые для их ферментативной активности. Выше температуры организма тепловая энергия может вызвать разложение и денатурацию, поскольку тепло может нарушить внутримолекулярные связи в третичной и четвертичной структуре. Это разворачивание приведет к потере ферментативной активности, что, как и следовало ожидать, будет пагубно для жизнедеятельности. Примером этого является денатурация белков в альбумене из прозрачной, почти бесцветной жидкости в непрозрачный белый, нерастворимый гель. Белки, способные выдерживать такие высокие температуры по сравнению с белками, которые не могут, как правило, являются микроорганизмами, которые являются гипертермофилами. Такие организмы могут выдерживать температуры выше 50 °C, поскольку обычно они живут в среде с температурой 85 °C и выше. Существуют определенные термофильные формы жизни, которые могут выдерживать температуры выше этого, и имеют соответствующие адаптации для сохранения функции белка при этих температурах. К ним могут относиться измененные объемные свойства клетки для стабилизации всех белков и специфические изменения отдельных белков. Сравнение гомологичных белков, присутствующих в этих термофилах и других организмах, показывает некоторые различия в структуре белка. Одно из заметных отличий заключается в наличии дополнительных водородных связей в белках термофилов, что означает, что структура белка более устойчива к развертыванию. Аналогичным образом, термостойкие белки богаты солевыми мостами или/и дополнительными дисульфидными мостами, стабилизирующими структуру. Другими факторами термостабильности белка являются компактность структуры белка, олигомеризация и взаимодействие прочности между подединицами.

Полимеразные цепные реакции

Термостойкие ферменты, такие как Taq полимераза и Pfu ДНК полимераза, используются в полимеразных цепных реакциях (PCR), где для плавления нитей ДНК на стадии денатурации PCR используются температуры 94 °C и выше. Эта устойчивость к высокой температуре позволяет ДНК-полимеразе удлинять ДНК с желаемой последовательностью интереса при наличии dNTP.

Добавки к кормам

Ферменты часто добавляют в корма для животных, чтобы улучшить здоровье и рост домашних животных, особенно кур и свиней. Корм обычно обрабатывается паром под высоким давлением для уничтожения бактерий, таких как сальмонеллы. Поэтому добавленные ферменты (например, фитаза и ксиланаза) должны быть способны выдерживать это тепловое воздействие без необратимой инактивации.

Очистка белков

Знание о стойкости фермента к высоким температурам особенно полезно при очистке белка. В процессе тепловой денатурации смесь белков может подвергаться воздействию высоких температур, что приводит к денатурации белков, которые не являются термостабильными, и к изоляции белка, который термодинамически стабилен. Один из примеров этого можно найти в очистке щелочной фосфатазы из гипертермофильного Pyrococcus abyssi. Этот фермент известен своей теплостойкостью при температуре выше 95 °C, и поэтому может быть частично очищен путем нагрева при гетерологическом экспрессии в E. coli. Повышение температуры приводит к осаждению белков E. coli, в то время как щелочная фосфатаза P. abyssi остается стабильной в растворе.

Гликозидные гидролазы

Другая важная группа термостабильных ферментов - гликозидные гидролазы. Эти ферменты отвечают за разложение основной части биомассы, полисахаридов, присутствующих в крахмали и лигноцеллюлозе. Таким образом, гликозидные гидролазы приобретают большой интерес в биорафинирующих применениях в будущей биоэкономике. Некоторые примеры - производство моносахаридов для пищевых применений, а также использование в качестве источника углерода для микробиологического преобразования в топливе (этаноле) и химических промежуточных продуктах, производство олигосахаридов для пребиотических применений и производство поверхностно-активных веществ типа алкилгликозида. Все эти процессы часто включают термическую обработку для облегчения гидролиза полисахаридов, поэтому в этом контексте важная роль отводится термостабильным вариантам гликозидных гидролаз.

Подходы к улучшению термостабильности белков

Инженерная белковая технология может быть использована для повышения термостабильности белков. Для повышения термостабильности белков-мишени, помимо направленной эволюции, использовался ряд методов мутагенеза, направленного на место и случайного мутагенеза. Для повышения стабильности мезофильных белков использовались сравнительные методы, основанные на сравнении с термофильными гомологами. Кроме того, анализ раскрытия белка молекулярной динамикой может быть использован для понимания процесса раскрытия, а затем для проектирования стабилизирующих мутаций. Рациональная инженерия белков для повышения термостабильности белков включает мутации, которые обрывают петли, увеличивают солевые мосты или водородные связи, вводят дисульфидные связи. Кроме того, связывание лигандов может повысить стабильность белка, особенно при его очистке. Существуют различные силы, которые обеспечивают термостабильность конкретного белка. Эти силы включают гидрофобные взаимодействия, электростатические взаимодействия и присутствие дисульфидных связей. Общее количество гидрофобности, присутствующее в конкретном белке, отвечает за его термостабильность. Другой тип силы, который отвечает за термостабильность белка, - это электростатические взаимодействия между молекулами. Эти взаимодействия включают солевые мосты и водородные связи. Солевые мосты не подвержены воздействию высоких температур, поэтому они необходимы для стабильности белка и фермента. Третья сила, используемая для повышения термостабильности белков и ферментов, - это наличие дисульфидных связей. Они представляют собой ковалентные перекрестные связи между полипептидными цепями. Эти связи являются самыми сильными, потому что они ковалентные связи, что делает их сильнее межмолекулярных сил. Гликозилирование - еще один способ повышения термостабильности белков. Стереоэлектронные эффекты в стабилизации взаимодействия между углеводами и белками могут привести к термостабилизации гликозилированного белка. Циклизирующие ферменты, ковалентно связывающие конечный N-контакт с конечным C-контакт, применяются для повышения термостабильности многих ферментов. Часто используются интейн-циклизация и SpyTag/SpyCatcher-циклизация.

Термостойкие токсины

Некоторые ядовитые грибы содержат термостойкие токсины, такие как аматоксин, содержащийся в смертельном и осеннем грибах, а также патулин из плесени. Поэтому нагрев этих продуктов не устранит токсичность и вызывает особую озабоченность по поводу безопасности пищевых продуктов.