Drojdii - Școala de chimie

Drojdie

Drojdie sunt ciuperci unicelulare care se înmulțesc prin încolțire sau divizare (despicare). Majoritatea aparțin departamentului Ascomycota, dar etapele de dezvoltare ale altor ciuperci sunt denumite și drojdii. Exemple de drojdii de ciuperci (Basidiomycota) sunt etapele de tragere ale diferitelor specii de basidii goi (Exobasidium), anumite etape de dezvoltare a multor ciuperci smut sau chiar opțional ciuperci patogene umane, cum ar fi Malassezia furfur.

Istorie și sens

Drojdiile sunt unul dintre cele mai importante microorganisme de importanță comercială care au servit întotdeauna omenirea. Deja în primele civilizații avansate din Orientul Mijlociu, băuturile alcoolice, vinul și berea, precum și pâinea erau făcute cu ajutorul drojdiei, fără a cunoaște contextul. Legea purității bavareze din 1516 nu menționează nici drojdia.

Abia după descrierea lui Louis Pasteur (1822-1895) în lucrarea sa Études sur la bière, că drojdia este formată din microorganisme și că prezența acestor organisme este esențială pentru procesul de fermentare. Pasteur a dovedit că fără drojdie nu are loc nici o fermentație, iar prezența altor organisme (drojdie sălbatică sau bacterii) a perturbat comportamentul de fermentare, rezultând beri sau vinuri răsfățate. Drojdiile sunt utilizate în producția de bere, vin, băuturi spirtoase, alimente și o mare varietate de substanțe biochimice și terapeutice. Unele drojdii provoacă alterarea alimentelor și furajelor, altele sunt de importanță medicinală.

Drojdiile joacă un rol important ca organisme model în biologie, deoarece pot fi ușor cultivate, modificate genetic și examinate în laborator. Sunt printre cele mai mici organisme eucariote. Deoarece sunt eucariote, asemănarea lor cu organismele superioare este semnificativ mai mare decât cea a bacteriilor.

biologie

Drojdiile se reproduc asexuat prin încolțire sau împărțire. Reproducerea sexuală are loc, de asemenea, la Ascosporidae cu formare de ascus și ascospori, la Basidiosporidae cu formare de bazidiospori.

Ca eucariote, drojdiile sunt în general mult mai mari decât majoritatea bacteriilor și au structuri celulare tipice ale eucariotelor: structuri membranare complexe, cromozomi și un număr mare de organite, inclusiv mitocondriile și reticulul endoplasmatic, structuri care nu se găsesc în procariote (bacterii și arhee).

Aproximativ 700 de tipuri de drojdie sunt cunoscute astăzi cu peste 5.000 de tulpini, dar doar câteva au fost descrise cu exactitate. În prezent nu există o definiție obligatorie care să definească drojdia, deoarece proprietățile unor drojdii bine cunoscute, cum ar fi fermentația alcoolică și reproducerea prin diviziune celulară, nu sunt comune tuturor drojdiilor și nu sunt unice pentru ele.

Majoritatea drojdiilor sunt facultativ anaerobe, adică nu depind de oxigen. Dacă este disponibil oxigen, la fel ca majoritatea celorlalte viețuitoare, îl puteți folosi pentru un metabolism al energiei oxidative (respirație aerobă): puteți oxida diferite zaharuri pentru a forma dioxid de carbon și apă. Cu toate acestea, în absența oxigenului, multe drojdii pot descompune zaharurile doar în substanțe moleculare scăzute, de exemplu în etanol și dioxid de carbon (de exemplu, în fermentația alcoolică). Oxidarea zahărului în condiții aerobe oferă mai multă energie decât fermentarea. Prin urmare, rata de creștere a masei și rata de diviziune celulară sunt mult mai mari cu descompunerea zahărului oxidativ decât cu fermentarea. [1] [2]

Drojdiile folosesc o gamă largă de carbohidrați. Cu toate acestea, nu a fost descrisă încă nicio specie care să poată utiliza toate zaharurile naturale. Câteva exemple: Tulpinile de drojdie cu fermentare superioară Saccharomyces cerevisiae poate folosi glucoză, fructoză, manoză, galactoză, zaharoză, maltoză, maltotrioză și rafinoză. Specia strâns înrudită Saccharomyces diastaticus iar tulpinile care fermentează fundul Saccharomyces cerevisiae (mai devreme decât speciile S. uvarum sau S. carlsbergensis utilizați, de asemenea, dextrine și melobioză. Saccharomyces cerevisiae și rudele lor, totuși, nu pot folosi pentoze precum riboză, xiloză și arabinoză, nici celobioză, lactoză, inulină și celuloză.

specii

Utilizarea biotehnică

Drojdiile sunt utilizate într-o mare varietate de procese biotehnologice. Cea mai cunoscută este producția de băuturi care conțin etanol, cum ar fi bere sau vin (și alte băuturi alcoolice), precum și etanolul în sine.Saccharomyces) sunt folosite pentru producția de pâine („brutărie albă”, aluat de drojdie) și bere.

Dacă lichidul care urmează să fie fermentat conține pectină, metanolul este produs în timpul fermentării, care este descompus în corpul uman în metanal (formaldehidă) și ulterior în acid metanoic (acid formic) și poate duce la orbire.

În timp ce taxonomia (clasificarea sistematică biologică) a drojdiei este controversată, cel puțin 1.000 de tulpini separate de Saccharomyces Sunt definite. Industria se concentrează mai mult pe proprietățile triburilor individuale decât pe clasificările taxonomice generale. Pentru taxonomie, diferențele „nesemnificative” între tulpini precum fermentația superioară sau inferioară, precum și temperatura optimă pot avea o importanță decisivă în aplicația tehnică. Cultivarea clasică a drojdiei pare dificilă, deoarece majoritatea tulpinilor utilizate industrial sunt poliploide sau aneuploide și, prin urmare, nu au un ciclu de viață haploide-diploide. Prin urmare, aceste tulpini sunt mai stabile din punct de vedere genetic, dar cu greu oferă activități reproductive adecvate pentru utilizarea metodelor clasice de reproducere. Cu toate acestea, tehnicile care implică formarea sferoplastelor și ADN-ul recombinant duc la generarea altor tulpini de drojdie cu potențial industrial. Aceste tehnici sunt bine avansate și sunt utilizate de mult timp în special în microbiologie, dar există încă o lipsă de acceptare de către publicul european.

Importanța industrială

Masa totală de drojdie produsă astăzi, inclusiv cele provenite din fabricarea berii, vinificației și producției de alimente, este de milioane de tone anual. Deși drojdii din specie Saccharomyces cerevisiae reprezintă forma esențială, semnificativă din punct de vedere economic, există numeroase tipuri de drojdie „exotice” cu alte utilizări potențiale pentru aplicații tehnice. Cel mai Saccharomyces-Drojdiile sunt în general recunoscute la nivel mondial ca fiind sigure în ceea ce privește legislația alimentară (GRAS - General Recognized As Safe) și produc două produse metabolice primare foarte importante, etanolul și dioxidul de carbon.

Etanolul este utilizat ca băut alcool, ca combustibil și ca solvent. Utilizarea dioxidului de carbon variază de la aluatul dospit, aditivi la băuturi, producția de extract de hamei pentru a fi utilizat în culturile de seră. Există, de asemenea, alte aplicații importante ale drojdiilor.Extractele de drojdie sunt folosite pentru aromarea alimentelor și, ca sursă de nucleotide, sunt o componentă importantă a înlocuitorilor laptelui matern. Drojdiile servesc ca sursă de vitamina B pentru oameni și animale. Extractele sterile de drojdie servesc drept componente ale mediului nutritiv pentru cultivarea ciupercilor în producția de enzime sau pentru producerea de bacterii pentru probiotice și ajutoare pentru însilozare.

Structura peretelui celular al unora Saccharomyces-Speciile pot fi controlate în mod specific prin mediul de creștere (gestionarea fermentației, nutriție), ceea ce face ca aceste organisme să fie foarte populare în industria biotehnologiei. Fracția de glucan asemănătoare rețelei din peretele celular al unor tulpini s-a dovedit a avea proprietăți de legare a toxinei. Mannanoproteinele definite permit lupta împotriva bacteriilor patogene sau servesc drept „promotori” orali de vaccinuri și medicamente, aplicații care ar putea fi de interes și pentru hrana animalelor. Sinteza bine descrisă de nutrienți a drojdiei permite producerea de aminoacizi și oligoelemente legate organic pentru hrana umană și animală. Utilizarea ingineriei genetice a dus la numeroase alte aplicații importante ale drojdiei, inclusiv tulpini care, prin modificarea genetică, produc proteine și peptide tipice non-drojdiei precum interferonul, albumina serică umană sau insulina.

Avantajele drojdiei ca „platforme de expresie”

Drojdiile constau dintr-un număr mare de organisme foarte diferite și nu doar drojdia de brutar sau de bere, care este cunoscută în general din coacere și fabricare. Saccharomyces cerevisiae.

Drojdiile sunt sisteme ideale pentru producerea de proteine străine. Ca eucariote, sunt capabili să glicozileze proteinele, deci sunt capabili să atașeze lanțurile de zahăr la proteine: multe proteine sunt glicoproteine. De asemenea, sunt capabili să secrete aceste glicoproteine în mediul nutritiv care le înconjoară - bacteriile intestinale E coli nu pot face acest lucru, de exemplu. Prin urmare, proteinele produse în drojdie sunt identice sau foarte asemănătoare cu proteinele animalelor sau ale oamenilor.

Prima „platformă de expresie” („fabrică de proteine”) bazată pe un tip de drojdie a folosit drojdia de brutar deja menționată. Cu toate acestea, există mai mult de 800 de tipuri diferite de drojdie cu proprietăți foarte diferite. Spre deosebire de drojdia de panificație, unele dintre ele nu se limitează la glucoză ca sursă de carbon pentru creșterea lor, dar pot folosi o varietate de substraturi diferite. Diferite dintre aceste drojdii sunt utilizate - cum ar fi drojdia de brutar - pentru ingineria genetică a proteinelor.

Arxula adeninivorans (Blastobotrys adeninivorans)

Arxula adeninivorans este un tip de drojdie dimorfă (crește sub formă de drojdie sub o temperatură de 42 ° C, peste această temperatură sub formă filamentoasă). Poate crește cu surse de energie și carbon foarte diferite și poate asimila azotați. A fost folosit pentru producerea diferitelor proteine. Tulpinile modificate genetic au fost folosite pentru a produce plastic biodegradabil sau biosenzori pentru măsurarea estrogenilor în probe de mediu.

Candida boidinii

Candida boidinii este o specie de drojdie metilotrofică (adică, capabilă să crească cu oxidarea metanolului ca sursă de energie și metanolul ca sursă de carbon). La fel ca alte drojdii metilotrofice (vezi mai jos Hansenula polymorpha și Pichia pastoris) oferă o platformă excelentă pentru producerea de proteine străine. Pentru ei au fost descrise productivități de multe grame pe litru de cultură.

Hansenula polymorpha (Pichia angusta)

Hansenula polymorpha este o specie de drojdie metilotrofică (a se vedea Candida boidinii). Poate crește și pe o varietate de alte substraturi, este un microorganism termotolerant și poate asimila azotatul. Printre altele, a fost utilizat pentru producerea de vaccinuri împotriva hepatitei B, insulină și interferon-alfa2a pentru tratamentul hepatitei C, precum și pentru producerea diferitelor enzime tehnice.

Kluyveromyces lactis

Kluyveromyces lactis este un tip de drojdie care se folosește la producerea chefirului. Poate crește pe diferite zaharuri, zahărul lactoză, care se găsește în lapte și zer, este deosebit de important. Printre altele, după modificarea genetică, a fost utilizat pentru producerea de chimozină, fermentul de cheag, pentru coagularea laptelui în producția de brânză. Producerea chimozinei are loc în fermentatoare mari pe o scară de 40.000 l.

Pichia pastoris

Pichia pastoris este un alt tip de drojdie metilotrofică (cf. Candida boidinii și Hansenula polymorpha). Diverse elemente sunt disponibile ca kituri pentru această „platformă”; este utilizat la nivel mondial în universități și instituții academice pentru producția de proteine. Mai recent, au fost dezvoltate tulpini care produc lanțuri complexe de zahăr ale proteinelor umane într-un mod complet autentic (lanțurile de zahăr din drojdie în proteinele de drojdie sunt de obicei similare, dar nu complet identice).

Saccharomyces cerevisiae

Termenul „drojdie” este un termen colectiv, dar este adesea folosit doar pentru acest tip de drojdie, drojdia tradițională de brutar sau de bere Saccharomyces cerevisiae, folosit pentru că acesta este sensul original al cuvântului „drojdie”. Saccharomyces cerevisiae a fost și este utilizat, printre altele, pentru producerea enzimelor tehnice, dar și a ingredientelor farmaceutice active, cum ar fi vaccinurile împotriva insulinei și a hepatitei B.

Yarrowia lipolytica

Yarrowia lipolytica este un tip dimorf de drojdie (cf. Arxula adeninivorans), care, la fel ca alte specii deja descrise, pot crește pe diferite substraturi. Are un mare potențial pentru aplicații industriale, dar nu există încă un produs de inginerie genetică disponibil în comerț care să fie produs cu ajutorul acestei drojdii.

Compararea diferitelor drojdii

Diferitele tipuri de drojdie diferă considerabil în anumite evoluții ale produsului. În plus, așa-numitele tipuri sălbatice trebuie să devină mai întâi „fabrici de proteine genetice”. Tulpinile de drojdie adecvate trebuie transformate cu ajutorul unui vector (în mod specific: cu ajutorul unei plasmide). O astfel de plasmidă conține toate elementele genetice necesare pentru recunoașterea unei tulpini transformate și îndrumarea genetică pentru producerea proteinei dorite. Aceste elemente sunt rezumate pe scurt mai jos:

Un marker de selecție care este necesar pentru a distinge o tulpină transformată de tulpini netransformate - acest lucru poate fi realizat, de exemplu, printr-un element genetic care permite unei tulpini defecte să crească din nou în medii în care lipsește o substanță indispensabilă că tulpina în sine nu mai poate produce din cauza defectului său, cum ar fi un anumit aminoacid.
Anumite elemente pentru a multiplica plasmidele după ingestie sau pentru a le încorpora într-o locație specifică a cromozomului de drojdie (ARS și/sau secvență ADNr).
Un segment de ADN care este responsabil pentru sinteza proteinei dorite, numită casetă de expresie. O astfel de „casetă” constă dintr-o secvență de secțiuni de reglare: mai întâi conține un promotor care controlează în ce măsură și în ce circumstanțe se citește o secvență ulterioară (transcrierea ARNm) și, astfel, câtă proteină este produsă și în ce circumstanțe devine.

Aceasta înseamnă că următoarea secvență este variabilă în funcție de substanța care trebuie produsă. De exemplu, poate defini secvența de aminoacizi pentru insulină, antigeni de suprafață ai hepatitei B sau interferon. Caseta de expresie este delimitată de o secvență de terminare ulterioară, prin intermediul căreia transcrierea este terminată corect. Elementele promotor pentru controlul transcrierii provin din gene foarte active ale speciilor individuale de drojdie Hansenula polymorpha de exemplu din gene ale metabolismului metanolului. Ele sunt puternice și pot fi, de asemenea, reglementate prin adăugarea anumitor surse de carbon într-un mediu de cultură. Majoritatea promotorilor, la fel ca cei menționați, funcționează doar într-un singur sistem, și anume cel din care provin.

S-a constatat că diferitele tipuri de drojdie sunt foarte diferite în ceea ce privește capacitatea lor de a produce anumite proteine. Există diferențe în procesare și modificare și, în general, în productivitate. Întrucât acestea diferă, nu se poate exclude faptul că o drojdie specificată la începutul unui proces și a dezvoltării produsului nu este deloc sau este în mod imperfect capabilă să producă substanța dorită. La rândul său, acest lucru poate avea consecințe costisitoare și consumatoare de timp. Prin urmare, este logic să verificați mai multe tipuri de drojdie în același timp pentru capacitatea lor de a produce o anumită proteină la începutul unei dezvoltări. În acest scop, a fost dezvoltat un sistem vector care este funcțional în toate drojdiile examinate până acum. Are o structură modulară și conține o secvență țintă „universală” care este prezentă într-o secvență identică în toate drojdiile (ADNr). În interiorul casetei de expresie conține un promotor care este activ în toate drojdiile.

Drojdia în hrana animalelor

În plus față de utilizarea berii sau a drojdiei de bere sub formă ucisă ca sursă de proteină extrem de disponibilă, tulpini specifice au fost utilizate de aproximativ 20 de ani Saccharomyces cerevisiae utilizat în hrana animalelor ca probiotice. Avansul triumfător al acestui formular de cerere, în special în sectorul rumegătoarelor, revine la o observație importantă din industria berii: pentru a stabiliza berea verde finită, berarii folosesc o cantitate mică de drojdie în procesul de „pufare”, care consumă oxigen rezidual. În acest context, omul de știință britanic în fabricarea berii James Hough a descris în 1965 la tulpină S. cerevisiae NCYC 1026 activitate neobișnuit de mare consumatoare de oxigen. Studentul său, inginerul irlandez de fabricare a berii Pearse Lyons, a folosit această observație pentru prima dată comercial în 1980 pentru a stabiliza starea anaerobă în rumenul vacilor. Astăzi, utilizarea culturilor de drojdii vii în hrănirea rumegătoarelor și a cailor este standard la nivel mondial.

Alte efecte relevante pentru performanța și sănătatea animalelor pot fi urmărite înapoi la proprietățile care definesc mediul și stimulează bacteriile drojdiei vii. Diferite bacterii care degradează fibrele și lactatul reacționează la prezența drojdiilor prin creșterea metabolismului și a activităților lor de reproducere. Proprietățile utilizate sunt din nou specifice pentru tulpini individuale de Saccharomyces. De asemenea, sunt cunoscute tulpinile cu efecte opuse, cum ar fi stimularea formatorilor de lactat.

perspectivă

Căutarea de aplicații viitoare pentru drojdie în hrana animalelor se concentrează pe producerea de hemicelulaze și celulaze naturale pentru producerea de proteine de calitate superioară și aminoacizi individuali din materii prime ieftine, cum ar fi coji de orez sau subproduse din industria alcoolică. Alte domenii includ generarea de peptide pentru hrănirea animalelor tinere echilibrate în sensul „proteinelor ideale” și utilizarea proteinei de drojdie ca bază pentru chelarea medicamentelor și oligoelementelor. Cultivarea și producerea de drojdii de tipul dorit necesită o mulțime de cunoștințe, dar este foarte versatil și, mai presus de toate, foarte sigur. Saccharomyces cerevisiae iar rudele lor vor însoți, prin urmare, omenirea pentru mult timp.