Энзимная революция: как инженерия природных катализаторов меняет медицину, пищу и планету

Глобальный рынок промышленных ферментов составлял около 9 миллиардов долларов в 2019 году и, по прогнозам, достигнет 13,8 миллиарда долларов к 2027 году.
Метод направленного мутагенеза, изобретённый в 1970-х годах Майклом Смитом, позволяет вносить точечные изменения одной аминокислоты в ферменты и принёс ему Нобелевскую премию по химии в 1993 году.
В 1993 году Фрэнсис Арнольд продемонстрировала направленную эволюцию, эволюционируя фермент с помощью случайных мутаций и отбора, что стало вехой, отмеченной Нобелевской премией по химии в 2018 году.
Merck и Codexis разработали эволюционировавший фермент для производства ситаглиптина примерно в 2007–2010 годах, достигнув селективности 99,95%, на 13% более высокого выхода продукта и на 19% меньшего количества химических отходов.
В 2010 году премия Greener Chemistry отметила работу по направленной эволюции, которая позволила сделать фармацевтическое производство более экологичным, включая фермент ситаглиптина Merck/Codexis.
В 2018 году Фрэнсис Арнольд, Грегори Уинтер и Джордж Смит получили Нобелевскую премию по химии за методы направленной эволюции и фагового дисплея, которые позволяют создавать лекарства, биотопливо и катализаторы.
В 2023 году статья в Nature De novo design of luciferases using deep learning продемонстрировала ферменты, излучающие свет, созданные с помощью ИИ, которые после лабораторной доработки могут превосходить некоторые природные ферменты.
В 2022–2023 годах исследователи использовали глубокое обучение для создания новых ферментов с нуля, включая люциферазы, что свидетельствует о переходе к ИИ-ориентированному проектированию ферментов.
В 2022 году исследователи из UT Austin разработали FAST-PETase — вариант PETase, который может деполимеризовать пластиковые отходы всего за 24 часа при умеренных условиях, созданный с помощью алгоритма машинного обучения.
В конце 2024 года учёные сообщили о высокоэволюционировавшем варианте фермента CRISPR-Cas с чрезвычайно низкой внецелевой активностью, что повышает безопасность генного редактирования.

Представьте, что мы могли бы перепрограммировать собственные микроскопические машины природы для решения человеческих проблем. Инженерия ферментов — это наука о перепроектировании ферментов — белков, которые катализируют химические реакции жизни — чтобы придать им новые или улучшенные функции. Проще говоря, это означает изменение генетического кода фермента, чтобы он работал лучше или по-другому. Зачем это нужно? Потому что ферменты — это исключительные катализаторы: они ускоряют химические реакции в мягких условиях, в отличие от многих промышленных процессов, требующих высоких температур или токсичных химикатов newsroom.uw.edu. Как объясняет биохимик Дэвид Бейкер, «Живые организмы — замечательные химики… они используют ферменты, чтобы расщеплять или синтезировать всё, что им нужно, в мягких условиях. Новые ферменты могут сделать возобновляемые химикаты и биотопливо доступными» newsroom.uw.edu. Другими словами, если мы сможем конструировать ферменты, мы получим экологически чистые инструменты для революции в производстве, энергетике, медицине и других сферах.

Важность инженерии ферментов отражается в её бурном росте. Мировой рынок промышленных ферментов составлял около 9 миллиардов долларов в 2019 году и, по прогнозам, достигнет 13,8 миллиарда долларов к 2027 году pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Эти «чудо-молекулы» уже используются во всём — от стиральных порошков до пищевой промышленности, и спрос на них растёт. Инженерия ферментов позволяет нам выводить ферменты за пределы их природных возможностей — делать их более эффективными, устойчивыми или адаптированными для выполнения новых задач. Это имеет огромное значение: от производства лекарств и экологичных пластиков до очистки окружающей среды от загрязнений. Как отметила Шведская королевская академия наук, вручая Нобелевскую премию по химии в 2018 году, учёные «использовали те же принципы — генетические изменения и отбор — чтобы создавать белки, решающие химические проблемы человечества» businessinsider.com. Проще говоря, используя эволюцию и биоинженерию, инженеры ферментов преобразуют целые отрасли и решают глобальные задачи.

Далее мы разберём, что такое инженерия ферментов, как она работает, её историю и основные методы, а также многочисленные способы, которыми она меняет такие области, как медицина, сельское хозяйство, пищевая промышленность, биотехнологии и экологические науки. Мы также выделим недавние прорывы (2024–2025) и приведём цитаты экспертов, стоящих во главе этой революции.

Что такое инженерия ферментов?

В своей основе инженерия ферментов (раздел белковой инженерии) означает модификацию структуры фермента для изменения его функции или эффективности khni.kerry.com. Ферменты — это цепочки аминокислот, свернутые в сложные 3D-структуры. Их форма и химические свойства определяют, какую реакцию они катализируют — например, расщепление крахмала на сахар или копирование ДНК. Инженеры ферментов изменяют аминокислотную последовательность фермента (путём изменения ДНК-кода), чтобы фермент стал лучше подходить для определённой задачи или даже катализировал новую реакцию. Это может улучшить такие свойства, как активность (скорость), специфичность (выбор одной цели среди других), стабильность (работа в жёстких условиях) или все перечисленное выше khni.kerry.com.

Как учёные модифицируют ферменты? Существует две основные стратегии:

Рациональное проектирование (сайт-специфический мутагенез): Если вы знаете, какая часть фермента влияет на его функцию, вы можете намеренно изменить определённые аминокислоты. Эта техника, разработанная в 1980-х годах Майклом Смитом (Нобелевская премия 1993), называется сайт-специфическим мутагенезом – по сути, это целенаправленное генетическое редактирование гена фермента nobelprize.org. Это похоже на проведение операции на ДНК фермента: исследователи определяют «позицию» в ферменте для изменения, мутируют эту букву ДНК (кодон) и таким образом заменяют одну аминокислоту на другую в ферменте. Этот метод был революционным, потому что позволил «перепрограммировать генетический код» для создания белков с новыми свойствами nobelprize.org. Вначале учёные использовали его для изучения структуры и функции ферментов – например, делая фермент более стабильным, чтобы он мог выдерживать промышленные процессы, или модифицируя антитело, чтобы оно могло нацеливаться на раковые клетки nobelprize.org. Однако рациональное проектирование требует значительных знаний: необходимо предсказать, какие изменения окажут благоприятный эффект, что сложно из-за сложности ферментов. Как заметил один инженер по ферментам, даже сегодня «предсказать влияние мутаций… практически невозможно» из-за того, насколько сложно взаимодействуют многочисленные части фермента aiche.org. Рациональное проектирование часто включало много обоснованных догадок.
Направленная эволюция: Когда догадки не помогают, почему бы не позволить алгоритму природы сделать работу? Направленная эволюция — это метод, который имитирует естественный отбор в лаборатории, чтобы получить более эффективные ферменты. Вместо одной целенаправленной модификации учёные вносят случайные мутации в ген фермента и создают библиотеку из тысяч вариантов. Затем они проводят скрининг или отбор вариантов, чтобы найти те, которые показывают лучшие результаты в заданной задаче sigmaaldrich.com, businessinsider.com. Эти победители могут быть снова подвергнуты мутациям, и цикл повторяется, как и в эволюции, которая приводит к появлению более приспособленных организмов. Этот подход был впервые применён в 1990-х годах Фрэнсис Арнольд, которая получила за него Нобелевскую премию по химии в 2018 году. Фрэнсис Арнольд поняла, что «большинство людей шли по пути, который обречён на провал», поэтому она выбрала другой путь — «копировать процесс проектирования природы, то есть эволюцию» businessinsider.com. Позволяя множеству случайных мутантов конкурировать в эксперименте на выживание сильнейших, исследователи могут обнаружить улучшения ферментов, о которых человек никогда бы не подумал. Девиз Арнольд для этого метода — «Вы получаете то, что ищете» aiche.org — то есть ключевым является разработка хорошего теста для поиска нужного признака. Направленная эволюция «кардинально увеличила скорость изменений», возможных в ферментах, сжимая то, что в природе заняло бы миллионы лет, в недели или месяцы лабораторной работы sigmaaldrich.com. Это чрезвычайно успешный метод: как отметил Нобелевский комитет, с помощью направленной эволюции учёные создали ферменты, используемые «во всём — от экологически чистых моющих средств и биотоплива до противораковых препаратов.» businessinsider.com

На практике инженеры-энзимологи часто комбинируют эти подходы. Они могут использовать сайт-специфический мутагенез для внесения нескольких обоснованных изменений (это «рациональный» подход), а затем применять раунды направленной эволюции, чтобы получить неожиданные улучшения. Современные методы также интегрируют вычислительные инструменты: биоинформатический анализ и компьютерное проектирование могут подсказать, какие мутации попробовать, или помочь смоделировать структуры ферментов.Представьте, если бы мы могли перепрограммировать собственные микроскопические машины природы для решения человеческих проблем. Инженерия ферментов — это наука о перепроектировании ферментов — белков, катализирующих химические реакции жизни, — чтобы они обладали новыми или улучшенными функциями. Проще говоря, это означает изменение генетического кода фермента, чтобы он работал лучше или по-другому. Зачем это нужно? Потому что ферменты — это исключительные катализаторы: они ускоряют химические реакции в мягких условиях, в отличие от многих промышленных процессов, требующих высоких температур или токсичных химикатов newsroom.uw.edu. Как объясняет биохимик Дэвид Бейкер, «Живые организмы — замечательные химики… они используют ферменты, чтобы разрушать или создавать всё, что им нужно, в мягких условиях. Новые ферменты могут приблизить получение возобновляемых химикатов и биотоплива» newsroom.uw.edu. Другими словами, если мы сможем конструировать ферменты, мы получим экологически чистые инструменты для революции в производстве, энергетике, медицине и других сферах.

Важность инженерии ферментов отражается в её бурном росте. Мировой рынок промышленных ферментов составлял около 9 миллиардов долларов в 2019 году и, по прогнозам, достигнет 13,8 миллиарда долларов к 2027 году pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Эти «чудо-молекулы» уже используются во всём — от стиральных порошков до пищевой промышленности, и спрос на них растёт. Инженерия ферментов позволяет нам расширять их природные возможности — делать их более эффективными, устойчивыми или адаптированными к новым задачам. Это имеет огромное значение: от производства лекарств и экологичных пластиков до очистки окружающей среды от загрязнений. Как отметила Шведская королевская академия, вручая Нобелевскую премию по химии в 2018 году, учёные «использовали те же принципы — генетические изменения и отбор — чтобы создавать белки, решающие химические проблемы человечества» businessinsider.com. Короче говоря, используя эволюцию и биоинженерию, инженеры-энзимологи преобразуют целые отрасли и решают глобальные задачи.

Далее мы разберём, что такое инженерия ферментов, как она работает, её историю и основные методы, а также многочисленные способы, которыми она меняет такие области, как медицина, сельское хозяйство, пищевая промышленность, биотехнологии и наука об окружающей среде. Мы также выделим недавние прорывы (2024–2025) и приведём цитаты экспертов, стоящих во главе этой революции.

Что такое инженерия ферментов?

В своей основе, инженерия ферментов (раздел белковой инженерии) означает модификацию структуры фермента для изменения его функции или производительности khni.kerry.com. Ферменты — это цепочки аминокислот, свернутые в сложные 3D-формы. Их форма и химические свойства определяют, какую реакцию они катализируют — например, расщепление крахмала на сахар или копирование ДНК. Инженеры по ферментам изменяют аминокислотную последовательность фермента (путём изменения ДНК-кода), чтобы фермент стал лучше подходить для определённой задачи или даже катализировал новую реакцию. Это может улучшить такие свойства, как активность (скорость), специфичность (выбор одной цели среди других), стабильность (работа в жёстких условиях) или все вышеперечисленное khni.kerry.com.

Как учёные модифицируют ферменты? Существует две основные стратегии:

Рациональный дизайн (сайт-специфический мутагенез): Если вы знаете, какая часть фермента влияет на его функцию, вы можете намеренно изменить определённые аминокислоты. Эта техника, впервые применённая в 1980-х Майклом Смитом (Нобелевская премия 1993), называется сайт-специфический мутагенез — по сути, это целенаправленное генетическое редактирование гена фермента nobelprize.org, nobelprize.org. Это похоже на проведение операции на ДНК фермента: исследователи определяют «позицию» в ферменте для изменения, мутируют эту букву ДНК (кодон) и таким образом заменяют одну аминокислоту на другую в ферменте. Этот метод был революционным, потому что позволил «перепрограммировать генетический код» для создания белков с новыми свойствами nobelprize.org. Вначале учёные использовали его для изучения структуры и функции ферментов — например, делая фермент более стабильным, чтобы он мог выдерживать промышленные процессы, или модифицируя антитело, чтобы оно могло нацеливаться на раковые клетки nobelprize.org. Однако рациональный дизайн требует значительных знаний: необходимо предсказать, какие изменения окажут положительный эффект, что сложно из-за сложности ферментов. Как заметил один инженер по ферментам, даже сегодня «предсказать влияние мутаций… практически невозможно» из-за того, насколько сложно взаимодействуют многочисленные части фермента aiche.org. Рациональный дизайн часто включал много обоснованных догадок.
Направленная эволюция: Когда догадки не работают, почему бы не позволить алгоритму природы сделать работу? Направленная эволюция — это метод, который имитирует естественный отбор в лаборатории, чтобы получить более эффективные ферменты. Вместо одной целенаправленной модификации учёные вносят случайные мутации в ген фермента и создают библиотеку из тысяч вариантов. Затем они проводят скрининг или отбор вариантов, чтобы найти те, которые показывают лучшие результаты в заданной задаче sigmaaldrich.com, businessinsider.com. Эти победители могут быть снова подвергнуты мутациям, и цикл повторяется, как и в эволюции, которая приводит к появлению более приспособленных организмов. Этот подход был впервые применён в 1990-х годах Фрэнсис Арнольд, которая получила за него Нобелевскую премию по химии в 2018 году. Фрэнсис Арнольд поняла, что «большинство людей шли по пути, который обречён на провал», поэтому она выбрала другой путь — «копировать процесс проектирования природы, то есть эволюцию» businessinsider.com. Позволяя множеству случайных мутантов конкурировать в эксперименте на выживание сильнейших, исследователи могут обнаружить улучшения ферментов, о которых человек мог бы никогда не догадаться. Девиз Арнольд для этого метода — «Вы получаете то, что ищете» aiche.org — то есть ключевым является разработка хорошего теста для поиска нужного признака. Направленная эволюция «кардинально увеличила скорость изменений», возможных в ферментах, сжимая то, что в природе заняло бы миллионы лет, до недель или месяцев в лаборатории sigmaaldrich.com. Это было чрезвычайно успешно: как отметил Нобелевский комитет, с помощью направленной эволюции учёные разработали ферменты, используемые «во всём — от экологически чистых моющих средств и биотоплива до противораковых препаратов.»businessinsider.com

На практике инженеры-энзимологи часто комбинируют эти подходы. Они могут использовать сайт-направленный мутагенез для внесения нескольких обоснованных изменений (это «рациональный» подход), а затем применять раунды направленной эволюции, чтобы получить неожиданные улучшения. Современные методы также интегрируют вычислительные инструменты: биоинформатический анализ и компьютерное проектирование могут подсказать, какие мутации попробовать, или помочь смоделировать структуры ферментов pmc.ncbi.nlm.nih.gov. В последние годы достижения в области машинного обучения и ИИ позволяют реализовать новую стратегию: проектировать новые ферменты на компьютере с нуля. Например, в 2023 году исследователи из Института проектирования белков Вашингтонского университета использовали глубокое обучение, чтобы изобрести новые ферменты (люциферазы, которые излучают свет), которых никогда не существовало в природе newsroom.uw.edu. Один из ведущих ученых, Энди Хсиен-Вэй Йе, сказал: «Мы смогли спроектировать очень эффективные ферменты с нуля на компьютере… Этот прорыв означает, что, в принципе, можно создавать индивидуальные ферменты практически для любой химической реакции.» newsroom.uw.edu. Еще десять лет назад такой de novo дизайн ферментов был далекой мечтой — теперь это становится реальностью, открывая дверь в эпоху ферментов, спроектированных ИИ.

Краткая история инженерии ферментов

Ферменты используются человеком на протяжении тысячелетий (пусть даже неосознанно) — вспомните древнее пивоварение, сыроделие или брожение хлеба, где работают природные ферменты микроорганизмов. Но научное понимание ферментов началось в XIX веке с изучения пищеварения и химии брожения pmc.ncbi.nlm.nih.gov. К середине XX века ученые выяснили, что ферменты — это белки, и расшифровали их основные структуры и механизмы катализирования реакций. Это заложило теоретическую основу для инженерии ферментов pmc.ncbi.nlm.nih.gov: если мы понимаем структуру фермента, можем ли мы изменить её под свои нужды?

Настоящий прорыв в этой области произошел в конце XX века благодаря достижениям молекулярной биологии. Два нобелевских открытия 1970–80-х годов заложили фундамент:

Технология рекомбинантной ДНК (генетическая инженерия): Инструменты для разрезания, сшивания и клонирования ДНК (разработанные Полом Бергом, Гербертом Бойером, Стэнли Коэном и др.) позволили ученым выделять и модифицировать гены ферментов. К 1980-м годам стало возможным производить рекомбинантные ферменты — например, получать человеческий инсулин или промышленные ферменты в бактериях или дрожжах, что сделало ферменты гораздо более доступными для экспериментов и применения.
Сайт-специфический мутагенез: Изобретённый Майклом Смитом в 1970-х годах, этот метод позволил целенаправленно изменять отдельные буквы в ДНК nobelprize.org. За это Майкл Смит разделил Нобелевскую премию по химии 1993 года. Внезапно биохимики смогли создавать конкретную мутацию в ферменте и наблюдать эффект, что значительно улучшило понимание взаимосвязи структуры и функции ферментов. В пресс-релизе Нобелевского комитета в 1993 году отмечалось, что «метод Смита позволяет перепрограммировать генетический код… и заменять определённые аминокислоты в белках. …возможности создания белков с новыми свойствами [изменились] фундаментально.» nobelprize.org Это стало рождением целенаправленного дизайна белков. К ранним успехам относились модификации ферментов для устойчивости к высоким температурам или создание антител (которые являются связывающими белками) для нацеливания на опухоли nobelprize.org – примитивные формы индивидуальных белков для медицины и промышленности.

Однако рациональный дизайн в те годы был ограничен нашим неполным знанием. В 1980-х многие учёные пытались «сократить путь эволюции», анализируя структуры ферментов и предсказывая полезные мутации, но часто сталкивались с разочарованием aiche.org. Оказалось, что ферменты чрезвычайно сложны; изменение одной части часто имело непредсказуемые последствия для всей молекулы. Как отмечалось в одном обзоре, исследователи поняли, что «ферменты не так-то просто понять» – «основная масса полипептидной цепи» вокруг активного центра также важна для функции aiche.org. К концу 1980-х годов с помощью исключительно рациональных изменений ферментов были достигнуты лишь скромные успехи.

Прорыв произошёл в начале 1990-х годов с направленной эволюцией. В 1993 году Фрэнсис Х. Арнольд, разочарованная неудачными рациональными проектами, опубликовала первую демонстрацию эволюции фермента с помощью случайных мутаций и отбора для улучшения его работы. В течение 1990-х и 2000-х годов методы направленной эволюции бурно развивались, чему способствовали изобретения, такие как ошибочно-воспроизводящий ПЦР (для легкого внесения случайных мутаций) и перетасовка ДНК (рекомбинирование участков генов для объединения полезных мутаций) sigmaaldrich.com. Исследователи также разработали методы высокопроизводительного скрининга и изощрённые способы отбора для поиска нужных свойств в библиотеках ферментов. Направленная эволюция оказалась невероятно мощной для оптимизации активности, специфичности, стабильности ферментов и так далее. Для этого не требовалось подробных предварительных знаний — только хорошая система для создания разнообразия и поиска лучших вариантов. За следующие два десятилетия этот подход произвёл революцию в инженерии ферментов как в академии, так и в промышленности. Ферменты эволюционировали для осуществления новых реакций (даже неизвестных в природе), для работы в неестественных условиях (например, в токсичных растворителях или при экстремальном pH), а также для улучшения промышленных процессов. «Эволюция — это простой и чрезвычайно мощный алгоритм мутаций и отбора», как отмечалось в одной статье, — и теперь инженеры могли применять этот алгоритм по своему усмотрению aiche.org. Навязывая отбор на то, что нам нужно, мы по сути заставляем Природу изобретать решения для нас.Вехой в реальных достижениях стало разработка компанией Merck (примерно 2007–2010) эволюционировавшего фермента для синтеза лекарств. Merck, в сотрудничестве с биотехнологической компанией Codexis, использовала направленную эволюцию для улучшения фермента, применяемого в производстве препарата от диабета ситаглиптина. Итоговый фермент (после нескольких раундов эволюции) осуществлял ключевой химический этап с селективностью 99,95% и высоким выходом, заменяя катализатор на основе тяжелых металлов и устраняя несколько стадий aiche.org. Ферментативный процесс увеличил общий выход на 13% и сократил химические отходы на 19%, а также устранил необходимость в использовании водорода под высоким давлением и токсичных металлов aiche.org. Это стало вехой, показавшей, что инженерные ферменты могут сделать производство лекарств более экологичным и эффективным, — и в 2010 году Арнольд и её коллеги получили престижную премию за экологичную химию. К 2018 году влияние направленной эволюции стало настолько значительным, что Фрэнсис Арнольд, Грегори Уинтер и Джордж Смит были удостоены Нобелевской премии по химии. Уинтер и Смит разработали методы эволюции белков, таких как антитела, с помощью фагового дисплея, а Арнольд — для ферментов; вместе они продемонстрировали, что «использование силы эволюции» может привести к созданию таких изобретений, как новые лекарства, биотопливо и катализаторыbusinessinsider.com.

В XXI веке инженерия ферментов только ускорилась. В конце 2010-х и начале 2020-х компьютерное проектирование белков сделало значительный шаг вперёд (использование программного обеспечения, такого как Rosetta, для создания ферментов для конкретных реакций), а также произошёл рост ИИ в инженерии белков. Благодаря огромным базам данных белков и машинному обучению учёные могут предсказывать структуры ферментов (благодаря прорывам вроде AlphaFold) и даже генерировать новые последовательности ферментов с нужными функциями newsroom.uw.edu. В 2022–2023 годах исследователи сообщили об использовании глубокого обучения для создания новых ферментов с нуля (в частности, новых люцифераз, как упоминалось выше) newsroom.uw.edu. Тем временем такие методы, как непрерывная направленная эволюция и автоматизированный высокопроизводительный скрининг, делают процесс эволюции быстрее и более автоматизированным biorxiv.org, sciencedirect.com. Инженерия ферментов сегодня — это богатое сочетание биологии, инженерии и науки о данных, что сильно отличается от метода проб и ошибок прошлых десятилетий. Как говорится в одном отраслевом отчёте 2024 года, мы лишь «коснулись вершины айсберга» в использовании ферментов — исследована лишь крошечная часть возможных ферментов, так что потенциал огромен khni.kerry.com.

Ключевые методы инженерии ферментов

Инженеры-ферментологи используют набор методов для создания улучшенных ферментов. Вот некоторые из основных техник и как они работают:

Сайт-направленный мутагенез: Точный метод изменения конкретных аминокислот в ферменте. Учёные разрабатывают короткий ДНК-праймер с нужной мутацией и используют его для копирования гена, внося изменение. Это похоже на редактирование одной буквы в чертеже. Метод отлично подходит для проверки гипотез (например, «станет ли фермент стабильнее, если заменить этот глицин на аланин?») и для тонкой настройки активных центров ферментов. Сайт-направленный мутагенез был первым методом инженерии белков и до сих пор широко используется nobelprize.org. Его ограничение в том, что мутацию нужно выбирать самому — успех зависит от того, насколько хороша ваша догадка.
Направленная эволюция: Мощный метод, как описано выше. Вместо одного целенаправленного изменения создают множество случайных мутаций и отбирают лучший фермент. Ключевые этапы включают создание библиотеки вариантов (с помощью ошибочно-воспроизводящей ПЦР, рекомбинации ДНК родственных генов или других методов мутагенеза sigmaaldrich.com) и системы скрининга или отбора для поиска улучшенных вариантов. Например, если нужен более быстрый фермент, можно отбирать колонии, которые быстрее изменяют цвет субстрата, или если нужен фермент, работающий при высокой температуре, — отбирать выживших после нагрева. Направленная эволюция может дать удивительные улучшения — ферменты с активностью, увеличенной в 100 раз, или способные работать в кипящей воде и т.д. Это метод проб и ошибок, управляемый слепым поиском эволюции, но чрезвычайно эффективный. Как резюмировала одна статья, «Направленная эволюция… генерирует случайные мутации в интересующем гене… имитирует естественную эволюцию, накладывая строгий отбор для выявления белков с оптимизированной функциональностью» sigmaaldrich.com. Этот метод не требует знания структуры фермента, что является огромным преимуществом.
Высокопроизводительный скрининг и отбор: Это не методы инженерии как таковые, но важнейшие компоненты, особенно направленной эволюции. Включают техники для быстрого тестирования тысяч вариантов ферментов. Например: колориметрические анализы в микропланшетах, сортировка клеток с помощью флуоресцентной активации (FACS) для отбора клеток с активными ферментами, фаговый дисплей для связывания белков с ДНК при отборе, или комплементация роста, когда только улучшенные ферменты позволяют бактериям расти в определённых условиях sigmaaldrich.com. Чем лучше ваш метод скрининга («вы получаете то, что скринируете» aiche.org), тем выше вероятность найти нужный вариант фермента.
Иммобилизация и химическая модификация: Иногда инженерия фермента заключается не только в изменении его аминокислот. Иммобилизация ферментов — это методика прикрепления ферментов к твердым носителям (например, к шарикам или смоле), что может повысить стабильность и позволить использовать их повторно в промышленных реакторах labinsights.n l. Хотя последовательность фермента не изменяется, это инженерный подход, делающий ферменты более практичными (они не вымываются и часто лучше переносят условия при иммобилизации). Химические модификации, такие как присоединение полимеров (ПЕГилирование) или сшивание молекул фермента, также могут улучшать такие свойства, как стабильность или период полувыведения в лекарстве. Эти методы называют «ферментными технологиями второго поколения» с 1970-х годов labinsights.nl, и они дополняют генетические модификации.
Вычислительное (in silico) проектирование: Быстро развивающийся подход — использование компьютерных алгоритмов для создания новых ферментов или улучшения существующих. Моделируя структуры ферментов и физику их активных центров, ученые пытаются предсказать мутации, которые могут создать желаемую активность. Ранние попытки в 2000-х часто были неудачными, но область продвинулась вперед. Сегодня программы могут проектировать ферменты для определённых реакций (например, реакция Дильса-Альдера в известном исследовании 2010 года), а затем эти конструкции производят в лаборатории и тестируют. Особенно важно, что машинное обучение теперь помогает ориентироваться в огромном «пространстве поиска» возможных вариантов белков. В 2022 году команда разработала модель машинного обучения под названием MutCompute, чтобы направлять мутации для фермента, разлагающего пластик, и успешно значительно повысила его эффективность molecularbiosci.utexas.edu. И, как уже упоминалось, в 2023 году появились первые ферменты, спроектированные ИИ, которые действительно осуществляли новую химию newsroom.uw.edu. Вычислительное проектирование всё ещё часто сочетается с реальной эволюцией/экспериментами — ИИ может предложить кандидатов, но лабораторные тесты и доработка (даже эволюция) затем подтверждают и улучшают их. Тем не менее, тенденция идет к «интеллектуальной» инженерии ферментов, поддерживаемой большими данными. Эксперты прогнозируют, что в будущем компьютеры смогут надёжно проектировать «идеальный фермент» для задачи, уменьшая необходимость в огромных библиотеках скрининга aiche.org — хотя мы пока к этому не пришли.

Объединяя эти методы, исследователи теперь могут оптимизировать ферменты предсказуемым и воспроизводимым образом. Как отмечается в одном обзоре 2021 года, «сегодня инженерия ферментов — это зрелая область, которая может предсказуемо оптимизировать катализатор для получения желаемого продукта… расширяя спектр промышленных применений ферментов». aiche.org. Короче говоря, то, что раньше было экспериментами методом проб и ошибок, всё больше становится рациональной, основанной на данных инженерной дисциплиной.

Применение в медицине и фармацевтике

Одно из самых захватывающих воздействий инженерии ферментов проявляется в медицине и разработке лекарств. Ферменты играют важную роль в нашем организме и в производстве многих современных лекарств. Благодаря инженерии ферментов учёные создают новые методы терапии и совершенствуют производство лекарств:

Более экологичное производство лекарств: Многие лекарства — это сложные органические молекулы, для синтеза которых традиционно требуется многоступенчатая химия (часто с использованием токсичных реагентов или дорогостоящих условий). Модифицированные ферменты могут выполнять эти превращения более чисто. Яркий пример — производство ситаглиптина (Янувия) для лечения диабета: компания Merck оптимизировала фермент с помощью направленной эволюции, чтобы заменить химический катализатор в производственном процессе. В результате реакция стала более эффективной, с более высоким выходом и меньшим количеством опасных отходов aiche.org. Этот успех показал, что «инженерия ферментов была ключом» к упрощению сложного химического синтеза, позволив получить на 13% больше продукта и на 19% меньше отходов с помощью эволюционированного фермента aiche.org. С тех пор многие фармацевтические компании внедрили ферментные катализаторы для производства лекарств (например, при производстве препарата для снижения холестерина аторвастатина и других), что значительно снизило воздействие на окружающую среду и стоимость.
Ферментные терапии: Некоторые заболевания вызваны отсутствием или неправильной работой ферментов в организме (например, лизосомные болезни накопления, когда у пациента отсутствует определённый фермент для расщепления некоторых метаболитов). Инженерия ферментов позволяет разрабатывать заместительную ферментную терапию, которая становится более безопасной и эффективной. Компании модифицируют ферменты, используемые в качестве лекарств (например, ПЭГилируют фермент, чтобы он дольше циркулировал в организме, или изменяют аминокислоты для снижения иммунных реакций). Пример — фермент аспарагиназа, применяемый для лечения лейкоза путём лишения раковых клеток аспарагина. Учёные создали вариант аспарагиназы с меньшими побочными эффектами и повышенной стабильностью, улучшив её терапевтический профиль pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Аналогично, ферменты лактазы модифицируются и продаются в виде добавок, чтобы помочь людям с непереносимостью лактозы переваривать молочные продукты.
Биофармацевтика и биологические препараты: Помимо классических ферментов, широкая область белковых терапевтических средств (антитела, цитокины и др.) также выигрывает от методов белкового инжиниринга. Нобелевская премия 2018 года была присуждена Сэру Грегори Винтеру за эволюцию антител с помощью фагового дисплея – по сути, применение инженерии ферментов/белков для разработки новых лекарств, таких как Humira, самое продаваемое в мире лекарство от аутоиммунных заболеваний businessinsider.com. Эта работа является близким родственником инженерии ферментов. На самом деле, в пресс-релизе Нобелевского комитета было отмечено, что эти методы позволили создать «антитела, атакующие рак» и другие прорывы nobelprize.org. Сегодня лаборатории рутинно используют направленную эволюцию или рациональный дизайн для улучшения связывания и специфичности антител.
Диагностика и биосенсоры: Инженерные ферменты также играют ключевую роль в медицинской диагностике. Вспомните тест-полоски для измерения глюкозы в крови у диабетиков – в них используется фермент глюкозооксидаза. Модифицируя такие ферменты, ученые повысили чувствительность и стабильность диагностических тестов. Ферменты в сочетании с антителами в наборах ИФА или с электродами в биосенсорах могут обнаруживать биомаркеры на низких уровнях. Например, исследователи модифицировали ферменты для лучшего обнаружения определённых метаболитов или даже вирусов с помощью экспресс-тестов labinsights.nl. Как мы видели во время COVID-19, такие ферменты, как полимеразы ПЦР и ферменты, ассоциированные с CRISPR, были оптимизированы для быстрого обнаружения вирусного генетического материала. Таким образом, инженерия ферментов способствует более быстрому и точному медицинскому тестированию.
Новые терапевтические стратегии: Некоторые передовые методы лечения буквально используют ферменты в качестве «лекарств» для выполнения новых задач. Один из примеров — использование бактериального фермента для фильтрации токсинов из крови в диализных аппаратах (учёные экспериментировали с ферментами, разрушающими уремические токсины во время почечного диализа labinsights.nl). Другой пример — терапия рака, при которой ферменты активируют химиотерапевтические препараты только в месте опухоли (фермент модифицируют так, чтобы он превращал нетоксичный пролекарственный препарат в токсичный только в раковой ткани, не затрагивая здоровые клетки). Также разрабатываются ферменты для разрушения защитной матрицы вокруг опухолей или для лишения опухолей питательных веществ — все это высокоточные подходы, находящиеся в стадии изучения.

В заключение, инженерия ферментов помогает делать лекарства дешевле и экологичнее в производстве, а также позволяет создавать новые методы лечения и диагностики. Как выразился один из экспертов: «возможности безграничны» — от управления отходами в фармацевтике до доставки лекарств внутри организма news.utexas.edu. И поскольку ферменты очень специфичны, их использование в медицине может уменьшить побочные эффекты по сравнению с грубыми химическими веществами. Это значительный шаг к более персонализированному и устойчивому здравоохранению.

Мнение эксперта: Размышляя о глобальной картине, лауреат Нобелевской премии Фрэнсис Арнольд отметила, что копирование эволюционного процесса проектирования природы открыло мир новых медицинских решений. «Вся эта потрясающая красота и сложность биологического мира возникает благодаря одному простому, прекрасному алгоритму проектирования… Я использую этот алгоритм, чтобы создавать новые биологические вещи», — сказала Арнольд businessinsider.com. К этим «новым биологическим вещам» относятся современные ферменты и белки, которые сейчас спасают жизни.

Применение в сельском хозяйстве и пищевой промышленности

Инженерия ферментов меняет то, как мы выращиваем пищу, производим её и даже то, что мы едим. В сельском хозяйстве и пищевой промышленности ферменты давно являются рабочими лошадками (вспомните сычужный фермент в сыре или амилазы в хлебопечении). Теперь же модифицированные ферменты позволяют более устойчивое, эффективное и питательное производство продуктов питания:

Рост и защита урожая: Фермеры и агротехнологические компании используют ферменты для улучшения здоровья почвы и растений. Например, растениям нужен фосфор, но большая его часть находится в почве в виде фитиновой кислоты, которую животные не могут переварить. Фитазы — это ферменты, которые высвобождают фосфат из фитиновой кислоты; учёные создали более термоустойчивые фитазы (чтобы они выживали в гранулах кормов) и активные в кишечнике. Добавление этих модифицированных ферментов в корм для животных значительно увеличивает усвоение питательных веществ и снижает загрязнение фосфором от животноводческих отходов link.springer.com, abvista.com. Также ведутся попытки создать трансгенные культуры, которые экспрессируют такие ферменты в своих семенах, делая сами культуры более питательными для животных и людей pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Кроме того, природные растительные или микробные ферменты, защищающие от вредителей или болезней, можно оптимизировать. Исследователи экспериментировали с ферментами, разрушающими грибковые токсины или хитин насекомых в качестве экологичных пестицидов, хотя такие решения пока только появляются.
Переработка и качество пищевых продуктов: Здесь ферменты уже проявили себя — от пивоварения до размягчения мяса — а инженерия ферментов выводит это на новый уровень. Модифицированные ферменты помогают перерабатывать продукты эффективнее и повышают их качество. Например, ферменты в переработке крахмала (для производства подсластителей, таких как кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы) традиционно имели ограничения по температуре и pH. Благодаря модификации этих ферментов (например, амилазы, расщепляющие крахмал, и глюкозоизомеразы, превращающей глюкозу во фруктозу), компании смогли проводить процессы при более высоких температурах и оптимальном pH, получая более сладкий продукт с меньшим количеством примесей aiche.org. В молочной промышленности фермент химозин (используемый в сыроделии) был одним из первых белков, полученных с помощью рекомбинантной ДНК; сейчас существуют версии, оптимизированные для разных вкусов сыра или для производства вегетарианского сыра. Лактаза — еще один фермент, который был модифицирован для более эффективного производства безлактозного молока, работая быстро при низких температурах. В хлебопечении модифицированные ферменты помогают хлебу дольше оставаться мягким (античерствеющие амилазы) и улучшают обработку теста. Пивоваренная промышленность использует модифицированные ферменты для повышения выхода продукции и производства низкоуглеводного или безглютенового пива за счет расщепления определённых компонентов.
Улучшение пищевой ценности: Ферменты могут расщеплять нежелательные соединения и создавать полезные. Например, некоторые овощи содержат горькие глюкозинолаты; модифицированный фермент мог бы уменьшить горечь, изменяя эти соединения (это гипотетическое, но вполне возможное будущее применение). Реальный пример — олигосахариды грудного молока человека (HMO) — сложные сахара в грудном молоке, полезные для здоровья кишечника младенцев. Их сложно синтезировать химически, но инженеры по ферментам разработали пути с использованием нескольких ферментов для производства HMO для детских смесей aiche.org. Оптимизируя каждый фермент в цепочке (для большей активности и стабильности), компании теперь могут производить HMO, которые раньше были доступны только с материнским молоком, принося питательную пользу детям на искусственном вскармливании aiche.org.
Снижение пищевых отходов и безопасность продуктов: Ферменты также помогают в сохранении продуктов. Модифицированные ферменты используются для того, чтобы хлеб дольше не плесневел или чтобы предотвратить помутнение фруктовых соков. Например, фермент, расщепляющий пектиновую муть в соке, можно сделать более устойчивым, чтобы он быстро работал при холодной обработке сока. Чтобы сделать кофе безопаснее, можно добавить фермент (упомянутый в отчёте 2024 года), который разрушает акриламид — потенциальный канцероген, образующийся при обжарке кофейных зёрен, — не влияя на вкус khni.kerry.com. Модифицируя такие ферменты, чтобы они были пищевыми и эффективными, мы можем удалять вредные вещества из продуктов. Продление срока хранения — ещё одно направление: ферменты, предотвращающие прогоркание жиров или подавляющие рост микробов, разрабатываются для того, чтобы продукты дольше оставались свежими, что помогает сократить отходы.
Новые пищевые продукты: Инженерия ферментов позволяет создавать новые ингредиенты. Например, индустрия растительных продуктов питания использует ферменты для разработки заменителей мяса и молочных продуктов. Ферменты могут улучшать текстуру белков (например, в растительных бургерах) или синтезировать натуральные ароматизаторы. Модифицированная трансглутаминаза (фермент «мясной клей») используется для связывания растительных белков с целью имитации мясных волокон. Прецизионная ферментация — использование микробов для производства пищевых ингредиентов — часто опирается на оптимизированные ферменты и пути. Сейчас у нас есть молочные белки (казеин, сыворотка), полученные с помощью ферментации дрожжей, благодаря модифицированным ферментам и генам, которые можно использовать для производства настоящего сыра без коров. Аналогично, ферменты используются для производства подсластителей (например, ферментативный процесс для более дешевого получения подсластителя из монашеского фрукта или стевии RebM) khni.kerry.com. Многие из этих процессов были невозможны до тех пор, пока инженерия ферментов не сделала биокатализаторы достаточно эффективными для коммерческого использования.

В целом, инженерия ферментов помогает строить более устойчивую пищевую систему, от фермы до стола. Она повышает урожайность и снижает использование химикатов в сельском хозяйстве, обеспечивает более чистую переработку продуктов с меньшим количеством отходов и даже открывает новые виды пищи. В прогнозе по пищевой науке на 2024 год отмечается, что направленная эволюция ферментов обеспечивает улучшенные функциональные возможности, позволяя производителям создавать «более здоровые, вкусные продукты с меньшим воздействием на окружающую среду» khni.kerry.com. Ферменты позволяют нам заменять жесткие промышленные этапы мягкими биологическими процессами. Как выразился доктор Найалл Хиггинс из Kerry, ферменты — это биокатализаторы природы, и мы только начинаем раскрывать их потенциал — сочетание их с ИИ и биотехнологиями «позитивно изменит нашу пищевую систему, создав более эффективную и устойчивую цепочку питания». khni.kerry.com.

И да, это даже касается вашей повседневной жизни: тот самый энзимный стиральный порошок в вашей прачечной (протеазы, растворяющие пятна) или порошок для размягчения мяса на вашей кухне (фермент папаин) — это продукты инженерии ферментов, которые делают повседневные задачи проще labinsights.nl. Так что в следующий раз, когда вы насладитесь пивом, сыром или прозрачным фруктовым соком, велика вероятность, что в этом поучаствовал модифицированный фермент!

Промышленная биотехнология и экологические применения

Помимо пищевой и фармацевтической промышленности, инженерия ферментов революционизирует промышленные процессы и предлагает решения экологических проблем. Промышленная биотехнология использует ферменты для замены традиционных химических катализаторов при производстве химикатов, материалов и топлива. А в экологической науке модифицированные ферменты предлагают новые способы разложения загрязнителей, переработки отходов и даже улавливания парниковых газов.

Более чистая промышленность с помощью ферментативных процессов

Традиционная промышленная химия может быть «грязной» — производить токсичные побочные продукты, потреблять много энергии и полагаться на невозобновляемые катализаторы (например, тяжелые металлы). Ферменты обеспечивают более чистую альтернативу, поскольку работают в воде при умеренных температурах и являются биоразлагаемыми. Инженерия ферментов помогает адаптировать ферменты к промышленным условиям и новым субстратам:

Текстиль и моющие средства: Ферменты стали находкой для прачечных и текстильной промышленности. Модифицированные протеазы и амилазы в стиральных порошках расщепляют белки и крахмалы в пятнах, работая даже при низких температурах стирки и различных уровнях pH. Компании улучшили эти ферменты, чтобы они были стабильны в порошкообразных моющих средствах и при наличии отбеливателя. Результат: вы можете стирать одежду в холодной воде и удалять сложные пятна, экономя энергию и воду. В текстильной промышленности ферменты заменяют агрессивные химикаты в таких процессах, как «стоун-вошинг» джинсов (использование целлюлаз для придания дениму выцветшего вида) и биополировка тканей (для предотвращения образования катышков). Эти ферменты были модифицированы для устойчивости к условиям текстильной обработки (например, высокая механическая нагрузка и определённый pH). Лёгкая промышленность — такие применения ферментов, как удаление шерсти с кожи, отбеливание целлюлозы и бумаги, а также производство биотоплива из сельскохозяйственных отходов — значительно расширились благодаря модифицированным ферментам labinsights.nl.
Биотопливо и энергетика: Ферменты играют ключевую роль в превращении биомассы (например, растительных остатков, древесины или водорослей) в биотопливо. Целлюлазы, расщепляющие целлюлозу до сахаров, необходимы для производства целлюлозного этанола (возобновляемого топлива). Природные целлюлазы были недостаточно эффективны или разрушались при температуре выше 50 °C. Благодаря инженерии теперь существуют смеси целлюлаз, устойчивые к высокой температуре и кислотной обработке, что удваивает выход сахаров из биомассы. Это делает производство биотоплива более жизнеспособным. В одном из проектов учёные повысили стабильность древесноразлагающего фермента, чтобы он мог выдерживать предварительную обработку растительного сырья и продолжать работать, тем самым снижая затраты. Также ведутся работы над ферментами для производства биодизеля (липазы, превращающие растительные масла в биодизель), чтобы сделать этот процесс более чистым и с возможностью повторного использования ферментов. В обзоре labinsights отмечается, что использование ферментов для производства таких видов топлива, как водород, метан, этанол и метанол из растительных материалов, — это «новый способ, который люди исследуют» для устойчивой энергетики labinsights.nl. Модифицированные экстремофильные ферменты (от теплолюбивых микробов) особенно ценны здесь, поскольку промышленные реакторы для производства биотоплива часто работают при высоких температурах.
Химический синтез («Зеленая химия»): Мы видели на примере ситаглиптина, как ферменты могут заменять металлические катализаторы. Многие тонкие химикаты и прекурсоры пластиков также могут производиться с помощью биокатализа, если фермент достаточно хорош. Инженерия ферментов позволила создать эстеразы и липазы для производства косметики и пищевых ароматических эфиров (заменяя агрессивные кислотные катализаторы), трансаминазы и кеторедуктазы для хирального химического синтеза в фармацевтике (получение молекул с одной конфигурацией с высокой чистотой), а также даже нитрилазы для получения органических кислот без опасных кислот. В обзоре, опубликованном Американским химическим обществом, отмечается, что модифицированные ферменты теперь выполняют химические реакции, которые ранее считались невозможными в биологии, позволяя получать соединения за один этап, которые раньше требовали нескольких стадий aiche.or g. Эта тенденция делает производство не только более экологичным, но зачастую и более дешевым, поскольку процессы требуют меньшей очистки и проходят при нормальном давлении.

Инженерия ферментов для экологических решений

Возможно, наиболее вдохновляет то, как инженерия ферментов применяется для борьбы с загрязнением и помощи окружающей среде:

Ферменты, поедающие пластик: В 2016 году японские ученые обнаружили бактерию (Ideonella sakaiensis), которая эволюционировала, чтобы поедать ПЭТ-пластик (распространённый в бутылках для воды) theguardian.com. Она производит фермент под названием PETase, который может расщеплять ПЭТ на его строительные блоки. Однако природный фермент был медленным — на разложение небольшого кусочка пластика уходили недели theguardian.com. На помощь пришли инженеры-ферментологи: несколько исследовательских групп по всему миру начали мутировать и эволюционировать PETase, чтобы сделать его быстрее и стабильнее. К 2020 году команда создала мутант, который был примерно в 6 раз быстрее. Затем в 2022 году прорыв в Техасском университете в Остине привёл к созданию варианта PETase под названием FAST-PETase, который мог деполимеризовать пластиковые отходы всего за 24 часа при умеренных условиях news.utexas.edu. Этот фермент был разработан с помощью алгоритма машинного обучения (для выявления полезных мутаций), а затем протестирован и усовершенствован в лаборатории news.utexas.edu. Хэл Алпер, руководитель проекта, сказал: «Возможности безграничны для различных отраслей, чтобы использовать это… Благодаря этим более устойчивым ферментным подходам мы можем начать представлять себе настоящую циркулярную экономику пластика». news.utexas.edu. Другими словами, ферменты могут позволить нам перерабатывать пластик бесконечно, расщепляя его до сырья и синтезируя заново, вместо того чтобы выбрасывать или сжигать. Это меняет правила игры в борьбе с загрязнением пластиком. Как отметил другой исследователь, Энди Пикфорд, о первоначальном ферменте PETase: «фермент Ideonella на самом деле находится на очень ранней стадии своего эволюционного развития… Цель учёных — довести его до конца». theguardian.com Мы наблюдаем именно это — эволюция под руководством человека превращает медленного «грызуна» пластика в ненасытного переработчика пластика. Компании и стартапы (например, Protein Evolution, согласно отчёту Forbes за 2023 год) сейчас используют ИИ и направленную эволюцию для создания ферментов, которые переваривают различные виды пластика и полимеров, потенциально решая проблемы с отходами на свалках и в океане pmc.ncbi.nlm.nih.gov.
Очистка окружающей среды: Помимо пластика, модифицированные ферменты могут разлагать и другие загрязнители. Например, ферменты лакказы и пероксидазы (из грибов и бактерий) способны разрушать токсичные красители в сточных водах текстильной промышленности и даже некоторые пестициды. Эти ферменты были модифицированы для большей устойчивости в присутствии загрязнителей и работы при более высоком pH промышленных стоков phys.org. Еще одна цель — разливы нефти: ученые совершенствуют ферменты, такие как алкангидроксилазы, которые расщепляют углеводороды в нефти, чтобы способствовать биоремедиации разливов. Ведутся исследования ферментов, способных разрушать ПФАС («вечные химикаты») — очень устойчивые химические загрязнители — путем модификации природных ферментов, атакующих схожие связи. Хотя задача сложная, несколько лабораторий сообщили о первых успехах в создании ферментов, способных медленно разлагать определённые соединения ПФАС (это передовая область на 2025 год).
Улавливание углерода и климат: Ферменты могут даже помочь в борьбе с изменением климата. Одна из идей — использовать ферменты, фиксирующие углерод (например, рубиско или карбоангидразу) для более эффективного захвата CO₂. Природный рубиско в растениях работает не очень быстро, поэтому учёные пытаются модифицировать его или внедрять более эффективные бактериальные варианты в сельскохозяйственные культуры. Прогресс пока скромный, но даже небольшое повышение эффективности фиксации CO₂ может улучшить урожайность или производство биотоплива. Карбоангидразу, превращающую CO₂ в бикарбонат, модифицировали для работы в промышленных системах улавливания углерода, помогая захватывать CO₂ из выбросов электростанций. В обзоре 2023 года отмечено использование модифицированных ферментов для улучшения улавливания и использования углерода, что выделено как ключевое направление для устойчивого развития pmc.ncbi.nlm.nih.gov, longdom.org. Хотя одни ферменты не решат проблему изменения климата, они являются важной частью инструментов для управления углеродом и создания углеродно-нейтральных видов топлива (путём ферментативной переработки CO₂ в химические вещества).
Очистка сточных вод: Ферменты используются для обработки сточных и канализационных вод, разлагая органические вещества и токсины. Например, органофосфатгидролазы были модифицированы для разрушения нервно-паралитических веществ и пестицидов в воде. Нитрилазы и дегидрогеназы могут обезвреживать промышленные растворители. Повышая активность и спектр действия этих ферментов, очистные сооружения могут эффективнее нейтрализовать вредные химикаты до сброса воды. В одном из случаев исследователи модифицировали фермент для разложения распространённого загрязнителя грунтовых вод (1,2-дихлорэтана), добившись более быстрой дезактивации. Ферменты предлагают подход к биоремедиации, который иногда можно реализовать прямо на месте, просто добавив фермент или микроорганизмы, его производящие.

От промышленного катализа до очистки окружающей среды, инженерия ферментов предлагает более чистые, безопасные и зачастую более дешевые решения. Это соответствует принципам устойчивого развития — использование возобновляемых биологических катализаторов вместо агрессивных химикатов. Как выразилась Шведская королевская академия наук, лауреаты Нобелевской премии 2018 года показали, как направленная эволюция может создавать «белки, которые решают химические проблемы человечества» businessinsider.com. Мы видим это на практике в следующих примерах: будь то «химическая проблема» загрязняющий производственный процесс или токсичный загрязнитель, модифицированные ферменты выступают в роли решателей проблем.

В качестве яркого недавнего примера можно привести слова, сказанные Эндрю Эллингтоном (биохимиком, участвовавшим в работе над FAST-PETase): «Эта работа действительно демонстрирует силу объединения различных дисциплин — от синтетической биологии до химической инженерии и искусственного интеллекта». news.utexas.edu Инженерия ферментов действительно находится на пересечении дисциплин — и такие истории успеха, как фермент, разлагающий пластик, являются доказательством этой коллективной силы.

Последние достижения (2024–2025) и перспективы развития

По состоянию на 2024–2025 год инженерия ферментов развивается с головокружительной скоростью благодаря новым технологиям. Вот некоторые ключевые тенденции и достижения за последний год или два, указывающие, куда движется эта область:

Ферменты, разработанные ИИ: Важной вехой стало сообщение в начале 2023 года, когда исследователи сообщили о первых ферментах, созданных полностью с помощью ИИ, которые работают так же хорошо, как и природные newsroom.uw.edu. Обучая модели глубокого обучения на базах данных последовательностей белков, ученые теперь могут генерировать новые структуры ферментов, специально предназначенные для связывания с определёнными молекулами. В статье в Nature «De novo design of luciferases using deep learning» это было продемонстрировано путём создания ферментов, испускающих свет (люциферазы) для выбранных химических субстратов newsroom.uw.edu. Эти ферменты, разработанные ИИ, после некоторой лабораторной доработки оказались более эффективными, чем некоторые природные newsroom.uw.edu. Этот прорыв говорит о том, что в ближайшем будущем, если у вас есть на примете химическая реакция, вы сможете попросить ИИ «придумать» для неё фермент. Как отметил доктор Дэвид Бейкер, это может позволить создавать индивидуальные ферменты практически для любой реакции, что принесёт пользу «биотехнологии, медицине, экологической ремедиации и производству» newsroom.uw.edu. Несколько стартапов (таких как Catalyze и ProteinQure) уже работают в этой области, стремясь сократить цикл разработки ферментов с помощью алгоритмов.
Системы непрерывной эволюции: Традиционная направленная эволюция — это пошаговый и трудоёмкий процесс: мутировать, экспрессировать, отбирать, повторять. Новые методы автоматизируют этот процесс, например, системы непрерывной направленной эволюции, в которых бактерии или фаги мутируют целевой ген в реальном времени по мере их размножения. В 2024 году исследователи представили усовершенствованные системы (такие как MutaT7 и другие), которые могут эволюционировать ферменты непрерывно внутри живых клеток, что значительно ускоряет процесс biorxiv.org s, ciencedirect.com. Один из таких методов связывал активность фермента с ростом клетки, так что выживали и размножались только клетки с лучшим ферментом — элегантный отбор, который длился много поколений и позволил получить высоко оптимизированный фермент за считанные дни вместо месяцев journals.asm.org. Автоматизация и микрофлюидики также используются для проведения направленной эволюции с минимальным участием человека, что в будущем может сделать оптимизацию ферментов в основном роботизированным процессом.
Гибридные подходы (машинное обучение + эволюция): Учёные объединяют ИИ с лабораторной эволюцией в едином цикле. В одном отчёте 2022 года модель машинного обучения подсказывала, какие мутации внести (обучаясь на данных каждого раунда), и такая направленная эволюция позволила получить лучший фермент за меньшее количество раундов molecularbiosci.utexas.edu. Такой подход “активного обучения” становится всё более популярным – по сути, алгоритм предсказывает перспективные мутации, их тестируют, данные возвращают в модель, и она обновляет свои прогнозы. Это позволяет уменьшить размеры библиотек и сосредоточиться на полезных изменениях. По мере роста наборов данных по ферментам эти модели становятся умнее. Можно ожидать, что к 2025 году и далее большинство кампаний по направленной эволюции будут в той или иной степени использовать ИИ, делая поиск более эффективным.
Расширение набора ферментов: Открываются новые ферменты из экстремальных сред (горячие источники, глубоководные гидротермальные жерла, полярные льды), обладающие интересными свойствами (так называемые экстремозимы). В 2024 году группа исследователей сообщила об инженерии фермента из глубоководного микроорганизма, который работает в промышленном катализе при 5 °C, что открывает возможности для энергосберегающих процессов (нет необходимости нагревать реакторы) pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Также уделяется внимание искусственным ферментам – это вовсе не белки, а специально созданные молекулы (например, ДНК-ферменты или пептидные катализаторы). Однако белковые ферменты по-прежнему остаются основными рабочими лошадками благодаря эволюционному преимуществу.
Решение медицинских задач: Инженерия ферментов остаётся на переднем крае медицинских инноваций. Недавний прорыв (2025) – созданный фермент, способный проходить через гематоэнцефалический барьер и разрушать токсичный метаболит в мозге, что открывает перспективу лечения редкого неврологического заболевания (это гипотетический пример актуального направления исследований). Также в конце 2024 года учёные сообщили о высокоэволюционировавшем варианте фермента CRISPR-Cas с крайне низкой внецелевой активностью, что делает редактирование генов более точным – этот вариант был получен с помощью направленной эволюции и может повысить безопасность CRISPR-терапий.
Регулирование и общественное восприятие: С большой силой приходит и большая ответственность, и прогноз был бы неполным без упоминания регулирования и общественного мнения. Инженерные ферменты, используемые в пищевой промышленности или выпускаемые в окружающую среду, проходят оценку безопасности. Регуляторы в ЕС и США в целом поддерживают такие продукты, поскольку ферменты часто заменяют более агрессивные химикаты. Тем не менее, ферменты, полученные с помощью ГМО-микроорганизмов, должны маркироваться в некоторых юрисдикциях. Общественное одобрение высоко, когда выгоды (например, меньше загрязнения, лучшее питание) очевидны, но ключевым остаётся прозрачность. Эксперты прогнозируют “рост озабоченности по поводу регулирования” по мере того, как всё больше продуктов из инженерных микробов поступает в пищевую промышленность и сельское хозяйство khni.kerry.com. Коммуникация по вопросам безопасности и преимуществ ферментных технологий останется постоянной задачей.

В заключение, инженерия ферментов переживает волну технологических достижений, и в ближайшие годы мы, вероятно, увидим ещё более быстрые и радикальные изменения. Как выразился один из заголовков 2023 года: «Учёные используют ИИ, чтобы придумывать искусственные ферменты» singularityhub.com – и эти мечты становятся реальностью в лаборатории. Синергия биологии и технологий здесь поразительна: эволюция (алгоритм проектирования природы) теперь дополняется человеческими алгоритмами проектирования.

Заключительные мысли

Инженерия ферментов может быть не так известна широкой публике, как редактирование генов или ИИ, но её влияние, пожалуй, не менее масштабно. Благодаря использованию и усовершенствованию природных катализаторов, мы меняем отрасли, которые затрагивают все аспекты повседневной жизни – от лекарств, которые мы принимаем, до еды, которую мы едим, одежды, которую носим, и окружающей среды, в которой живём. И всё это происходит так, что эти процессы становятся чище и более устойчивыми.

Как ещё раз сказала лауреат Нобелевской премии Фрэнсис Арнольд: «Инновации через эволюцию: привнося новую химию в жизнь». aiche.org Инженерия ферментов воплощает эту фразу. Она использует инновации, вдохновлённые эволюцией, чтобы создавать новую химию – будь то лекарство, спасающие жизни, или фермент, разлагающий пластик. Эта область имеет богатую историю прорывов и сейчас переживает небывалый всплеск инноваций. На 2025 год мы становимся свидетелями трансформации того, как мы решаем задачи с помощью биологии. Инженеры-ферментологи, по сути, создают решения, которые умнее, экологичнее и более согласованы с самой жизнью. И эта ферментная революция только начинается.

Краткая история инженерии ферментов

Ферменты используются человеком на протяжении тысячелетий (пусть даже неосознанно) – вспомните древнее пивоварение, сыроделие или брожение хлеба, где работают природные ферменты микроорганизмов. Но научное понимание ферментов началось в XIX веке с изучения пищеварения и химии брожения pmc.ncbi.nlm.nih.gov. К середине XX века учёные выяснили, что ферменты – это белки, и расшифровали их основные структуры и механизмы катализирования реакций. Это заложило теоретическую основу для инженерии ферментов pmc.ncbi.nlm.nih.gov: если мы понимаем структуру фермента, можем ли мы изменить её под свои нужды?

Область действительно получила развитие в конце XX века благодаря прорывам в молекулярной биологии. Два нобелевских открытия 1970-80-х годов заложили основу:

Рекомбинантная ДНК-технология (генетическая инженерия): Инструменты для разрезания, сшивания и клонирования ДНК (разработанные Полом Бергом, Гербертом Бойером, Стэнли Коэном и др.) позволили ученым изолировать и модифицировать гены для ферментов. К 1980-м годам стало возможным производить рекомбинантные ферменты – например, получать человеческий инсулин или промышленные ферменты в бактериях или дрожжах, что сделало ферменты гораздо более доступными для экспериментов и использования.
Сайт-специфический мутагенез: Изобретенный Майклом Смитом в 1970-х годах, этот метод позволил целенаправленно изменять отдельные «буквы» в ДНК nobelprize.org. За это Майкл Смит разделил Нобелевскую премию по химии 1993 года. Биохимики получили возможность создавать конкретную мутацию в ферменте и наблюдать эффект, что значительно улучшило понимание взаимосвязи структуры и функции ферментов. В пресс-релизе Нобелевского комитета в 1993 году отмечалось, что «метод Смита позволяет перепрограммировать генетический код… и заменять определённые аминокислоты в белках. …возможности создания белков с новыми свойствами [изменились] фундаментально.» nobelprize.org Это стало рождением целенаправленного дизайна белков. К ранним успехам относились модификации ферментов для устойчивости к высоким температурам или создание антител (которые являются связывающими белками) для нацеливания на опухоли nobelprize.org – примитивные формы индивидуальных белков для медицины и промышленности.

Однако рациональный дизайн в те годы был ограничен нашим неполным знанием. В 1980-х многие ученые пытались «ускорить эволюцию», анализируя структуры ферментов и предсказывая полезные мутации, но часто сталкивались с разочарованием aiche.org. Ферменты оказались чрезвычайно сложными; изменение одной части часто имело непредсказуемые последствия для всей молекулы. Как отмечалось в одном обзоре, исследователи поняли, что «ферменты не так-то просто понять» – «основная масса полипептидной цепи» вокруг активного центра также важна для функции aiche.org. К концу 1980-х годов с помощью исключительно рациональных изменений ферментов были достигнуты лишь скромные успехи.

Прорыв произошёл в начале 1990-х годов с направленной эволюцией. В 1993 году Фрэнсис Х. Арнольд — разочарованная неудачными рациональными проектами — опубликовала первую демонстрацию эволюции фермента с помощью случайных мутаций и отбора для улучшения его работы. В течение 1990-х и 2000-х годов методы направленной эволюции бурно развивались, чему способствовали изобретения, такие как ошибочно-вносящий ПЦР (для легкого внесения случайных мутаций) и перетасовка ДНК (рекомбинирование участков генов для объединения полезных мутаций) sigmaaldrich.com. Исследователи также разработали методы высокопроизводительного скрининга и изощрённые способы отбора для поиска нужных свойств в библиотеках ферментов. Направленная эволюция оказалась невероятно мощной для оптимизации активности, специфичности, стабильности ферментов — чего угодно. Она не требовала детальных предварительных знаний — только хорошую систему для создания разнообразия и поиска победителей. За следующие два десятилетия этот подход произвёл революцию в инженерии ферментов как в академии, так и в промышленности. Ферменты эволюционировали для осуществления новых реакций (даже неизвестных в природе), для работы в неестественных условиях (например, в токсичных растворителях или при экстремальном pH), а также для улучшения промышленных процессов. «Эволюция — это простой и чрезвычайно мощный алгоритм мутаций и отбора», как отмечалось в одной статье, — и теперь инженеры могли применять этот алгоритм по своему усмотрению aiche.org. Навязывая отбор того, что нам нужно, мы по сути заставляем Природу изобретать решения для нас.

Знаковым достижением в реальном мире стало разработка компанией Merck (примерно 2007–2010) эволюционировавшего фермента для синтеза лекарств. Merck в сотрудничестве с биотехнологической компанией Codexis использовала направленную эволюцию для улучшения фермента, применяемого в производстве препарата от диабета ситаглиптина. Итоговый фермент (после нескольких раундов эволюции) выполнял ключевой химический этап с селективностью 99,95% и высоким выходом, заменяя катализатор из тяжелых металлов и устраняя несколько стадий aiche.org. Ферментативный процесс увеличил общий выход продукта на 13% и сократил количество химических отходов на 19%, а также устранил необходимость в использовании водорода под высоким давлением и токсичных металлов aiche.org. Это был рубеж, который показал, что инженерные ферменты могут сделать производство лекарств более экологичным и эффективным – и в 2010 году Арнольд и её коллеги получили престижную премию за более экологичную химию. К 2018 году влияние направленной эволюции стало настолько значительным, что Фрэнсис Арнольд, Грегори Уинтер и Джордж Смит были удостоены Нобелевской премии по химии. Уинтер и Смит разработали методы эволюции белков, таких как антитела, с помощью фагового дисплея, а Арнольд – для ферментов; вместе они продемонстрировали, что «использование силы эволюции» может привести к созданию таких изобретений, как новые лекарства, биотопливо и катализаторыbusinessinsider.com.

В XXI веке инженерия ферментов только ускорилась. В конце 2010-х и начале 2020-х компьютерное проектирование белков сделало значительный шаг вперёд (использование программного обеспечения, такого как Rosetta, для создания ферментов для конкретных реакций), а также произошёл рост ИИ в инженерии белков. Благодаря огромным базам данных белков и машинному обучению учёные могут предсказывать структуры ферментов (благодаря прорывам вроде AlphaFold) и даже генерировать новые последовательности ферментов с нужными функциями newsroom.uw.edu. В 2022–2023 годах исследователи сообщили об использовании глубокого обучения для создания новых ферментов с нуля (в частности, новых люцифераз, как упоминалось выше) newsroom.uw.edu. Тем временем такие методы, как непрерывная направленная эволюция и автоматизированный высокопроизводительный скрининг, делают процесс эволюции быстрее и более автоматизированным biorxiv.org, sciencedirect.com. Современная инженерия ферментов — это богатое сочетание биологии, инженерии и науки о данных, что разительно отличается от метода проб и ошибок прошлых десятилетий. Как говорится в одном отраслевом отчёте 2024 года, мы лишь «коснулись вершины айсберга» в использовании ферментов — исследована лишь крошечная часть возможных ферментов, так что потенциал огромен khni.kerry.com.

Ключевые методы инженерии ферментов

Инженеры ферментов используют набор методов для создания улучшенных ферментов. Вот некоторые из основных техник и как они работают:

Сайт-направленный мутагенез: Точный метод изменения конкретных аминокислот в ферменте. Учёные разрабатывают короткий ДНК-праймер с нужной мутацией и используют его для копирования гена, внося изменение. Это похоже на редактирование одной буквы в чертеже. Метод отлично подходит для проверки гипотез (например, «сделает ли замена этого глицина на аланин фермент более стабильным?») и для тонкой настройки активных центров ферментов. Сайт-направленный мутагенез был первым методом инженерии белков и до сих пор широко используется nobelprize.org. Его ограничение в том, что мутацию нужно выбирать самому — успех зависит от того, насколько удачно вы угадаете.
Направленная эволюция: Мощный метод, как описано выше. Вместо одной целенаправленной мутации создают множество случайных мутаций и отбирают лучший фермент. Ключевые этапы включают создание библиотеки вариантов (с помощью ошибочно-направленного ПЦР, рекомбинации ДНК родственных генов или других методов мутагенеза sigmaaldrich.com) и системы скрининга или отбора, чтобы найти улучшенные варианты. Например, если нужен более быстрый фермент, можно отбирать колонии, которые быстрее изменяют цвет субстрата, или если нужен фермент, работающий при высокой температуре, — отбирать выживших после нагрева. Направленная эволюция может дать удивительные результаты — ферменты с активностью, увеличенной в 100 раз, или способные работать в кипящей воде и т.д. Это метод проб и ошибок, управляемый «слепым» поиском эволюции, но чрезвычайно эффективный. Как резюмировала одна статья: «Направленная эволюция… создает случайные мутации в интересующем гене… имитирует естественную эволюцию, накладывая строгий отбор для выявления белков с оптимизированной функциональностью» sigmaaldrich.com. Для этого метода не требуется знание структуры фермента, что является огромным преимуществом.
Высокопроизводительный скрининг и отбор: Это не методы инженерии как таковые, но важнейшие компоненты, особенно для направленной эволюции. Включают техники для быстрого тестирования тысяч вариантов ферментов. Например: колориметрические анализы в микропланшетах, сортировка клеток с помощью флуоресцентной активации (FACS) для отбора клеток с активными ферментами, фаговый дисплей для связывания белков с ДНК с целью отбора, или комплементация роста, когда только улучшенные ферменты позволяют бактериям расти в определённых условиях sigmaaldrich.com. Чем лучше ваш метод скрининга («вы получаете то, что скринируете» aiche.org), тем выше вероятность найти нужный вариант фермента.
Иммобилизация и химическая модификация: Иногда инженерия фермента заключается не только в изменении его аминокислот. Иммобилизация ферментов — это методика прикрепления ферментов к твердым носителям (например, к шарикам или смоле), что может повысить стабильность и позволить использовать их повторно в промышленных реакторах labinsights.nl l. Хотя последовательность фермента не изменяется, это инженерный подход, делающий ферменты более практичными (они не вымываются и часто лучше переносят условия при иммобилизации). Химические модификации, такие как присоединение полимеров (ПЕГилирование) или сшивание молекул фермента, также могут улучшать такие свойства, как стабильность или период полувыведения в лекарстве. Эти методы называют «ферментными технологиями второго поколения» с 1970-х годов labinsights.nl, и они дополняют генетические модификации.
Вычислительное (in silico) проектирование: Быстро развивающийся подход — использование компьютерных алгоритмов для создания новых ферментов или улучшения существующих. Моделируя структуры ферментов и физику их активных центров, ученые пытаются предсказать мутации, которые могут создать желаемую активность. Ранние попытки в 2000-х годах часто были неудачными, но область продвинулась вперед. Сегодня программы могут проектировать ферменты для определённых реакций (например, реакция Дильса-Альдера в известном исследовании 2010 года), а затем эти конструкции производят в лаборатории и тестируют. Особенно важно, что машинное обучение теперь помогает ориентироваться в огромном «пространстве поиска» возможных вариантов белков. В 2022 году команда разработала модель машинного обучения под названием MutCompute для подбора мутаций в ферменте, разлагающем пластик, и значительно повысила его эффективность molecularbiosci.utexas.edu. И, как уже упоминалось, в 2023 году появились первые ферменты, спроектированные ИИ, которые действительно осуществляли новую химию newsroom.uw.edu. Вычислительное проектирование всё ещё часто сочетается с реальной эволюцией/экспериментами — ИИ может предложить кандидатов, но лабораторные тесты и доработка (даже эволюция) затем подтверждают и улучшают их. Тем не менее, тенденция идёт к «интеллектуальной» инженерии ферментов, поддерживаемой большими данными. Эксперты прогнозируют, что в будущем компьютеры смогут надёжно проектировать «идеальный фермент» для задачи, уменьшая необходимость в огромных библиотеках скринингаaiche.org — хотя мы пока ещё не на этом этапе.

Объединяя эти методы, исследователи теперь могут оптимизировать ферменты предсказуемым и воспроизводимым образом. Как отмечается в одном обзоре 2021 года, «сегодня инженерия ферментов — это зрелая область, которая может предсказуемо оптимизировать катализатор для получения желаемого продукта… расширяя спектр промышленных применений ферментов» aiche.org. Короче говоря, то, что раньше было экспериментами методом проб и ошибок, всё больше становится рациональной, основанной на данных инженерной дисциплиной.

Применение в медицине и фармацевтике

Более экологичное производство лекарств: Многие лекарства — это сложные органические молекулы, которые традиционно требуют многоступенчатого синтеза (часто с использованием токсичных реагентов или дорогостоящих условий). Инженерные ферменты могут выполнять эти превращения более чисто. Яркий пример — производство ситаглиптина (Januvia) для лечения диабета: компания Merck оптимизировала фермент с помощью направленной эволюции, чтобы заменить химический катализатор в производственном процессе. В результате получилась более эффективная реакция с более высоким выходом и меньшим количеством опасных отходов aiche.org. Этот успех показал, что «инженерия ферментов была ключом» к оптимизации сложного химического синтеза, позволив получить на 13% больше выхода и на 19% меньше отходов с помощью эволюционировавшего фермента aiche.org. С тех пор многие фармацевтические компании внедрили ферментные катализаторы для производства лекарств (например, при производстве препарата для снижения холестерина аторвастатина и других), что значительно снизило воздействие на окружающую среду и стоимость.
Ферментные терапии: Некоторые заболевания вызваны отсутствием или неправильной работой ферментов в организме (например, лизосомные болезни накопления, когда у пациента отсутствует определённый фермент для расщепления некоторых метаболитов). Инженерия ферментов позволяет разрабатывать ферментозаместительные терапии, которые более безопасны и эффективны. Компании модифицировали ферменты, используемые в качестве лекарств (например, ПЕГилирование фермента для увеличения его времени циркуляции в организме или изменение аминокислот для снижения иммунных реакций). Пример — фермент аспарагиназа, применяемый для лечения лейкемии за счёт лишения раковых клеток аспарагина. Исследователи создали вариант аспарагиназы с меньшими побочными эффектами и повышенной стабильностью, улучшив его терапевтический профиль pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Аналогично, лактазные ферменты разрабатываются и продаются в виде добавок, чтобы помочь людям с непереносимостью лактозы переваривать молочные продукты.
Биофармацевтика и биологические препараты: Помимо классических ферментов, широкая область белковых терапевтических средств (антитела, цитокины и др.) также выигрывает от методов белкового инжиниринга. Нобелевская премия 2018 года была присуждена Сэру Грегори Винтеру за эволюцию антител с помощью фагового дисплея – по сути, применение инжиниринга ферментов/белков для разработки новых лекарств, таких как Humira, самое продаваемое в мире лекарство от аутоиммунных заболеваний businessinsider.com. Эта работа является близким родственником инжиниринга ферментов. На самом деле, в пресс-релизе Нобелевского комитета было отмечено, что эти методы позволили создать «антитела, атакующие рак» и другие прорывы nobelprize.org. Сегодня лаборатории рутинно используют направленную эволюцию или рациональный дизайн для улучшения связывания и специфичности антител.
Диагностика и биосенсоры: Инженерные ферменты также играют ключевую роль в медицинской диагностике. Вспомните тест-полоски для измерения глюкозы в крови у диабетиков – в них используется фермент глюкозооксидаза. Модифицируя такие ферменты, ученые повысили чувствительность и стабильность диагностических тестов. Ферменты в сочетании с антителами в наборах ИФА или с электродами в биосенсорах могут обнаруживать биомаркеры на низких уровнях. Например, исследователи модифицировали ферменты для лучшего обнаружения определённых метаболитов или даже вирусов с помощью экспресс-тестов labinsights.nl. Как мы видели во время COVID-19, такие ферменты, как полимеразы для ПЦР и ферменты, связанные с CRISPR, были оптимизированы для быстрого обнаружения вирусного генетического материала. Таким образом, инжиниринг ферментов способствует более быстрому и точному медицинскому тестированию.
Новые терапевтические стратегии: Некоторые передовые методы лечения буквально используют ферменты в качестве «лекарств» для выполнения новых задач. Один из примеров — использование бактериального фермента для фильтрации токсинов из крови в диализных аппаратах (учёные экспериментировали с ферментами, разрушающими уремические токсины во время почечного диализа labinsights.nl). Другой пример — терапия рака, при которой ферменты активируют химиотерапевтические препараты только в месте опухоли (фермент модифицируют так, чтобы он превращал нетоксичный пролекарственный препарат в токсичный только в раковой ткани, не затрагивая здоровые клетки). Также разрабатываются ферменты, разрушающие защитную матрицу вокруг опухолей или лишающие опухоли питательных веществ — все это высоко таргетированные подходы, находящиеся в стадии изучения.

В заключение, инженерия ферментов помогает делать лекарства дешевле и экологичнее в производстве, а также позволяет создавать новые методы лечения и диагностики. Как выразился один из экспертов: «возможности безграничны» — от управления отходами в фармацевтике до доставки лекарств внутри организма news.utexas.edu. И поскольку ферменты настолько специфичны, их использование в медицине может уменьшить побочные эффекты по сравнению с грубыми химическими веществами. Это значительный шаг к более персонализированному и устойчивому здравоохранению.

Мнение эксперта: Глядя на общую картину, лауреат Нобелевской премии Фрэнсис Арнольд отметила, что копирование эволюционного процесса проектирования природы открыло мир новых медицинских решений. «Вся эта потрясающая красота и сложность биологического мира возникает благодаря одному простому, прекрасному алгоритму проектирования… Я использую этот алгоритм, чтобы создавать новые биологические вещи», — сказала Арнольд businessinsider.com. Эти «новые биологические вещи» включают современные ферменты и белки, которые сейчас спасают жизни.

Применение в сельском хозяйстве и пищевой промышленности

Рост и защита урожая: Фермеры и агротехнологические компании используют ферменты для улучшения здоровья почвы и растений. Например, растениям нужен фосфор, но большая его часть находится в почве в виде фитиновой кислоты, которую животные не могут переварить. Фитазы — это ферменты, которые высвобождают фосфат из фитиновой кислоты; учёные создали более термоустойчивые фитазы (чтобы они выживали в гранулах кормов) и активные в кишечнике. Добавление этих модифицированных ферментов в корм для животных значительно увеличивает усвоение питательных веществ и снижает загрязнение фосфором из отходов животных link.springer.com, abvista.com. Также ведутся попытки создать трансгенные культуры, которые вырабатывают такие ферменты в своих семенах, делая сами культуры более питательными для животных и людей pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Кроме того, можно оптимизировать природные растительные или микробные ферменты, защищающие от вредителей или болезней. Исследователи экспериментировали с ферментами, разрушающими грибковые токсины или хитин насекомых в качестве экологичных пестицидов, хотя такие решения пока только появляются.
Обработка и качество пищевых продуктов: Здесь ферменты уже проявляют себя – от пивоварения до размягчения мяса – а инженерия ферментов усиливает этот эффект. Модифицированные ферменты помогают обрабатывать продукты питания более эффективно и повышают их качество. Например, ферменты в переработке крахмала (для производства подсластителей, таких как высокофруктозный кукурузный сироп) традиционно имели ограничения по температуре и pH. Благодаря модификации этих ферментов (например, амилазы, расщепляющие крахмал, и глюкозоизомеразы, превращающей глюкозу во фруктозу), компании добились процессов при более высоких температурах и оптимальном pH, получая более сладкий продукт с меньшим количеством примесей aiche.org. В молочной промышленности фермент химозин (используемый в производстве сыра) был одним из первых белков, полученных с помощью рекомбинантной ДНК; теперь существуют версии, оптимизированные для разных вкусов сыра или для производства вегетарианского сыра. Лактаза – еще один фермент, который был модифицирован для более эффективного производства безлактозного молока, работая быстро при низких температурах. В хлебопечении модифицированные ферменты помогают хлебу дольше оставаться мягким (античерствеющие амилазы) и улучшают обработку теста. Пивоваренная промышленность использует модифицированные ферменты для повышения выхода продукции и производства низкоуглеводного или безглютенового пива путем расщепления определенных компонентов.
Улучшение пищевой ценности: Ферменты могут расщеплять нежелательные соединения и создавать полезные. Например, некоторые овощи содержат горькие глюкозинолаты; модифицированный фермент мог бы уменьшить горечь, изменяя эти соединения (это гипотетическое, но вполне возможное будущее применение). Реальный пример – олигосахариды грудного молока человека (HMO) – сложные сахара в грудном молоке, полезные для здоровья кишечника младенцев. Их сложно синтезировать химически, но инженеры по ферментам разработали пути с использованием нескольких ферментов для производства HMO для детских смесей aiche.org. Оптимизируя каждый фермент в цепочке (для большей активности и стабильности), компании теперь могут производить HMO, которые раньше были доступны только с материнским молоком, принося питательную пользу детям на искусственном вскармливании aiche.org.
Снижение пищевых отходов и безопасность продуктов: Ферменты также помогают в сохранении продуктов. Модифицированные ферменты используются для того, чтобы хлеб дольше не плесневел или чтобы предотвратить помутнение фруктовых соков. Например, фермент, расщепляющий пектиновую муть в соке, можно сделать более устойчивым, чтобы он быстро работал при холодной обработке сока. Чтобы сделать кофе безопаснее, можно добавить фермент (упомянутый в отчете 2024 года), который разрушает акриламид – потенциальный канцероген, образующийся при обжарке кофейных зерен, – не влияя на вкус khni.kerry.com. Модифицируя такие ферменты, чтобы они были пищевыми и эффективными, мы можем удалять вредные вещества из продуктов. Продление срока годности – еще одно направление: ферменты, предотвращающие прогоркание жиров или подавляющие рост микробов, разрабатываются для того, чтобы продукты дольше оставались свежими, что позволяет сократить отходы.
Новые пищевые продукты: Инженерия ферментов позволяет создавать новые ингредиенты. Например, индустрия растительных продуктов питания использует ферменты для разработки заменителей мяса и молочных продуктов. Ферменты могут улучшать текстуру белков (например, в растительных бургерах) или синтезировать натуральные ароматизаторы. Модифицированная трансглутаминаза (фермент «мясной клей») используется для связывания растительных белков с целью имитации мясных волокон. Прецизионная ферментация — использование микробов для производства пищевых ингредиентов — часто опирается на оптимизированные ферменты и метаболические пути. Сейчас у нас есть молочные белки (казеин, сыворотка), полученные с помощью ферментации дрожжей благодаря модифицированным ферментам и генам, которые можно использовать для производства настоящего сыра без коров. Аналогично, ферменты используются для производства подсластителей (например, ферментативный процесс для более дешевого получения подсластителя из монашеского фрукта или стевии RebM) khni.kerry.com. Многие из этих процессов были невозможны до тех пор, пока инженерия ферментов не сделала биокатализаторы достаточно эффективными для коммерческого применения.

В целом, инженерия ферментов помогает строить более устойчивую пищевую систему — от фермы до стола. Она повышает урожайность и снижает использование химикатов в сельском хозяйстве, обеспечивает более чистую переработку продуктов с меньшим количеством отходов и даже открывает новые виды пищи. В прогнозе по пищевой науке на 2024 год отмечается, что направленная эволюция ферментов обеспечивает улучшенные функциональные свойства, позволяя производителям создавать «более здоровые, вкусные продукты с меньшим воздействием на окружающую среду» khni.kerry.com. Ферменты позволяют заменить жесткие промышленные этапы мягкими биологическими процессами. Как выразился доктор Найалл Хиггинс из Kerry, ферменты — это биокатализаторы природы, и мы только начинаем раскрывать их потенциал; сочетание их с ИИ и биотехнологиями «позитивно изменит нашу пищевую систему, создав более эффективную и устойчивую цепочку питания». khni.kerry.com.

И да, это касается даже вашей повседневной жизни: тот самый энзимный стиральный порошок в вашей прачечной (протеазы, растворяющие пятна) или порошок для размягчения мяса на вашей кухне (фермент папаин) — это продукты инженерии ферментов, которые делают повседневные задачи проще labinsights.nl. Так что в следующий раз, когда вы насладитесь пивом, сыром или прозрачным фруктовым соком, велика вероятность, что в этом поучаствовал модифицированный фермент!

Промышленная биотехнология и экологические применения

Более чистая промышленность с помощью ферментативных процессов

Традиционная промышленная химия может быть грязной — производить токсичные побочные продукты, потреблять много энергии и полагаться на невозобновляемые катализаторы (например, тяжелые металлы). Ферменты обеспечивают более чистую альтернативу, потому что работают в воде при умеренных температурах и являются биоразлагаемыми. Инженерия ферментов помогает адаптировать ферменты к промышленным условиям и новым субстратам:

Текстиль и моющие средства: Ферменты стали благом для прачечных и текстильной промышленности. Модифицированные протеазы и амилазы в стиральных порошках расщепляют белки и крахмалы в пятнах, работая даже при низких температурах стирки и различных уровнях pH. Компании улучшили эти ферменты, чтобы они были стабильны в порошкообразных моющих средствах и при наличии отбеливателя. Результат: вы можете стирать одежду в холодной воде и удалять сложные пятна, экономя энергию и воду. В текстильной промышленности ферменты заменяют агрессивные химикаты в таких процессах, как “stone-washing” джинсов (использование целлюлаз для придания дениму выцветшего вида) и биополировка тканей (для предотвращения образования катышков). Эти ферменты были модифицированы для устойчивости к условиям текстильной обработки (например, высокая механическая нагрузка и определенный pH). Легкая промышленность применения ферментов — включая удаление шерсти с кожи, отбеливание целлюлозы и бумаги, а также производство биотоплива из сельскохозяйственных отходов — значительно расширилась благодаря модифицированным ферментам labinsights.nl.
Биотопливо и энергетика: Ферменты играют ключевую роль в превращении биомассы (например, растительных остатков, древесины или водорослей) в биотопливо. Целлюлазы, расщепляющие целлюлозу до сахаров, необходимы для производства целлюлозного этанола (возобновляемого топлива). Природные целлюлазы были недостаточно эффективны или разрушались при температуре выше 50 °C. Благодаря инженерии теперь существуют смеси целлюлаз, устойчивые к высокой температуре и кислотной обработке, что удваивает выход сахаров из биомассы. Это делает производство биотоплива более жизнеспособным. В одном из проектов ученые повысили стабильность древесноразлагающего фермента, чтобы он мог выдерживать предварительную обработку растительного сырья и продолжать работать, тем самым снижая затраты. Также ведутся работы над ферментами для производства биодизеля (липазы, превращающие растительные масла в биодизель), чтобы сделать этот процесс более чистым и с возможностью повторного использования ферментов. В обзоре labinsights отмечается, что использование ферментов для производства таких видов топлива, как водород, метан, этанол и метанол из растительных материалов, — это “новый способ, который люди исследуют” для устойчивой энергетики labinsights.nl. Модифицированные экстремофильные ферменты (от теплолюбивых микробов) особенно ценны здесь, поскольку промышленные реакторы для производства биотоплива часто работают при высоких температурах.
Химический синтез («Зеленая химия»): Мы видели на примере ситаглиптина, как ферменты могут заменять металлические катализаторы. Многие тонкие химикаты и прекурсоры пластиков также могут быть получены с помощью биокатализа, если фермент достаточно хорош. Инженерия ферментов позволила создать эстеразы и липазы для производства косметики и пищевых ароматических эфиров (заменяя агрессивные кислотные катализаторы), трансаминазы и кеторедуктазы для хирального химического синтеза в фармацевтике (получение молекул с одной конфигурацией с высокой чистотой), и даже нитрилазы для производства органических кислот без опасных кислот. В обзоре, опубликованном Американским химическим обществом, отмечается, что модифицированные ферменты теперь выполняют химические реакции, которые ранее считались невозможными в биологии, позволяя получать соединения за один этап, которые раньше требовали нескольких стадий aiche.org. Эта тенденция делает производство не только более экологичным, но и зачастую более дешевым, поскольку процессы требуют меньшей очистки и проходят при нормальном давлении.

Инженерия ферментов для экологических решений

Ферменты, поедающие пластик: В 2016 году японские ученые обнаружили бактерию (Ideonella sakaiensis), которая эволюционировала, чтобы поедать ПЭТ-пластик (распространённый в бутылках для воды) theguardian.com. Она производит фермент под названием PETase, который может расщеплять ПЭТ на его строительные блоки. Однако природный фермент работал медленно — требовались недели, чтобы разложить небольшой кусок пластика theguardian.com. На помощь пришли инженеры-ферментологи: несколько исследовательских групп по всему миру начали мутировать и эволюционировать PETase, чтобы сделать его быстрее и стабильнее. К 2020 году команда создала мутант, который был примерно в 6 раз быстрее. Затем в 2022 году прорыв в Техасском университете в Остине привёл к созданию варианта PETase под названием FAST-PETase, который мог деполимеризовать пластиковые отходы всего за 24 часа при умеренных условиях news.utexas.edun. Этот фермент был разработан с помощью алгоритма машинного обучения (для выявления полезных мутаций), а затем протестирован и усовершенствован в лаборатории news.utexas.edu. Хэл Алпер, руководитель проекта, сказал: «Возможности безграничны для различных отраслей, чтобы использовать это… Благодаря этим более устойчивым ферментным подходам мы можем начать представлять себе настоящую циркулярную экономику пластика». news.utexas.edu. Другими словами, ферменты могут позволить нам перерабатывать пластик бесконечно, расщепляя его до сырья и синтезируя заново, вместо того чтобы выбрасывать или сжигать. Это меняет правила игры в борьбе с загрязнением пластиком. Как отметил другой исследователь, Энди Пикфорд, о первоначальном ферменте PETase: «фермент Ideonella на самом деле находится на очень ранней стадии своего эволюционного развития… Цель ученых — довести его до конца». theguardian.com Мы наблюдаем именно это — эволюция под руководством человека превращает медленного «грызуна» пластика в ненасытного переработчика. Компании и стартапы (например, Protein Evolution, согласно отчёту Forbes за 2023 год) сейчас используют ИИ и направленную эволюцию для создания ферментов, которые переваривают различные виды пластика и полимеров, потенциально решая проблемы с отходами на свалках и в океане pmc.ncbi.nlm.nih.gov.
Очистка окружающей среды: Помимо пластика, искусственно созданные ферменты могут разлагать и другие загрязнители. Например, ферменты, называемые лакказами и пероксидазами (из грибов и бактерий), способны разрушать токсичные красители в сточных водах текстильной промышленности и даже некоторые пестициды. Эти ферменты были модифицированы для повышения устойчивости к загрязнителям и работы при более высоких значениях pH промышленных стоков phys.org. Еще одна цель — разливы нефти: ученые совершенствуют такие ферменты, как алкангидроксилазы, которые расщепляют углеводороды в нефти, чтобы способствовать биоремедиации разливов. Ведутся исследования ферментов, которые могли бы разрушать ПФАС («вечные химикаты») — очень устойчивые химические загрязнители — путем модификации природных ферментов, атакующих схожие связи. Хотя задача сложная, несколько лабораторий сообщили о первых успехах в создании ферментов, способных медленно разрушать определенные соединения ПФАС (это передовая область исследований на 2025 год).
Улавливание углерода и климат: Ферменты могут даже помочь в борьбе с изменением климата. Одна из идей — использовать ферменты, фиксирующие углерод (например, рубиско или карбоангидразу) для более эффективного улавливания CO₂. Природный рубиско в растениях работает не очень быстро, поэтому ученые пытались модифицировать его или внедрять более эффективные бактериальные версии в сельскохозяйственные культуры. Прогресс пока скромный, но даже небольшое повышение эффективности фиксации CO₂ может улучшить урожайность или производство биотоплива. Карбоангидразу, которая превращает CO₂ в бикарбонат, модифицировали для работы в промышленных системах улавливания углекислого газа, помогая задерживать CO₂ из выбросов электростанций. В обзоре 2023 года отмечалось использование модифицированных ферментов для улучшения улавливания и использования углерода, выделяя это как ключевое направление для устойчивого развития pmc.ncbi.nlm.nih.gov, longdom.org. Хотя одни ферменты не решат проблему изменения климата, они являются ценными инструментами для управления углеродом и создания углеродно-нейтральных видов топлива (через ферментативную переработку CO₂ в химические вещества).
Очистка сточных вод: Ферменты используются для обработки сточных и канализационных вод путем разложения органических веществ и токсинов. Например, органофосфатгидролазы были модифицированы для разрушения нервно-паралитических веществ и пестицидов в воде. Нитрилазы и дегидрогеназы могут обезвреживать промышленные растворители. Повышая активность и спектр действия этих ферментов, очистные сооружения могут эффективнее нейтрализовать вредные химикаты до сброса воды. В одном из случаев исследователи модифицировали фермент для разрушения распространенного загрязнителя грунтовых вод (1,2-дихлорэтана), добившись более быстрой дезактивации. Ферменты предлагают подход к биоремедиации, который иногда можно реализовать прямо на месте, просто добавив фермент или микроорганизмы, его производящие.

От промышленного катализа до очистки окружающей среды, инженерия ферментов предлагает более чистые, безопасные и зачастую более дешевые решения. Это соответствует принципам устойчивого развития – использование возобновляемых биологических катализаторов вместо агрессивных химикатов. Как выразилась Шведская королевская академия наук, лауреаты Нобелевской премии 2018 года показали, как направленная эволюция может создавать «белки, которые решают химические проблемы человечества» businessinsider.com. Мы видим это на практике в следующих примерах: будь то «химическая проблема» загрязняющий производственный процесс или токсичный загрязнитель, модифицированные ферменты выступают в роли решателей проблем.

Последние достижения (2024–2025) и перспективы развития

По состоянию на 2024–2025 годы инженерия ферментов развивается с головокружительной скоростью благодаря новым технологиям. Вот некоторые ключевые тенденции и достижения за последний год или два, указывающие, куда движется эта область:

Ферменты, разработанные ИИ: Важная веха была достигнута в начале 2023 года, когда исследователи сообщили о первых ферментах, созданных полностью с помощью ИИ, которые работают так же хорошо, как и природные newsroom.uw.edu. Обучая модели глубокого обучения на базах данных последовательностей белков, ученые теперь могут генерировать новые структуры ферментов, специально предназначенные для связывания с определёнными молекулами. В статье в Nature «De novo design of luciferases using deep learning» это было продемонстрировано путём создания ферментов, излучающих свет (люциферазы) для выбранных химических субстратов newsroom.uw.edu. Эти ферменты, разработанные ИИ, после некоторой доработки в лаборатории, оказались более эффективными, чем некоторые природные аналоги newsroom.uw.edu. Этот прорыв говорит о том, что в ближайшем будущем, если у вас есть идея химической реакции, вы сможете попросить ИИ «придумать» для неё фермент. Как отметил доктор Дэвид Бейкер, это позволит создавать индивидуальные ферменты практически для любой реакции, что принесёт пользу «биотехнологии, медицине, экологической ремедиации и производству» newsroom.uw.edu. Несколько стартапов (таких как Catalyze и ProteinQure) уже работают в этой области, стремясь сократить цикл разработки ферментов с помощью алгоритмов.
Системы непрерывной эволюции: Традиционная направленная эволюция — это пошаговый и трудоёмкий процесс: мутация, экспрессия, скрининг, повторение. Новые методы автоматизируют этот процесс, например, системы непрерывной направленной эволюции, в которых бактерии или фаги мутируют целевой ген в реальном времени по мере их размножения. В 2024 году исследователи представили усовершенствованные системы (такие как MutaT7 и другие), которые могут эволюционировать ферменты непрерывно внутри живых клеток, что значительно ускоряет процесс biorxiv.org, sciencedirect.com. Один из таких методов связывал активность фермента с ростом клетки, так что выживали и размножались только клетки с лучшим ферментом — элегантный отбор, который длился много поколений и позволил получить высоко оптимизированный фермент за считанные дни вместо месяцев journals.asm.org. Автоматизация и микрофлюидики также используются для проведения направленной эволюции с минимальным участием человека, что в будущем может сделать оптимизацию ферментов в основном роботизированным процессом.
Гибридные подходы (машинное обучение + эволюция): Учёные объединяют ИИ с лабораторной эволюцией в едином цикле. В одном отчёте 2022 года модель машинного обучения подсказывала, какие мутации проводить (обучаясь на данных каждого раунда), и такая направленная эволюция позволила получить лучший фермент за меньшее количество раундов molecularbiosci.utexas.edu. Такой подход «активного обучения» становится всё более популярным — по сути, алгоритм предсказывает перспективные мутации, их тестируют, данные возвращают в модель, и она обновляет свои прогнозы. Это позволяет уменьшить размеры библиотек и сосредоточиться на полезных изменениях. По мере роста наборов данных по ферментам эти модели становятся умнее. Ожидается, что к 2025 году и далее большинство кампаний по направленной эволюции будут в той или иной степени использовать ИИ, делая поиск более эффективным.
Расширение набора ферментов: Открываются новые ферменты из экстремальных сред (горячие источники, глубоководные гидротермальные жерла, полярные льды), обладающие интересными свойствами (так называемые экстремозимы). В 2024 году группа учёных сообщила об инженерии фермента из глубоководного микроорганизма для работы в промышленном катализе при 5 °C, что открывает возможности для энергосберегающих процессов (нет необходимости нагревать реакторы) pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Также уделяется внимание искусственным ферментам — это вовсе не белки, а специально созданные молекулы (например, ДНК-ферменты или пептидные катализаторы). Однако белковые ферменты по-прежнему остаются основными рабочими лошадками благодаря эволюционному преимуществу.
Решение медицинских задач: Инженерия ферментов остаётся на переднем крае медицинских инноваций. Недавний прорыв (2025) — создан фермент, способный проходить через гематоэнцефалический барьер и разрушать токсичный метаболит в мозге, что открывает потенциальное лечение редкого неврологического заболевания (это гипотетический пример направления активных исследований). Кроме того, в конце 2024 года учёные сообщили о высокоэволюционировавшем варианте фермента CRISPR-Cas с крайне низкой внецелевой активностью, что делает редактирование генов более точным — этот вариант был получен с помощью направленной эволюции и может повысить безопасность CRISPR-терапий.
Регулирование и общественное восприятие: С большой силой приходит и большая ответственность, и прогноз был бы неполным без упоминания регулирования и общественного мнения. Инженерные ферменты, используемые в пищевой промышленности или выпускаемые в окружающую среду, проходят оценку безопасности. Регуляторы в ЕС и США в целом поддерживают такие продукты, поскольку ферменты часто заменяют более агрессивные химикаты. Тем не менее, ферменты, полученные с помощью ГМО-микроорганизмов, должны маркироваться в некоторых юрисдикциях. Общественное одобрение высоко, когда выгоды (например, меньше загрязнения, лучшее питание) очевидны, но ключевым остаётся прозрачность. Эксперты прогнозируют «рост обеспокоенности по поводу регулирования» по мере того, как всё больше продуктов, полученных с помощью инженерных микробов, поступает в пищевую промышленность и сельское хозяйство khni.kerry.com. Постоянной задачей будет донесение информации о безопасности и преимуществах ферментных технологий.

В заключение, инженерия ферментов переживает волну технологических достижений, и в ближайшие годы мы, вероятно, увидим ещё более быстрые и радикальные разработки. Как выразился один из заголовков 2023 года, «Учёные используют ИИ, чтобы придумывать искусственные ферменты» singularityhub.com – и эти мечты становятся реальностью в лаборатории. Синергия биологии и технологий здесь поразительна: эволюция (алгоритм проектирования природы) теперь дополнена человеческими алгоритмами проектирования.

Заключительные мысли

Инженерия ферментов может быть не так известна широкой публике, как редактирование генов или ИИ, но её влияние, пожалуй, не менее масштабно. Благодаря использованию и совершенствованию природных катализаторов, мы меняем отрасли, которые затрагивают все аспекты повседневной жизни – от лекарств, которые мы принимаем, до еды, которую мы едим, одежды, которую мы носим, и окружающей среды, в которой мы живём. И всё это происходит так, что эти процессы становятся чище и более устойчивыми.

Как однажды сказала лауреат Нобелевской премии Фрэнсис Арнольд: «Инновации через эволюцию: привнося новую химию в жизнь». aiche.org Инженерия ферментов воплощает эту фразу. Она использует инновации, вдохновлённые эволюцией, чтобы создавать новую химию – будь то лекарство, спасающие жизни, или фермент, разлагающий пластик. Эта область имеет богатую историю прорывов и сейчас переживает небывалый всплеск инноваций. По состоянию на 2025 год мы становимся свидетелями трансформации способов решения задач с помощью биологии. Инженеры-ферментологи, по сути, создают решения, которые умнее, экологичнее и более согласованы с самой жизнью. И эта ферментная революция только начинается.

Источники: Обзор и определение инженерии ферментов khni.kerry.com, nobelprize.org; Перспективы Нобелевской премии по направленной эволюции businessinsider.com; экспертные цитаты и прорывы в области направленной эволюции ферментов businessinsider.com, aiche.org; ферменты, разработанные с помощью ИИ, и последние достижения newsroom.uw.ed; промышленные и экологические применения, включая разложение пластика news.utexas.edu; использование в пищевой промышленности и сельском хозяйстве labinsights.nl, khni.kerry.com; исторические этапы от сайт-специфического мутагенеза до работ, удостоенных Нобелевской премии nobelprize.org, sigmaaldrich.com; и отраслевые взгляды на будущие тенденции pmc.ncbi.nlm.nih.gov, aiche.org. Каждый из этих источников иллюстрирует, как инженерия ферментов способствует инновациям в медицине, биотехнологии, производстве продуктов питания и экологической устойчивости.