Nagy hozamú celluláztermelő Bacillus subtilis szűrése, azonosítása és fermentációs körülményeinek optimalizálása
Az elmúlt években a fosszilis tüzelőanyagok korlátlan felhasználásával a kőolaj világpiaci ára drámaian ingadozott, ami súlyosan érintette az emberek mindennapi életét. Az embereket egyre inkább foglalkoztatja az új alternatív energiaforrások kutatása és fejlesztése, és a cellulóz biomassza üzemanyagot jelenleg a legértékesebb és legígéretesebb megújuló energiaforrásként ismerik el. A cellulóz biomassza a Földön legelterjedtebb és leggazdagabb biomassza, amely főként cellulózból, hemicellulózból és ligninből áll. A cellulóz, a hemicellulóz és a lignin azonban hidrogén- és kovalens kötések révén szorosan kötődnek egymáshoz, és makacs biomassza szerkezettel rendelkeznek. Csak kevesebb mint 2% cellulózforrást fejlesztettünk ki. A modern biotechnológia alkalmazása a cellulóz folyékony üzemanyaggá, például etanollá történő átalakítására stabil, megújuló és szennyezésmentes hozamot biztosít, és olyan problémák megoldására kínál lehetőséget, mint az energiaválság, a környezetszennyezés és az élelmiszerválság. A probléma megoldásához azonban a legfontosabb dolog a hatékony és olcsó cellulázok előállítása.

A celluláz olyan komplex enzimrendszerek csoportjának gyűjtőneve, amelyek a cellulózt monoszacharidok vagy poliszacharidok előállítása céljából lebontják, és amelyek közé elsősorban az endoglükanáz, az exoglükanáz és a β -1,4 glükozidáz tartozik. Ez a három enzim együtt dolgozik a cellulózanyagok lebontásán. Jelenleg a celluláztermelő baktériumokkal kapcsolatos kutatások elsősorban a gombákra, például a Trichoderma, a Penicillium és az Aspergillus baktériumokra összpontosítanak. A legtöbb cellulázuk azonban a sejtmembránhoz kötődik, ami kényelmetlen a felhasználás szempontjából, és az enzim leválasztásának és kivonásának költségei túl magasak. Ráadásul a gombák cellulázainak nemcsak hosszú az előállítási ciklusa, hanem a legtöbb előállított celluláznak magasabb hőmérsékleten is kell lennie ahhoz, hogy jó hatékonyságot tudjon kifejteni. Szobahőmérsékleten vagy alacsonyabb hőmérsékleten az enzimaktivitás nagyon alacsony. A baktériumok gyorsabban nőnek, mint a gombák, magasabb expressziós szinteket érhetnek el a rekombináns enzimekből, és komplexebb glikozid-hidrolázokat állíthatnak elő az enzimatikus hidrolízis szinergikus reakcióihoz. Eközben a baktériumok nagy természetes diverzitással rendelkeznek, és nagyobb valószínűséggel termelnek hőálló és lúgstabil enzimeket. Az eddig széles körben vizsgált celluláztermelő baktériumok közé tartoznak a Vibrio, Bacillus, Bacteroides, Clostridium, Erwinia, Ruminococcus és Thermomonas.

Bár eddig számos kutatás folyt a lignocellulóz átalakításával kapcsolatban, a cellulóz biomassza bioetanollá történő átalakítása még mindig jelentős kihívásokkal küzd a hemicellulázok és cellulázok magas kereskedelmi költségei miatt. Ezért sürgős az új, hatékony és olcsó cellulázok kifejlesztése, és különösen fontos a nagy hozamú celluláz törzsek nemesítése. A nagy hozamú celluláztermelő baktériumtörzsek szűrése laboratóriumban tartósított törzsekből, azonosításuk és kutatásuk elvégzése, törzsforrások biztosítása a cellulázkészítmény-kutatáshoz, valamint bizonyos alapok lefektetése a genetikai javításhoz, géntechnológiai törzsépítéshez és egyéb munkákhoz.

 

Ebben a vizsgálatban összesen 5 nagy celluláztermelésű baktériumtörzset vizsgáltak laboratóriumban tartósított törzsekből. Morfológiai, fiziológiai és biokémiai jellemzők, valamint 16S rDNS-elemzés után Bacillus subtilis, 2 Bacillus subtilis törzset és 3 Bacillus amyloliquefaciens törzset azonosítottak. A természetben számos gomba és baktérium képes különböző cellulázok előállítására. Jelenleg számos tanulmány foglalkozik a gombák cellulázaival, és a piacon lévő cellulázok főként gombákból származnak. A celluláztermelő baktériumok is rendkívüli figyelmet kaptak erős alkalmazkodóképességük és egyéb előnyeik miatt, és valószínűleg nagyon fontos cellulázforrássá válnak az iparban. Közülük a Bacillus subtilis képes nagyszámú extracelluláris enzimet előállítani és kiválasztani, így ez a legfontosabb vizsgált baktérium. Ezen kívül endospórákat és másodlagos metabolitokat is képesek képezni a cellulózmátrixban lassú növekedés mellett, ami versenyelőnyhöz juttatja őket. Közülük a Bacillus subtilis a legtöbbet közölt kiváló celluláztermelő baktérium, míg a Bacillus amyloliquefaciensről ritkán számolnak be.

A hidrolízis körátmérő és a kolóniaátmérő aránya a Kongóvörös CMC lemezen ebben a cikkben nagyobb, mint 4,5, a minimális ZB6 4,61, a maximális AF1 baktérium arány pedig 8,04, ami messze meghaladja a meglévő hazai és külföldi szakirodalomban közölt, ugyanezen módszerrel szűrt magas enzimaktivitású baktériumtörzseket. Az irodalomban közölt legmagasabb enzimaktivitást a Tang Hao et al. által az óriás bambuszelefánt bélrendszeréből izolált PX19 törzs mutatta ki. A legnagyobb enzimaktivitású törzs hidrolíziskör átmérőjének és a kolónia átmérőjének aránya mindössze 4,83 volt. Az AF1 törzs celluláztermelésének szilárd fermentációs körülményeinek optimalizálása és szűrése után a legmagasabb szűrőpapír enzimaktivitása elérte a 26,904U/g-ot. Emellett a korábbi kutatócsoport megállapította, hogy az AF1 baktériumok képesek nagy aktivitású amilázt, proteázt és széles spektrumú antibakteriális anyagokat is termelni. A csibék etetésére használva jelentősen javíthatja a takarmány-átalakítási arányt, gátolhatja a kórokozók növekedését, csökkentheti a betegségek előfordulását és csökkentheti az elhullási arányt. Ez egy erőteljes törzs, amely többféle funkcióval és nagy fejlesztési potenciállal rendelkezik.