Ферментативный синтез полимеров in vitro

Синтез полимера — это сотни раз образованная одна и та же связь, а в воде эта связь под постоянной угрозой: гидролиз есть термодинамическое дно. Живая клетка решает проблему активированными мономерами — энергия связи заранее уплачена на мономере, и ферменту остаётся её принять. У синтеза in vitro два честных пути, и выбор между ними определяет весь процесс: позаимствовать клеточный трюк или физически откачивать воду быстрее, чем её производит реакция.

Два отхода от равновесия

Фосфорилазный путь сохраняет активированный мономер. Альфа-глюкан-фосфорилаза переносит глюкозу с глюкозо-1-фосфата на короткий олигосахаридный затравочный фрагмент, отделяя неорганический фосфат; каждая гликозидная связь несёт собственную движущую силу, поэтому реакция идёт даже в водном растворе. Длину цепи задаёт отношение мономера к затравке, а растущий полимер выпадает в осадок и дополнительно тянет равновесие за собой. Липазный путь вместо этого осушает реакцию. Конденсация диола с дикарбоновым донором отдаёт по молекуле воды на каждую связь, а константа равновесия близка к единице — значит, конверсия определяется тем, насколько хорошо осушена смесь: вакуум, азеотропная отгонка или молекулярные сита. Фермент чувствует активность воды, а не её общее содержание: чтобы сохранять укладку, ему нужен связанный монослой влаги, и он работает при почти сухой объёмной фазе. Это окно — достаточно сухо, чтобы шла этерификация, достаточно влажно, чтобы белок жил, — и есть главная дисциплина ферментативной поликонденсации.

Механика липазы

У липаз каталитическая триада серин–гистидин–аспартат, работающая через ковалентный ацил-ферментный интермедиат, и они переносят органические среды, пока цела гидратная оболочка; физика здесь та же, что в катализе на гидрофобном сырье (см. ../industrial-enzymes-biocatalysis/ и ../biocatalysis-petrochemistry/). В раскрытии цикла лактон роль инициатора цепи играет вода или диол: число молекул инициатора, а не время реакции, фиксирует число цепей, а отношение мономера к инициатору — их среднюю длину. Именно такого контроля и хочет химик-полимерщик. Собственная селективность фермента добавляет то, чего не умеют металлические катализаторы: он различает энантиомерные мономеры и предпочитает одну сложноэфирную группу другой.

В чём предел

Цена — кинетическая и экономическая. Ферментативная полимеризация идёт часами и сутками; расплавная поликонденсация на металлических катализаторах завершается быстрее и добирает более высокие молекулярные массы, потому что в растущем вязком расплаве субстраты фермента еле двигаются, и потолком становится массоперенос. Стандартное смягчение — иммобилизованная на носителе липаза, покупающая повторное использование ценой части активности. А покупает медленный путь то, чего металлы оставить не могут: полимер без остатков олова, сурьмы или титана — там, где он пойдёт в медицину и косметику, — околокомнатную температуру и регио- и энантиоселективность, недоступную обычной поликонденсации в принципе. Обмен производительности на чистоту — разумный ровно там, где чистота и есть продукт.