Yüksek verimli selülaz üreten Bacillus subtilis için fermantasyon koşullarının taranması, tanımlanması ve optimizasyonu
Son yıllarda, fosil yakıtların sınırsız kullanımıyla birlikte, küresel petrol fiyatları dramatik bir şekilde dalgalanarak insanların günlük yaşamını ciddi şekilde etkilemiştir. İnsanlar yeni alternatif enerji kaynaklarının araştırılması ve geliştirilmesi konusunda giderek daha fazla endişe duymaktadır ve selüloz biyokütle yakıtı şu anda en değerli ve umut verici yenilenebilir enerji kaynağı olarak kabul edilmektedir. Selüloz biyokütlesi, esas olarak selüloz, hemiselüloz ve ligninden oluşan, dünya üzerinde en yaygın dağılım gösteren ve en bol bulunan biyokütledir. Bununla birlikte, selüloz, hemiselüloz ve lignin, hidrojen ve kovalent bağlar yoluyla sıkıca bağlanır ve inatçı bir biyokütle yapısına sahiptir. Sadece 2%'den daha az selüloz kaynağı geliştirmiş durumdayız. Selülozu etanol gibi sıvı yakıtlara dönüştürmek için modern biyoteknolojinin kullanılması istikrarlı, yenilenebilir ve kirlilik içermeyen verimlere sahiptir ve enerji krizi, çevre kirliliği ve gıda krizi gibi sorunları çözme potansiyeline sahiptir. Ancak bu sorunu çözmek için en önemli şey verimli ve düşük maliyetli selülazlar elde etmektir.

Selülaz, monosakkaritler veya polisakkaritler üretmek için selülozu parçalayan, esas olarak endoglukanaz, ekzoglukanaz ve β -1,4 glukosidaz içeren bir grup karmaşık enzim sistemi için kullanılan kolektif bir terimdir. Bu üç enzim, selüloz maddelerini bozmak için birlikte çalışır. Şu anda, selülaz üreten bakteriler üzerine yapılan araştırmalar çoğunlukla Trichoderma, Penicillium ve Aspergillus gibi mantarlara odaklanmaktadır. Bununla birlikte, selülazlarının çoğu hücre zarına bağlanır, bu da kullanımı elverişsizdir ve enzim ayırma ve ekstraksiyon maliyeti çok yüksektir. Dahası, fungal selülazlar sadece uzun bir üretim döngüsüne sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda üretilen selülazların çoğunun iyi bir verimlilik sergilemesi için daha yüksek sıcaklıklarda olması gerekir. Oda sıcaklığında veya daha düşük sıcaklıklarda enzim aktivitesi çok düşüktür. Bakteriler mantarlardan daha hızlı büyür, rekombinant enzimlerin daha yüksek ifade seviyelerini elde edebilir ve enzimatik hidroliz sinerjik reaksiyonları için daha karmaşık glikozit hidrolazlar üretebilir. Bu arada, bakteriler yüksek bir doğal çeşitliliğe sahiptir ve ısıya dayanıklı ve alkali kararlı enzimler üretme olasılıkları daha yüksektir. Şimdiye kadar, kapsamlı olarak çalışılan selülaz üreten bakteriler arasında Vibrio, Bacillus, Bacteroides, Clostridium, Erwinia, Ruminococcus ve Thermomonas bulunmaktadır.

Şimdiye kadar, lignoselülozun dönüştürülmesi üzerine büyük miktarda araştırma yapılmış olmasına rağmen, selüloz biyokütlesinin biyoetanole dönüştürülmesi, hemiselülazların ve selülazların yüksek ticari maliyetleri nedeniyle hala önemli zorluklarla karşı karşıyadır. Bu nedenle, yeni, verimli ve düşük maliyetli selülazların geliştirilmesi acildir ve yüksek verimli selülaz suşlarının ıslahı özellikle önemlidir. Laboratuvarda korunmuş suşlardan yüksek verimli selülaz üreten bakteri suşlarını taramak, bunlar üzerinde tanımlama ve araştırma yapmak, selülaz hazırlama araştırmaları için suş kaynakları sağlamak ve genetik iyileştirme, genetik mühendisliği suşu yapımı ve diğer çalışmalar için belirli bir temel oluşturmak.

 

Bu çalışmada, laboratuvarda korunmuş suşlardan yüksek selülaz üretimine sahip toplam 5 bakteri suşu taranmıştır. Morfolojik, fizyolojik ve biyokimyasal özelliklerin yanı sıra 16S rDNA analizinden sonra, Bacillus subtilis, Bacillus subtilis'in 2 suşu ve Bacillus amyloliquefaciens'in 3 suşu olarak tanımlandı. Doğada birçok mantar ve bakteri çeşitli selülazlar üretebilmektedir. Şu anda, mantar selülazları üzerine birçok çalışma vardır ve piyasadaki selülazlar çoğunlukla mantarlardan gelmektedir. Selülaz üreten bakteriler de güçlü adaptasyon kabiliyetleri ve diğer avantajları nedeniyle son derece dikkat çekmiştir ve muhtemelen endüstride çok önemli bir selülaz kaynağı haline geleceklerdir. Bunlar arasında, Bacillus subtilis çok sayıda hücre dışı enzim üretip salgılayabilir ve bu da onu üzerinde çalışılan ana bakteri yapar. Ayrıca, selüloz matriksinde yavaş büyüme koşulları altında endosporlar ve ikincil metabolitler oluşturabilirler ve bu da onlara rekabet avantajı sağlar. Bunlar arasında Bacillus subtilis en çok rapor edilen mükemmel selülaz üreten bakteri iken, Bacillus amyloliquefaciens nadiren rapor edilmiştir.

Bu makalede Kongo Kırmızısı CMC plakasındaki hidroliz çemberi çapının koloni çapına oranı 4,5'ten büyük olup, minimum ZB6 4,61 ve maksimum AF1 bakteri oranı 8,04'e ulaşarak, mevcut yerli ve yabancı literatürde bildirilen aynı yöntem kullanılarak taranan yüksek enzim aktiviteli bakteri suşlarını çok aşmaktadır. Literatürde bildirilen en yüksek enzim aktivitesi, Tang Hao ve arkadaşları tarafından dev bambu filinin bağırsak kanalından izole edilen PX19 suşuydu. En yüksek enzim aktivitesine sahip suşun hidroliz çemberi çapının koloni çapına oranı sadece 4,83 idi. AF1 suşu tarafından selülaz üretimi için katı fermantasyon koşullarının optimize edilmesi ve taranmasından sonra, en yüksek filtre kağıdı enzim aktivitesi 26.904U/g'a ulaşabilir. Buna ek olarak, önceki araştırma ekibi AF1 bakterilerinin oldukça aktif amilaz, proteaz ve geniş spektrumlu antibakteriyel maddeler de üretebildiğini bulmuştur. Civcivleri beslemek için kullanıldığında, yem dönüşüm oranını önemli ölçüde artırabilir, patojen büyümesini engelleyebilir, hastalık oluşumunu azaltabilir ve ölüm oranını düşürebilir. Çoklu işlevlere ve büyük gelişme potansiyeline sahip güçlü bir türdür.