Élesztők - Kémiaiskola

Élesztő

Hansenula polymorpha

Élesztő egysejtű gombák, amelyek kihajtással vagy osztódással (hasadással) szaporodnak. A legtöbb az Ascomycota osztályhoz tartozik, de más gombák fejlődési szakaszait élesztőnek is nevezik. A gombás élesztőgombák (Basidiomycota) példái a különféle meztelen basidiafajok hajtási szakaszai (Exobasidium), számos foltos gomba vagy akár adott esetben emberi patogén gomba, mint pl Malassezia furfur.

Történelem és jelentés

Az élesztőgombák az egyik legfontosabb kereskedelmi jelentőségű mikroorganizmus, amely mindig is szolgálta az emberiséget. Már a Közel-Kelet korai fejlett civilizációiban az alkoholos italok, a bor és a sör, valamint a kenyér élesztő segítségével készültek, a kontextus ismerete nélkül. Az 1516-os bajor tisztasági törvény sem említi az élesztőt.

Csak akkor írta le művében Louis Pasteur (1822–1895) Études sur la bière, hogy az élesztő mikroorganizmusokból áll, és hogy ezeknek az organizmusoknak a jelenléte elengedhetetlen a fermentációs folyamathoz. Pasteur bebizonyította, hogy élesztő nélkül nem történik fermentáció, és más organizmusok (vad élesztő vagy baktériumok) jelenléte megzavarta az erjedési magatartást, ami romlott söröket vagy borokat eredményezett. Az élesztőket sör, bor, szeszes italok, élelmiszerek és sokféle biokémiai és terápiás anyag előállításához használják. Néhány élesztő az élelmiszer és a takarmány romlását okozza, mások gyógyászati ​​jelentőségűek.

Az élesztők mint modellorganizmusok fontos szerepet játszanak a biológiában, mivel a laboratóriumban könnyen termeszthetőek, genetikailag módosíthatók és vizsgálhatók. A legkisebb eukarióta szervezetek közé tartoznak. Mivel eukarióták, hasonlóságuk a magasabb rendű organizmusokkal lényegesen nagyobb, mint a baktériumoké.

biológia

Az élesztők ivartalanul szaporodnak csírázással vagy osztódással. Szexuális szaporodás is előfordul Ascosporidae-ban ascus és ascospore képződéssel, Basidiosporidae-ban basidiospore képződéssel.

Eukariótáként az élesztőgombák általában sokkal nagyobbak, mint a legtöbb baktérium, és tipikus eukarióták sejtszerkezettel rendelkeznek: összetett membránszerkezetek, kromoszómák és nagyszámú organella, beleértve a mitokondriumokat és az endoplazmatikus retikulumot, olyan struktúrák, amelyek nem találhatók meg a prokariótákban (baktériumok és archeák).

Körülbelül 700 élesztőfaj ismert ma, több mint 5000 törzzsel, de csak néhányat írtak le pontosan. Jelenleg nincs kötelező meghatározó definíció az élesztő számára, mert egyes jól ismert élesztők tulajdonságai, például az alkoholos erjedés és a sejtosztódás útján történő szaporodás nem minden élesztőnél közös, és nem is csak azokra jellemző.

Az élesztők többsége fakultatívan anaerob, azaz nem függ oxigéntől. Ha oxigén áll rendelkezésre, mint a legtöbb más élőlény, felhasználhatja oxidatív energia-anyagcseréhez (aerob légzés): Különböző cukrokat oxidálva szén-dioxid és víz keletkezhet. Oxigén hiányában azonban sok élesztő csak kis molekulájú anyagokra, például etanolra és szén-dioxidra bontja a cukrokat (például alkoholos erjesztéskor). Aerob körülmények között a cukor oxidációja több energiát biztosít, mint az erjedés. Ezért a tömegnövekedés és a sejtosztódás sebessége sokkal nagyobb az oxidatív cukor lebontása során, mint az erjedésnél. [1] [2]

Az élesztők sokféle szénhidrátot használnak. Ugyanakkor még nem írtak le olyan fajokat, amelyek felhasználhatják az összes természetesen előforduló cukrot. Néhány példa: A legfelső erjesztésű élesztő törzsek Saccharomyces cerevisiae használhat glükózt, fruktózt, mannózt, galaktózt, szacharózt, maltózt, maltotriózt és raffinózt. A szorosan rokon fajok Saccharomyces diastaticus és az alsó erjedésű szárai Saccharomyces cerevisiae (korábban, mint a fajok S. uvarum vagy S. carlsbergensis tiszteletben tartják) szintén használnak dextrineket és melobiózist. Saccharomyces cerevisiae és hozzátartozóik azonban nem használhatnak pentózisokat, mint például ribóz, xilóz és arabinóz, sem cellobióz, laktóz, inulin és cellulóz.

faj

Biotechnikai felhasználás

Az élesztőket a legkülönfélébb biotechnológiai folyamatokban használják. A legismertebb az etanolt tartalmazó italok, például a sör vagy a bor (és más alkoholos italok), valamint maga az etanol gyártása. Különösen a cukorélesztő (Saccharomyces) kenyér ("fehér pékség", élesztő tészta) és sör előállítására használják.

Ha a fermentálandó folyadék pektint tartalmaz, az erjedés során metanol keletkezik, amelyet az emberi test metanálra (formaldehid), majd metánsavra (hangyasav) bont és vaksághoz vezethet.

Bár az élesztő taxonómiája (biológiai szisztematikus osztályozása) ellentmondásos, legalább 1000 különálló törzs Saccharomyces Meg vannak határozva. Az ipar inkább az egyes törzsek tulajdonságaira összpontosít, mint az általános taxonómiai osztályozásokra. A taxonómia szempontjából a törzsek közötti "jelentéktelen" különbségek, mint például a felső vagy alsó fermentáció, valamint a hőmérsékleti optimák döntő jelentőségűek lehetnek a műszaki alkalmazásban. A klasszikus élesztőművelés nehéznek tűnik, mivel az ipari törzsek többsége poliploid vagy aneuploid, következésképpen nem rendelkezik haploid-diploid életciklussal. Ezek a törzsek tehát genetikailag stabilabbak, de alig kínálnak megfelelő szaporítási tevékenységet a klasszikus tenyésztési módszerek alkalmazásához. A gömbök képződését és a rekombináns DNS-t magában foglaló technikák azonban más, ipari potenciállal rendelkező élesztő törzsek kialakulásához vezetnek. Ezek a technikák fejlettek, és már régóta használják a mikrobiológiában, de az európai közvélemény még mindig nem fogadja el őket.

Ipari jelentőség

A ma előállított élesztő teljes tömege, beleértve a sörfőzésből, borászatból és élelmiszertermelésből származó mennyiségét is, évente több millió tonna. Bár a faj élesztői Saccharomyces cerevisiae az alapvető, gazdaságilag jelentős formát képviselik, számos „egzotikus” típusú élesztő létezik, amelyek egyéb lehetséges felhasználási lehetőségei a műszaki alkalmazások. A legtöbb Saccharomyces-Az élesztőket az élelmiszerjog szempontjából világszerte általában biztonságosnak tekintik (GRAS - általánosan elismert biztonságos), és két nagyon fontos elsődleges anyagcsereterméket állítanak elő, az etanolt és a szén-dioxidot.

Az etanolt alkoholfogyasztásként, üzemanyagként és oldószerként használják. A szén-dioxid felhasználása a kovász tésztától, az adalékanyagoktól az italokig, a komlókivonat előállításától az üvegházi kultúrákban való felhasználásig terjed. Az élesztõknek más fontos alkalmazásuk is van: Az élesztõkivonatokat az ételek ízesítésére használják, és nukleotidforrásként az anyatej-helyettesítõk fontos összetevõi. Az élesztők B-vitamin forrásként szolgálnak az emberek és az állatok számára. A steril élesztőkivonatok tápanyag-tápközegek komponenseiként szolgálnak a gombák tenyésztéséhez enzimtermelésben, vagy baktériumok előállításához probiotikumokhoz és silózó segédanyagokhoz.

Néhány sejtfalának szerkezete Saccharomyces-A fajok a nevelési környezeten keresztül (fermentáció menedzsment, táplálkozás) specifikusan szabályozhatók, ami ezeket a szervezeteket nagyon népszerűvé teszi a biotechnológiai iparban. Egyes törzsek sejtfalának rácsszerű glükánfrakciójának kimutatták, hogy toxint kötő tulajdonságokkal rendelkezik. A meghatározott mannanoproteinek lehetővé teszik a kórokozó baktériumok elleni küzdelmet, vagy oltások és gyógyszerek orális „promótereként” szolgálnak, ezek az alkalmazások az állati táplálkozás szempontjából is érdekesek lehetnek. Az élesztő jól leírt tápanyagszintézise lehetővé teszi aminosavak és szervesen kötött nyomelemek előállítását az emberi és állati táplálkozáshoz. A géntechnológia alkalmazása számos más fontos élesztő alkalmazáshoz vezetett, beleértve azokat a törzseket is, amelyek génmódosítással nem élesztőre jellemző fehérjéket és peptideket, például interferont, humán szérum albumint vagy inzulint termelnek.

Az élesztő mint "expressziós platformok" előnyei

Az élesztők nagyszámú, nagyon különböző organizmusból állnak, és nem csak a sütő- vagy sörélesztőből ismert sütő- vagy sörélesztőből. Saccharomyces cerevisiae.

Az élesztők ideális rendszerek az idegen fehérjék előállításához. Eukariótákként képesek glikozilálni a fehérjéket, így képesek a fehérjékhez cukorláncokat kötni: sok fehérje glikoprotein. Ezeket a glikoproteineket is képesek kiválasztani a környező tápközegbe - a bélbaktériumba E. coli ezt például nem teheti meg. Az élesztőben termelődő fehérjék tehát azonosak vagy nagyon hasonlóak az állatok vagy az emberek fehérjéihez.

Az első élesztőtípuson alapuló „expressziós platform” („fehérjegyár”) a már említett sütőélesztőt használta. Van azonban több mint 800 különféle élesztő, nagyon eltérő tulajdonságokkal. A sütőélesztővel ellentétben némelyikük nem korlátozódik a glükózra, mint szénforrásra növekedésükhöz, hanem különféle szubsztrátumokat használhatnak. Ezek közül az élesztőgombákat különféle módon használják - például a sütőélesztőt - a fehérjék géntechnológiájához.

Arxula adeninivorans (Blastobotrys adeninivorans)

Arxula adeninivorans dimorf élesztő típusú (élesztő formában nő 42 ° C hőmérséklet alatt, ezen hőmérséklet felett szálas formában). Sokféle energia- és szénforráson képes növekedni és asszimilálni a nitrátot. Különböző fehérjék előállításához használták. Genetikailag módosított törzsekből biológiailag lebontható műanyagot vagy bioszenzorokat állítottak elő az ösztrogének környezeti mintákban történő mérésére.

Candida boidinii

Candida boidinii egy metilotróf élesztőfaj (azaz energiaforrásként metanol-oxidációval és szénforrásként metanollal képes növekedni). Mint a többi metilotróf élesztő (lásd alább Hansenula polymorpha és Pichia pastoris) kiváló platformot kínál idegen fehérjék előállításához. Számos gramm/liter tenyésztermelékenységet írtak le számukra.

Hansenula polymorpha (Pichia angusta)

Hansenula polymorpha metilotróf élesztőfaj (lásd Candida boidinii). Növekedhet különféle egyéb szubsztrátokon is, termotoleráns mikroorganizmus és asszimilálhatja a nitrátot. Többek között hepatitis B vakcinák, inzulin és interferon-alfa2a előállítására használták a hepatitis C kezelésére, valamint különféle technikai enzimek előállítására.

Kluyveromyces lactis

Kluyveromyces lactis egyfajta élesztő, amelyet a kefir előállításához használnak. Különböző cukrokon nőhet, különösen fontos a tejben és a tejsavóban található cukor-laktóz. Többek között a genetikai módosítást követően kimozin, az oltó előállítására használták fel a tej túrására a sajtgyártásban. A kimozin előállítása nagy fermentorokban történik, 40 000 liter méretarányban.

Pichia pastoris

Pichia pastoris a metilotróf élesztő egy másik típusa (vö. Candida boidinii és Hansenula polymorpha). Különféle elemek állnak rendelkezésre készletként ehhez a „platformhoz”; világszerte használják az egyetemeken és tudományos intézményekben fehérjetermelésre. Újabban olyan törzseket fejlesztettek ki, amelyek teljesen hitelessé teszik az emberi fehérjék komplex cukorláncait (az élesztőfehérjék élesztőcukorláncai általában hasonlóak, de nem teljesen azonosak).

Saccharomyces cerevisiae

Az „élesztő” kifejezés gyűjtőfogalom, de gyakran csak az ilyen típusú élesztőre, a hagyományos sütő- vagy sörélesztőre vonatkozik. Saccharomyces cerevisiae, azért használják, mert ez az "élesztő" szó eredeti jelentése. Saccharomyces cerevisiae használták és használják többek között technikai enzimek, de aktív gyógyszerészeti összetevők, például inzulin és hepatitis B vakcinák előállítására is.

Yarrowia lipolytica

Yarrowia lipolytica dimorf típusú élesztő (vö. Arxula adeninivorans), amelyek a már ismertetett más fajokhoz hasonlóan különböző szubsztrátokon is növekedhetnek. Nagy potenciállal rendelkezik ipari alkalmazásokban, de egyelőre nincs kereskedelemben kapható géntechnológiai termék, amelyet ennek az élesztőnek a segítségével állítottak volna elő.

A különböző élesztők összehasonlítása

Az élesztő különféle típusai jelentősen különböznek bizonyos termékfejlesztésekben. Ezenkívül az úgynevezett vad típusoknak először „genetikai fehérje gyárakká” kell válniuk. A megfelelő élesztő törzseket vektor segítségével kell transzformálni (konkrétan: egy plazmid segítségével). Egy ilyen plazmid tartalmazza az összes szükséges genetikai elemet a transzformált törzs felismeréséhez és a genetikai útmutatást a kívánt fehérje előállításához. Ezeket az elemeket az alábbiakban röviden összefoglaljuk:

  1. Szelekciós marker, amely szükséges a transzformált törzs és a nem transzformált törzsek megkülönböztetéséhez - ezt például egy genetikai elem segítségével érhetjük el, amely lehetővé teszi a hibás törzs újratermelését olyan közegben, amelyben nélkülözhetetlen anyag hiányzik hogy maga a törzs hibája - például egy bizonyos aminosav - miatt már nem képes előállítani.
  2. Bizonyos elemek a plazmidok szaporodásához lenyelés után vagy beépítésre az élesztő kromoszóma meghatározott helyére (ARS és/vagy rDNS szekvencia).
  3. A kívánt fehérje szintéziséért felelős DNS-szegmens, az úgynevezett expressziós kazetta. Egy ilyen „kazetta” egy szabályozó szakasz szekvenciájából áll: először tartalmaz egy promótert, amely ellenőrzi, hogy egy későbbi szekvencia milyen mértékben és milyen körülmények között olvasható le (az mRNS transzkripciója), és ezáltal mennyi fehérje termelődik és milyen körülmények között válik.

Ez azt jelenti, hogy a következő szekvencia változik az előállítandó anyagtól függően. Például meghatározhatja az inzulin, a hepatitis B felületi antigének vagy az interferon aminosav-szekvenciáját. Az expressziós kazettát egy későbbi terminátor szekvencia határolja, amelynek segítségével a transzkripció helyesen fejeződik be. A transzkripció szabályozására szolgáló promóter elemek az egyes élesztőfajok nagyon aktív génjeiből származnak Hansenula polymorpha például a metanol anyagcsere génjeiből. Erősek és szabályozhatók bizonyos szénforrások tápközegbe történő hozzáadásával is. A legtöbb promóter, csakúgy, mint az imént említett, csak egyetlen rendszerben működik, mégpedig abban, amelyben származnak.

Megállapították, hogy a különféle élesztőgombák nagyon különbözőek abban, hogy bizonyos fehérjéket termeljenek. Különbségek vannak a feldolgozásban és a módosításokban, valamint általában a termelékenységben. Mivel eltérnek egymástól, nem zárható ki, hogy a folyamat és a termékfejlesztés elején meghatározott élesztő egyáltalán nem vagy csak hiányosan képes előállítani a kívánt anyagot. Ennek viszont költséges és időigényes következményei lehetnek. Ezért van értelme egyszerre többféle élesztőt ellenőrizni, hogy képesek-e egy bizonyos fehérjét előállítani a fejlődés kezdetén. Erre a célra kifejlesztettek egy olyan vektorrendszert, amely minden eddig vizsgált élesztőben funkcionális. Moduláris felépítésű és tartalmaz egy „univerzális” célszekvenciát, amely minden élesztőben azonos szekvenciában van jelen (az rDNS). Az expressziós kazettán belül tartalmaz egy promotert, amely minden élesztõben aktív.

Élesztő takarmányozásban

Az elpusztult sör vagy sörélesztő, mint magas rendelkezésre álló fehérjeforrás mellett, specifikus törzseket használtak körülbelül 20 éve Saccharomyces cerevisiae az állatok takarmányozásában probiotikumként használják. Ennek az igénylőlapnak a diadalmas előrehaladása, különösen a kérődzők szektorában, a söripar egyik fontos megfigyelésére vezet vissza: A kész zöld sör stabilizálásához a sörfőzők kis mennyiségű élesztőt használnak a "puffadás" során, amely a maradék oxigént fogyasztja. Ebben az összefüggésben James Hough brit sörtudós 1965-ben leírta a törzset S. cerevisiae NCYC 1026 szokatlanul magas oxigént fogyasztó tevékenység. Tanítványa, az ír sörmérnök, Pearse Lyons ezt a megfigyelést kereskedelmi célból használta fel először a tehenek bendőjében az anaerob állapot stabilizálására. Ma az élő élesztő kultúrák alkalmazása a kérődzők és lovak etetésében világszerte általános.

Az állatok teljesítményére és egészségére vonatkozó egyéb hatások az élő élesztő környezetmeghatározó és baktériumstimuláló tulajdonságaihoz vezethetők vissza. Különböző rostbontó és laktátot lebontó baktériumok az élesztőanyagok jelenlétére úgy reagálnak, hogy fokozzák anyagcseréjüket és szaporodási aktivitásukat. Az alkalmazott tulajdonságok ismét specifikusak az egyes Saccharomyces törzsekre. Ismertek ellentétes hatású törzsek is, például a laktátképzők stimulálása.

kilátások

Az élesztő jövőbeni alkalmazásainak keresése az állati takarmányozásban a természetes hemicellulázok és cellulázok előállítására összpontosul, amelyek kiváló minőségű fehérjék és egyedi aminosavak előállítására szolgálnak olcsó alapanyagokból, például rizshéjakból vagy az alkoholipar melléktermékeiből. Más területek közé tartozik a peptidek előállítása a fiatal állatok kiegyensúlyozott táplálására az "ideális fehérjék" értelmében, valamint az élesztőfehérje felhasználása kelátképző gyógyszerek és nyomelemek alapjaként. A kívánt típusú élesztők termesztése és előállítása sok know-how-t igényel, de nagyon sokoldalú és mindenekelőtt nagyon biztonságos. Saccharomyces cerevisiae és rokonaik ezért még sokáig elkísérik az emberiséget.