Mikrobiyal Biyoteknoloji Bölüm 4 - Biyoteknoloji
Tahıl ve baklagil tohumlarının olgunlaşması sırasında fitik asitin (myo-inositol-1,2,3,4,5,6-hexakis dihidrojen fosfat) önemli bir miktarı birikmekte olup (Honke ve ark. 1998) bu tohumların çoğunda ve yan ürünlerinde %1-2 fitik asit bulunmaktadır (Reddy ve ark. 1982). Fitik asit; tahıl, baklagil ve yağlı tohumlarda fosforun ana depo formudur. Kimyasal olarak tam tarifi myo-inositol 1,2,3,4,5,6-hekza-dihidrojen fosfat’tır (IUPAC-IUB 1977). Moleküler formülü ise C6H18O24P6’dır. Fitik asitin tuzları fitat olarak tanımlanır. Fitat, fitik asitin potasyum-magnezyum ve kalsiyum tuzlarının karışımıdır (Vohra ve Satyanarayana 2003) Fitaz (myo-inositol hexakisphosphate phosphohydrolase), fitik asiti (myo-inositol hekzafosfat), inorganik monofosfat, myo-inositol fosfat ve serbest myo-inositol’e hidrolize eden enzimdir (Kerovuo 2000).
Bitkilerde, hayvansal dokularda ve çeşitli mikroorganizmalarda fitaz aktivitesinin olduğu bildirilmiştir (Miksch ve ark. 2002). Fitatı parçalayan enzimler IUPAC-IUB (International Union of Pure and Applied Chemistry and the International Union of Biochemistry) tarafından iki sınıfa ayrılmıştır: Fitatın D3 pozisyonundaki ortofosfatı uzaklaştıran 3-fitaz (myo-inositol-hekzakisfosfat 3-fosfohidrolaz, EC 3.1.3.8) ve myo-inositol halkasındaki L-6 (D-4) pozisyonundaki defosforilasyonu sağlayan 6-fitaz (myo-inositol-hekzakisfosfat 6-fosfohidrolaz, EC 3.1.3.26). Mikrobiyal fitazlar genellikle 3-fitaz sınıfında yer alırken bitkisel kökenli fitazlar 6-fitaz sınıfında yer almaktadır (Konietzny ve Greiner 2002).
Fitaz parçalayan enzimlerle yem hammaddelerinde ve insanlar için hazırlanan gıdalardaki fitat içeriğini azaltmak amacıyla özellikle son yıllarda birçok çalışma yürütülmektedir. Fitatı parçalayan enzimler bitkisel materyalin besleyici değerini artırmak amacı ile tavsiye edilmektedir. Son yıllarda fitaz enzimlerinin özellikle entansif hayvan yetiştiriciliği yapılan alanlarda hayvan gübresiyle ortaya çıkan fosfor kirliliğini azaltmak amacıyla kullanımını da gündeme getirmiştir. Yapılan bir çok çalışmada fitatı parçalayan enzimlerin fitatdan fosfor kullanımını artırmakta olduğu ve çevrede ortofosfat birikimini önemli derecede azalttığı bildirilmiştir (Cromwell ve ark. 1995, Simons ve ark. 1990). Ayrıca bunların yanı sıra myo-inositol fosfatların hazırlanması, kağıt endüstrisi ve toprak iyileştirme alanlarında da fitaz enzimi kullanılmaktadır. Ayrıca son yıllarda biyoteknoloji alanındaki gelişmeler sonucunda heterolog mikrobiyal ekspresyon sistemleriyle büyük miktarlarda ve düşük maliyetli fitaz üretimi de mümkün olabilmektedir.
Fitaz enzimi bitkilerde, mikroorganizmalarda ve bazı hayvansal dokularda bulunmasına rağmen yapılan son araştırmalar mikrobiyal fitazların biyoteknolojik uygulamalar için en ümit verici olduğunu göstermiştir (Pandey ve ark. 2001, Vohra ve Satyanarayana 2003). Bakteri, maya ve funguslardan fitaz enzimleri karakterize edilmiş olup, günümüzde ticari olarak üretimde toprak fungusu olan Aspergillus üzerinde durulmaktadır. Ancak substrat spesifitesi, proteolisise karşı direnç göstermesi ve katalitik aktivitesi gibi özelliklerinden dolayı bakteriyel fitazlar, fungal enzimlere alternatif oluşturabilmektedir (Konietzyn ve Greiner 2004).
Bakteriyel fitazların ortalama olarak moleküler ağırlığı (40-55 kDa) glukolizasyon farkı olduğu için fungal fitazlardan (80-120 kDa) daha küçüktür (Choi ve ark. 2001, Golovan ve ark. 2000, Han ve Lei 1999, Kerovuo ve ark. 1998, Rodriguez ve ark. 2000a, Van Hartingveldt ve ark.1993). İzole edilen fitazların çoğunun pH optimumu 4.5-6.0 arasında yer almaktadır. Ancak Bacillus sp.’ye ait nötral veya alkali fitazlar da bulunmaktadır (Choi ve ark. 2001, Kim ve ark. 1998). A. niger fitazının (phyA) pH optimumu ise asidik sınırlarda olup 2.5 ve 5.5’dir. Bu iki sınır arasında aktivitede azalma meydana gelmektedir. Mikrobiyal fitazların çoğunun sıcaklık optimumu ise 45-60°C arasında yer almaktadır. Ancak Pasamontes ve ark. (1997a,b) A. fumigatus’a ait sıcaklığa dirençli fitazın 100°C’ye kadar olan sıcaklıklarda 20 dakikalık inkübasyonlarda sadece %10’luk kayıpla aktivitesini koruduğunu bildirmişlerdir. E. coli ve Citrobacter braakii fitazı, ticari olarak kullanılan Aspergillus niger fitazına kıyasla pepsin ve pankreatine daha dirençlidir (Kim ve ark. 2003; Rodriquez ve ark. 1999). Ayrıca C. braakii fitazı tripsine de dirençlidir (Rodriquez ve ark. 1999).
E. coli fitazı, Bacillus fitazı ile karşılaştırıldığında, pankreatine benzer hassasiyetlik gösterirken pepsine karşı daha hassastır (Simon ve Igbasan 2002). E. coli ve C. braakii fitazları yem katkısı olarak uygun özelliklere sahiptirler. E. coli fitazı asidik koşullar altında yüksek bir pH stabilitesine sahip olup pH 2.0’de birkaç saat sonunda bile önemli bir aktivite kaybı göstermemektedir (Greiner ve ark. 1993).
Fitaz Enziminin Uygulama Alanları
1-) Yem katkısı: Fitat, tohumların çimlenmesi sırasında enerji ve fosfor kaynağı olarak görev alsa da bağlı fosfor tek mideli hayvanlarca çok az miktarda kullanılabilmektedir. Bu nedenle inorganik fosfor yenilenemez ve pahalı bir mineral olup kanatlı, domuz ve balık rasyonlarında fosfor kaynağı olarak ilave edilmektedir (Lei ve Porres 2003). Fitat ve fitata bağlı fosfor tüm kanatlı rasyonlarında bulunmakta ve fitat fosforunun da kısmen kullanıldığı bilinmekteydi (Lowe ve ark. 1939). İlk olarak Warden ve Schaible (1962), broylerde, ekzogen olarak verilen fitazın, fitat fosforunun kullanımını ve kemikteki mineralizasyonu artırdığını bildirmişlerdir. Ancak bundan yaklaşık 30 yıl sonra, yem katkısı olarak, fitata bağlı fosforu serbest bırakacak ve fosfor atığını azaltacak Aspergillus niger fitazının ticari olarak kullanımı başlamıştır.
Günümüzde tek mideli hayvanlarda yem katkısı olarak fitaz kullanımı oldukça yaygınlaşmış olup hatta nişasta tabiatında olmayan polisakkaritleri parçalayan enzimlerden daha fazla kullanılmaktadır (Bedford 2003). Geçtiğimiz 10 yıl içerisinde kanatlı ve domuz rasyonlarında mikrobiyal fitaz kullanımı ile bu konudaki bilimsel çalışmalar ve deneyimler artmakta ve yem katkısı yeni fitaz enzimleri araştırılmakta ve kullanılmaktadır. Bazı kanatlı yem maddelerindeki toplam fosfor, fitat fosforu ve toplam fosfordaki fitat fosfor oranları Çizelge 2’de verilmiştir. Ruminantlar ise, rumendeki mikrobiyal flora tarafından üretilen fitaz enzimi ile fitatı parçalayabilmektedirler (Yanke ve ark. 1998). Fitatın parçalanması ile açığa çıkan fosfor hem mikrobiyal flora hem de konakçı ruminant tarafından kullanılmaktadır.
Birçok farklı kaynaktan elde edilen mikrobiyal fitaz ürünleri günümüzde ticari olarak kullanılmaktadır. Bunlar arasında yem katkısı olarak en yaygın olarak kullanılanları A. niger (3-fitaz), Peniophora lycii (6-fitaz) ve Escherichia coli (6-fitaz) fitazlarıdır. Kanatlı rasyonlarına fitaz, granül veya sıvı formda veya yüksek peletleme sıcaklığındaki (>80ºC) enzim denatürasyonu probleminden kaçınmak için peletleme sonrasında uygulanabilmektedir (Selle ve Ravindran 2006). Bitkisel fosfor kaynaklarındaki kullanılmayan fitat fosforu zaman içerisinde birikmekte ve entansif olarak hayvan yetiştirciliği yapılan alanlarda çevre kirliliğine neden olmaktadır. Topraktaki aşırı fosfor deniz ve göllere akmakta ve burada yaşayan canlılarda birikerek insanlarda da nerotoksik etki oluşturmaktadır (Lei ve Porres 2003).
Su ürünleri üretiminde, soya küspesi ve diğer bitki kökenli küspeler kullanılarak birçok çalışma yürütülmüştür (Mwachireya ve ark. 1999). Pahalı protein kaynakları yerine daha düşük fiyatlı bitkisel protein kaynakları kullanıldığında masraflarda önemli derecelerde azalmaların olabildiği bildirilmektedir. Balık üretim masraflarının %70’ini yem giderleri oluşturmaktadır (Rumsey 1993). Kanatlı ve domuzlarda olduğu gibi balıklarda yem maddeleri içerisindeki fitin fosforundan yararlanacak sindirim enzimine sahip olmadığından suda fosfor birikimi meydana gelmektedir. Bu nedenle fitaz su ürünleri üretmede, hem düşük fiyatlı bitkisel kökenli maddelerin kullanımını artırmak hem de suda fosforu kabul edilebilir seviyede tutabilmek amaçları ile kullanılmaktadır. Balık beslemesinde, yüksek seviyelerde bitkisel kökenli maddeler içeren yemlerde fitaz enziminin kullanılması ile ilgili birçok çalışma yürütülmektedir (Robinson ve ark. 1996, Mwachireya ve ark. 1999).
2-) Gıda sanayi: Fitik asit tuzları olarak tanımlanan fitatlar, bitki tohumları ve danelerde fosfat ve inositolün başlıca depo formudur. Fitat bitki tohumlarının olgunlaşması sırasında oluşur ve olgun tohumlarda toplam fosfatın %60-90’nını oluşturur (Loewus 2002). Fitat bu nedenle bitkisel kökenli gıdaların başlıca bileşenidir. Bazı bitkisel kökenli gıdalardaki kuru maddedeki fitat miktarı Çizelge 3’de verilmiştir. Diyetlerdeki bitki kökenli gıdaların miktarına ve gıdaların işlenme derecelerine bağlı olarak günlük fitat tüketimi en fazla 4500 mg’a kadar yükselmelidir. Ortalama olarak vejetaryen diyetlerinde ve gelişmekte olan ülkelerde kırsal kesimlerde günlük fitat tüketimi yaklaşık 2000-2600 mg olup bu değer karışık diyetlerde 150-1400 mg’dır (Reddy 2002).
Diyetlerde fitatın varlığı ile ilgilenilmesinin nedeni mineral alımındaki negatif etkisidir. Bu mineraller çinko, demir, kalsiyum, magnezyum, manganez ve bakırdır (Konietzny ve Greiner 2003, Lopez ve ark. 2002). Fizyolojik pH değerlerinde çözünmez mineral-fitat komplekslerinin oluşumu düşük mineral emiliminin temel nedeni olarak bildirilmektedir. Çünkü bu kompleksler aslında insan sindirim sisteminde absorbe olmamaktadır. Ayrıca sindirim sisteminin üst kısmında sınırlı miktarda mikrobiyal popülasyonun olması ve içsel fitatı hidrolize edici enzimlerin olmaması nedenleri ile ince bağırsakta, fitat çok sınırlı miktarda hidroliz olabilmektedir (Iqbal ve ark. 1994). Fitat, asidik ve alkali pH’da proteinlerle kompleks oluşturmaktadır (Cheryan 1980). Bu interaksiyon proteinin yapısında değişiklikler meydana getirmekte ve bunun sonucunda enzimatik aktivitede, proteinin çözünürlüğünde ve proteolitik parçalanmada azalmalar meydana gelebilmektedir.
Fitaz enzimi yem katkısı olarak kullanılmasının yanı sıra gıda sanayinde de büyük bir potansiyele sahiptir. Ancak şimdiye kadar marketlerde fitaz enzimi kullanılmış gıdalar bulunmamaktaydı. Bu alandaki çalışmalar, gıda işlemede teknik geliştirmenin yanı sıra bitki kökenli gıdaların besleyici değerlerinin artırılması üzerine yoğunlaşmıştır. Fitat içeriği yüksek diyetler mineral maddelerin absorbsiyonunu oldukça azaltmakta (Konietzny ve Greiner 2003, Lopez ve ark. 2002) ve gıdaların işlenmeleri sırasında fitatın defosforilasyonu, sadece kısmen fosforile olmuş myo-inositol fosfat esterlerinin oluşmasına neden olmaktadır (Sandberg ve ark. 1999, Sandström ve Sandberg 1992, Han ve ark. 1994). Myo-inositol fosfat esterleri insanlar için önemli fizyolojik özelliklere sahiptir (Shears 1998). Bu nedenle fitaz enziminin gıda üretimi sırasında kullanılması ile fonksiyonel gıdaların üretilmesi mümkün olacak (Greiner ve ark. 2002) ve böylelikle fitaz enzimi ile biyokimyasal olarak aktif myo-inositol fosfat esterleri oluşacak ve insanlarda mineral maddelerin emilmesi de sağlanmış olacaktır.
Gıda sanayinde gıdaların işlenmesi sırasında fitaz ilavesi ekmek yapımı (Haros ve ark. 2001), bitkisel protein izolatlarının üretimi (Fredrikson ve ark. 2001, Wang ve ark. 1999) ve tahıl kepeklerini parçalamada kullanılmaktadır (Kvist ve ark. 2005). Gıda işleme ve hazırlama sırasında, fitat genel olarak, bitkilerde ve mikroorganizmalarda doğal olarak bulunan fitazlarla tamamen hidrolize olmamaktadır. Özellikle demir olmak üzere minerallerin yararlanımını artırmak için fitat çok düşük düzeylere indirilmelidir (Hurrell 2003).
Myo-İnositol fosfatların hazırlanması: Günümüzde, transmembran sinyalizasyonunda ve intraselülar kaynaklardan kalsiyumun hareketini sağlamada görev alan inositol fosfat ve fosfolipidlere olan ilginin artması, çeşitli inositol fosfatların hazırlanmasını gündeme getirmiştir (Billington 1993). S.cerevisiae fitazı kullanılarak fitik asitin enzimatik hidrolizi ile D-myo-inositol 1,2,6-trifosfat, D-myo-inositol 1,2,5-trifosfat, L-myo-inositol 1,3,4-trifosfat ve myo-inositol 1,2,3-trifosfatların hazırlandığı bildirilmiştir (Siren 1986a). Ayrıca E. coli fitazı kullanılarak inositol 1,2,3,4,5-pentakisfosfat, inositol 2,4,5-trifosfat ve inositol 2,5-bifosfat da hazırlanmaktadır (Greiner ve Konietzny 1996). İnositol fosfat türevleri enzim stabilizatörü (Siren 1986b), enzim inhibitörü, biyokimyasal ve metabolik araştırmalarda enzim substratı ve ilaç olarak da kullanılmaktadır (Laumen ve Ghisalba 1994). İnositol fosfat karışımları eklem iltihabı ve astım gibi solunum hastalıklarına karşı kullanıldığı ve spesifik inositol trifosfatların ağrı kesici olarak önerildiği de bildirilmiştir (Siren 1998).
İnositol veya inositol fosfatların endüstriyel üretiminde, fitik asitten myo-inositol fosfat türevleri, serbest myo-inositoller ve inorganik fosfat eldesinde fitaz enzimi kullanımı önerilmektedir (Brocades 1991). Bu enzimatik hidrolizin avantajı fitaz enziminin spesifitesi ve reaksiyon koşullarına uygun olmasıdır.
3-) Kağıt endüstrisi: Kağıt endüstrisinde bitki fitik asitinin uzaklaştırılması oldukça önemlidir. Günümüzde termostabil fitazlar, kağıt hamuru ve kağıt yapma aşamalarında fitik asiti parçalamak amacıyla kullanılan biyolojik maddelerdir. Fitik asitin enzimatik olarak parçalanması sonucunda kanserojen veya toksik maddeler içeren ürünler oluşmaz. Bu nedenle kağıt endüstrisinde fitaz enzimlerinin kullanımı, daha temiz bir teknolojinin kullanılmış olması ve dolayısıyla çevreyi koruma açısından önem taşımaktadır (Liu ve ark. 1998).
4-) Toprak iyileştirme: Bazı alanlarda toprakta, fitik asit ve türevleri toplam organik fosforun %50’sini oluşturabilmektedir (Dalal 1978). Findenegg ve Nelemans (1993), mısır bitkisi için topraktaki fitik asitten fosforun kullanılabilmesinde fitazın etkisini araştırmışlardır. Toprağa fitaz ilave edildiğinde fitinin parçalanma oranının artmasına bağlı olarak büyümeyi uyardığını bildirmişlerdir. Bu çalışma bitkilerin köklerinde fitaz geninin ekspresyonu ile transgenik bitkilerle topraktaki fosforun kullanılabileceği düşüncesini ortaya çıkarmıştır (Day 1996).
5-) Biyoteknoloji : Geçtiğimiz 20 yıl içerisinde fitaz enzimi, besleme, çevre koruma ve biyoteknoloji alanlarındaki bilim adamlarının dikkatini çekmektedir. Fitazlar özellikle biyoteknolojik uygulamalarda (özellikle yem ve gıdalardaki fitat içeriğini azaltmada) büyük bir önem taşımaktadır (Lei ve Stahl 2001, Vohra ve Satyanarayana 2003).
Ticari olarak üretilen mikrobiyal ürünlerin içerisinde en önemlisi antibiyotiklerdir. Antibiyotikler mikroorganizmalar tarafından üretilen, diğer mikroorganizmaları öldüren veya büyümesini inhibe eden kimyasal maddelerdir. Antibiyotikler tipik sekonder metabolitlerdir. Ticari olarak faydalı antibiyotiklerin birçoğu filamentöz funguslar ile Bacteria’nın aktinomiset grubu tarafından üretilmektedir. Endüstriyel fermentasyonla büyük ölçekte üretilen en önemli antibiyotikler Çizelge1’de gösterilmiştir.
Çizelge 1. Ticari olarak üretilen bazı antibiyotikler.
Bacillus licheniformis (EOB)
Kimyasal sentez (daha önce Streptomyces venezuela’ (A)dan
mikrobiyal yolla üretilmekteydi)
Streptomyces griseus (A)
Streptomyces orchidaeus (A)
Streptomyces erythreus (A)
Penicillium griseofulvin (F)
Streptomyces kanamyceticus (A)
Streptomyces lincolnensis (A)
Streptomyces fradiae (A)
Streptomyces noursei (A)
Penicillium chrysogenum (F)
Bacillus polymyxa (EOB)
Streptomyces rimosus (A)
*EOB, endospor oluşturan bakteri; F, fungus; A, aktinomiset
Günümüzde 8000’in üzerinde antibiyotik maddesi bilinmektedir ve her yıl yüzlercesi keşfedilmektedir. Daha fazla antibiyotik keşfedilmesi beklenmektedir mi, buna gerek var mıdır diye bazı sorular akla geldiğinde bunun cevabı evettir. Bu nedenle Streptomyces, Bacillus, Penicillium gibi birkaç genusa ait mikroorganizmaların çoğu antibiyotik üretip üretmedikleri açısından sürekli olarak incelenmektedir. Antibiyotikler konusunda araştırma yapan birçok araştırıcı, diğer mikroorganizma gruplarının da incelenmesi sonucunda birçok yeni antibiyotiğin keşfedileceğine inandıklarını belirtmektedir. Son yıllarda büyük ilerleme gösteren genetik mühendisliği tekniklerinin yeni antibiyotiklerin yapılmasına izin vereceği ve yeni ilaçlar için kompüter modellemesinin klasik eleme (screening) metotlarının er geç yerini alacağı düşünülmektedir. Fakat günümüzde bunlar henüz çok yaygın bir kullanıma sahip olmadığı için yeni antibiyotikler klasik yol olan “screening” yoluyla keşfedilmektedir.
Screening yaklaşımında, çok sayıda muhtemelen antibiyotik üreticisi olan mikroorganizma izolatı doğadan saf kültürler halinde izole edilmektedir (Şekil 1-a) daha sonra bu izolatlar Staphylococcus aureus gibi bir test bakterisinin büyümesini inhibe eden diffüzlenebilen maddeler üretip üretmedikleri açısından test edilmektedir. Şekil 1-a’daki fotoğrafta görülen kolonilerin çoğu Streptomyces türlerine aittir ve antibiyotik üreten bazı kolonilerin etrafında indikatör organizmanın (Staphylococcus aureus) büyüyemediği inhibisyon zonları görülmektedir. Bu amaçla kullanılan test bakterileri çok çeşitli ve genellikle bakteriyal patojenlere yakın veya onları temsil eden türler olup çeşitli literatürlerde tip kültür numaralarıyla belirtilmektedir. Antibiyotik üretimi için yeni mikrobiyal izolatların test edilmesinde, “karşıt-çizgi metodu” (Şekil 1-b) yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntemde Streptomyces gibi potansiyel üretici olduğu bilinen bir tür petrinin üçte birlik kısmını kaplayacak şekilde bir köşesine ekilir ve petri uygun sıcaklıkta inkübe edilir. İyi bir büyüme elde edildikten sonra sıvı besi yerinde geliştirilmiş olan test bakterileri Streptomyces hücre kütlesine dikey olacak şekilde çizilerek inkübasyona bırakılır. Şekil 1-b’deki fotoğrafta da görüldüğü gibi bazı test bakterilerinin Streptomyces hücre kütlesine yakın kısımlarda büyüyemediği görülmektedir. Bu Streptomyces’in test bakterilerinin büyümesini inhibe eden bir antibiyotik ürettiğini göstermektedir. Fotoğrafta (Şekil 1-b) görülen test organizmaları (soldan sağa): Escherichia coli, Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumonia, Mycobacterium smegmatis’tir. Bu şekilde ekim yapılan izolatlardan antibiyotik üretimi belirlenenler daha sonra daha ileri denemelere alınarak antibiyotiğin yeni olup olmadığı bakımından test edilirler.
Çoğu screening (eleme) programlarında elde edilen izolatların çoğu bilinen antibiyotikleri üretmektedir. Bu nedenle endüstriyel mikrobiyologların bilinen antibiyotik üreticilerini çok hızlı belirlemesi gerekmektedir böylece çalışmalarında hem zamanın hem de kaynakların boşa gitmesi önlenecektir. Bir organizmanın yeni bir antibiyotik ürettiği keşfedildiğinde bu antibiyotik yapısal analizler için yeterli miktarlarda üretilmelidir ve daha sonra enfekte olmuş hayvanlarda terapötik aktivite ve toksisite için test edilmelidir. Burada yeni antibiyotiğin selektif toksisiteye sahip olup olmadığı ortaya çıkmaktadır. Maalesef yeni bulunan antibiyotiklerin bir çoğu hayvan testlerini geçemezken sadece birkaç tanesi geçebilmektedir. Bu nedenle her yıl yüzlerce yeni antibiyotik bulunmasına karşılık bunların sadece birkaç tanesinin medikal kullanım için yararlı olduğu kanıtlanabilmekte ve ticari olarak üretilmektedir.
VİTAMİNLER VE İLİŞKİLİ BİYOFAKTÖRLER
Dengesiz beslenme ve besin işleme alışkanlıkları, gıda kıtlığı, açlıktan dolayı hayvan ve bitki orijinli vitaminlerden başka ekstra vitaminlere ihtiyaç duyulmaktadır. Vitaminlerin kullanım alanları gıda/yem sektörü, sağlık ve tıbbi alanlardır. Ekstra vitaminler günümüzde kimyasal veya biyoteknolojik olarak fermentasyon ya da biyodönüşüm prosesleriyle hazırlanmaktadır. Vitaminler ve diğer biyofaktörlerin çoğu kimyasal olarak veya ekstraksiyon işlemi ile üretilirken bazıları da hem kimyasal hem de mikrobiyal proseslerle üretilmektedir. Bunun yanı sıra vitamin B12 ve B13 gibi vitaminler ise sadece mikrobiyolojik yolla üretilmektedir. Aşırı miktarlarda vitamin üreten mikrobiyal suşların doğadan taranması ve bulunması veya bunların genetik mühendisliği yoluyla yapımı zordur, bunun yerine geliştirilmiş fermentasyon prosesleri ve immobilize biyokatalist biyodönüşümleri önem kazanmıştır.
Bütün organizmalar hücresel faaliyetlerini sürdürebilmek için küçük miktarlarda çok çeşitli enzimleri üretmektedir. Günümüze kadar tanımlanmış olan 3000’den fazla enzimin büyük bir çoğunluğu mezofilik organizmalardan izole edilmektedir. Buna karşılık bazı enzimler bazı organizmalar tarafından çok yüksek miktarlarda üretilmekte ve hücre içinde tutulmayarak hücre dışına salgılanmaktadır. Ekstraselüler enzimler olarak isimlendirilen bu enzimler selüloz, protein, nişasta, vb. gibi suda çözünmeyen polimerleri parçalama yeteneğindedir. Bu ekstraselüler enzimlerin bazıları gıda, tekstil ve ilaç endüstrilerinde kullanılmaktadır ve mikrobiyal sentez yoluyla büyük miktarlarda üretilmektedir. Son yıllarda enzim terminolojisinde ortaya çıkan yeni bir terim olan “ekstremozimler” ise ekstrem çevrelerde yaşayan prokaryotlardan elde edilen enzimleri ifade etmektedir. Ekstremozimler, ekstrem olarak yüksek sıcaklık, düşük sıcaklık, çok yüksek tuz, çok yüksek asit veya alkalin pH’larda yaşayan ve “ekstremofiller” olarak isimlendirilen mikroorganizmalar tarafından üretilmektedir.
Bu enzimleri yüksek miktarlarda üreten mikrobiyal kaynakları doğadan izole etmek için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır ve yeni mikrobiyal kaynakların araştırılması sürekli olarak devam eden bir iştir. Burada biyoçeşitlilik önemli bir konu olup farklı ve yabancı çevrelerden (ekstrem çevreler) izole edilen mikroorganizmalar önemli enzim kaynakları olarak düşünülmektedir. Ülkemiz en önemli ekstrem çevreler olan sıcak su kaynakları (kaplıcalar) açısından çok zengindir. Ayrıca soda gölleri, tuz gölleri, vb. ekstrem çevrelere de sahip olduğumuz göz önüne alınırsa, buralardaki biyoçeşitliliğin bir an önce belirlenerek ortaya konması ülkemiz açısından çok önemli bir konudur.
Lipazlar bakteri, maya ve küfleri içeren mikrobiyal flora tarafından bol miktarda üretilmektedir. Lipazlar gıda endüstrisinde, biyomedikal uygulamalarda, biyosensörler ve pestisidlerin yapımında, deterjan ve deri sanayiinde, çevre yönetiminde, kozmetik ve parfüm sanayiinde uygulama alanları bulmaktadır. Endüstriyel olarak en yaygın kullanılan lipaz üreticisi mikroorganizmalar Candida spp., Pseudomonas spp., Rhizopus spp.’dir. Son yıllarda biyoteknoloji alanında lipazların kullanımında eksponansiyel bir artış gözlenmektedir. Bu nedenle lipazların aşırı üretimini sağlamak amacıyla yönlü mutasyonlar yardımıyla suş geliştirme çalışmalarına ağırlık verilmiştir.
Endüstriyel olarak en fazla üretilen enzimlerden biri olan proteazlar ise ekmekçilikte, deterjan ve temizleme sanayiinde, biyomedikal uygulamalarda, gıda sanayiinde etlerin olgunlaştırılmasında, tabaklama sanayiinde, atık arıtımı ve kimyasal endüstride kullanılmaktadır. Son yıllarda alkalofilik mikroorganizmaların ürettiği ve aşırı alkali ortamlarda aktivite gösteren alkalin proteazlar endüstriyel olarak çok önem kazanmıştır.Şu anda alkalin proteazların ticari üretimi Bacillus licheniformis ve diğer alkalofilik Bacillus spp.’den yapılmaktadır. Bu enzimlerin üretimi için öncelikle ümit verici organizmaların seçilmesine olanak sağlayan farklı izolasyon yöntemlerinin belirlenmesi daha sonra endüstriyel suş geliştirilmesi için mutasyon ve/veya rekombinant DNA teknolojisinin kullanımı üzerinde yoğun çalışmalar sürdürülmektedir.
α-amilaz, β-amilaz ve glukoamilaz gibi mikrobiyal amilazlar, enzimler arasında en önemlileri olup günümüzde biyoteknolojide oldukça büyük önem kazanmışlardır. Mikrobiyal amilazlar uygun preparasyonlarda hazırlandıktan sonra ilaç sanayiinde analitik kimya alanında, nişastanın sakkarofikasyonu, tekstil ve gıda sanayiinde, bira sanayii ve damıtma endüstrilerinde geniş bir uygulama alanına sahiptir. Hayvanlar ve bitkilerde de bulunmasına karşılık amilazlar en yaygın olarak mikroorganizmalarda bulunmaktadır. Amilazların ticari üretiminde birçok bakteri ve fungus türleri kullanılmaktadır. α-amilazın ticari üretiminde Bacillus türleri çok önemlidir. Ticari amilaz üreticisi suşların geliştirilmesinde gen klonlama yöntemleri kullanılmaktadır. Gen klonlmanın en temel amaçları; termostabil enzimlerin ifade edilmesi, yüksek enzim verimliliği ve iki enzimin aynı organizmada ifade edilmesinin sağlanmasıdır.
Organizmaların primer metabolitleri arasında en önemlileri amino asitlerdir. 1950’lerin sonlarına doğru Corynebacterium glutamicum’un bazı suşlarının doğal olarak önemli miktarlarda L- glutamat sentezlediğinin bulunmasının ardından amino asit üreticisi mikroorganizmaların taranması ve ıslah edilmesi çalışmaları büyük hız kazanmıştır. O zamandan beri amino asit salgılama yeteneğinde olan bir çok organizma belirlenmiş ve bu konu endüstriyel mikrobiyolojinin önemli bir konusu olmuştur. Dünya çapında 1.5x106 ton amino asit üretimi gerçekleşmektedir. Amino asitler tıpta, gıda endüstrisinde katkı maddesi olarak, kimya endüstrisinde başlatıcı maddeler olarak kullanılmaktadır. En önemli ticari amino asit lezzet arttırıcı olarak monosodyum glutamat (MSG) formunda kullanılan Glutamik asittir. Diğer iki önemli amino asit diyet içecekler ve yiyeceklerde tatlandırıcı olarak kullanılan Aspartam’ın bileşenleri olan Aspartik asit ve Fenil alanindir. Bundan başka lisin, glutamin , arjinin, triptofan, treonin, izolösin ve histidin amino asitleri de ticari olarak mikrobiyolojik yolla üretilmektedir.Mikrobiyolojik üretim için Corynebacterium ve Brevibacterium türleri ile Escherichia coli en bilinen ticari türlerdir. Corynebacterium ve Brevibacterium türlerinde metabolizma nispeten basit olduğu için regülasyon sistemlerinin kolaylıkla değiştirilmesiyle, Enterobacteriaceae üyelerinde ise karmaşık rekombinant DNA tekniklerinin kullanımıyla verimli amino asit üreticileri elde edilebilmektedir.
Kaynak: Doç. Dr. Rengin ELTEM /Ege Üniversitesi /Mühendislik Fakültesi Biyomühendislik Bölümü
Modern biyoteknolojiyi komodite amaçlı ürünlerin üretiminde de kullanmak mümkündür. En çarpıcı örneklerden biri, mikroorganizmaları uygun ortamlarda besleyip polimer ürettirmektir. Birçok mikroorganizma besin kısıtlaması koşullarında, tepkisel olarak hücre içinde polimer biriktirir. (Şekil 3’de hücre içindeki beyaz dairesel şekilli olanlar). Bunlar bilimsel adıyla “polialkalonatlar”, “mikrobiyal poliesterler” dir. Polibuturat ve poli(buturat-valarat) teknolojik olarak üretilen mikrobiyal poliesterlerdir. Bunların işlenmesi biraz zor, komodite plastiklere göre biraz pahalı, ancak doğada parçalanabilen türden, dolayısıyla çevre dostu polimerlerdir. Bunlardan üretilen şampuan, parfüm, vb. şişeleri piyasaya sunulmuş durumdadır. Buradaki ilginç gelişme yine genetik modifiye mikroorganizmaların kullanımıdır. Bunlarda hücre içinde polimer birikimi kuru ağırlıkta %99’lara kadar çıkarılmıştır, dolayısıyla verim çok yüksektir. Bu yöntemle üretilen polimerlerin molekül ağırlıkları sentetik yollarla çıkılması çok yüksek değerlerdedir (20 milyon hatta daha fazla). Mikroorganizmalar ile polimer üretimi teknolojisini bitkilere de uygulamak mümkündür. Özellikle mısır’ın çok da değerli olmayan koçanında ve kabuğunda polimerler biriktirilebilir.
Alternatif yöntemlerden biri de genetik modifiye mikroorganizmaları kullanmaktır. Yaygın olarak E.Coli’nin kullanıldığı “faj yerdeğiştirme” (“phage display”) tekniği böyle bir yaklaşımdır. Burada, istenilen üretim bilgisini taşıyan DNA, B lenfositlerinden izole edilir ve bakteriye yerleştirilir. Daha sonra bakteri, filament fajlar (bir çeşit virüs) ile enfekte edilir. Fajlar, bakteri içinde, genellikle çok sayıda antibadi fragmanını da taşıyacak şekilde çoğalır. İstenilen fragmanı taşıyan fajlar, bir biyoafinite sistemi ile ayrılır ve bunlarla yine bakteriyi enfekte edilerek üretimi gerçekleştirilir. Elde edilen monoklonal antibadi fragmanları saflaştırılıp ya doğrudan yada bir antibadi gövdesine takılarak kullanılabilir. Bu teknikte kullanılan reaktörler, hibridoma teknolojisinde kullanılanlardan çok daha düşük fiyatlı ve iyi tanımlanmış klasik fermentörlerdir, dolayısıyla üretim ucuz ve kolaydır.
Hazırlayanlar: Enver Ersoy ANDEDEN&Ahmet TEZER
#mikrobiyal #biyoteknoloji #bölüm