MİKROORGANİZMALARDAN ENZİM ÜRETİMİ
Enzim nedir, enzimlerin görevleri nelerdir?
Enzim, (hemen hemen hepsi denilebilecek kadar büyük çoğunluğu) protein yapısında olan, doğal olarak yalnız canlılar tarafından sentezlenebilen biyolojik katalizörlerdir.
Hücre içersinde meydana gelen binlerce tepkimenin hızını ve özgüllüğünü düzenlerler. Çok defa hücre dışında da etkinliklerini korurlar. Aynı enzim farklı hücre veya doku tiplerinde de katalizör görevi üstlenebilir. Bu durumda üç boyutlu yapısı farklı, ancak görevleri aynı olan ‘izoenzimler’den söz edilir. Canlı hücrelerde tepkimeler kural olarak,0-50 0C; çoğunlukla da 20-42 0C arasında meydana gelir.
Enzimlerin çoğu protein yapısındadır ya da protein kısım bulundururlar. Enzimin etki ettiği bileşiğe “Substrat”, enzimin saniyede etki ettiği substrat molekül sayısına “Enzimin Etkinlik Değeri=Turnover sayısı” denir. Kuramsal olarak enzimli tepkimeler dönüşümlüdür. Enzimler, aktivasyon enerjisini düşürerek, zor ve uzun sürede gerçekleşecek olan tepkimeleri çok kısa sürede ve az enerji harcanarak yapmayı sağlarlar.
ENZİM ÇEŞİTLERİ
Metabolik Enzimler
Vücutta gıdaların parçalanıp sindirildiği ve ardından da sayısız metabolik işlemin yapıldığı müthiş bir sistem vardır. Canlı organizmanın hücreleri içinde meydana gelen ve enzimlerle kontrol edilen olayların hepsine metabolizma adı verilir. Metabolizma ile, enerji üretimi ve madde yapımı gerçekleştirilir. ATP üretimi ve protein sentezi ise iki önemli metabolik reaksiyondur. Metabolik enzimler, bütün bu işlemleri ele alıp gerçekleştirmekle sorumludurlar. Vücuttaki her metabolik işlem, metabolik enzimler tarafından yönetilir.
Bir insan vücudu, üreme hücreleri dışında ki bunlar vücut ağırlığının sadece %0.1’lik kısmını oluştururlar, yaklaşık 12 yıl öncesinden tamamen farklıdır. 12 yıl boyunca bedeninizdeki tüm hücreleriniz yenilenmiştir. Karaciğeriniz eski karaciğeriniz değildir. Bedeninizde akan kan 10 yıl önceki kanınız olmadığı gibi, kanınız da 10 yıl öncesinden tamamen farklı damarlarda dolaşmaktadır. Organlarınızın tamamı değişmiş, tamamen yeni hücre ve moleküllerle yenilenmiştir. Bu elbette şaşırtıcı bir olaydır. Her üç ayda bir yeni bir deri ile kuşanırsınız. En hızlı yenilenme cildinizdedir. Sonra bunu organlarınız takip eder. Yıllar içinde akciğerleriniz, böbrekleriniz, mideniz ve tüm diğer organlarınız peşpeşe değişirler. Bu satırları okuyan gözleriniz bile. En ağır değişim ise kemik ve kıkırdaklarınızda gerçekleşir. Onların değişimi yaklaşık olarak 10 yıl kadar sürer. Ama sonunda onlar da yenilenirler. Bunun için bedende sürekli bir inşaya ihtiyaç vardır. İşte bedeninizin inşa edilmesinde görev alan işçilerin en önemlileri metabolik enzimlerdir. Onlar, sindirilmiş 45 temel besini alır ve onları kaslara, sinirlere, kemiklere, kana ve organlara dönüştürürler. Bir başka deyişle, bir hücrenin hayatta kalabilmesi için yakıt sağlarlar. Hücrenin fonksiyonlarını yerine getirebilmesi için gereken tüm reaksiyonlarda devreye girer ve onları saliseler içinde sonuçlandırırlar. Bir DNA’nın kopyalanabilmesi, ATP’nin enerji depolayabilmesi, besinlerin hücreye giriş çıkışları ve duyularımızdan gelen elektrik akımının sinirler boyunca iletilmesi gibi “yaşamla” ilgili her şeyde görev alırlar.
Metabolik enzimler,doğduğumuz andan itibaren bize verilmiş önemli birer hazinedirler. Yaşamımızın ilk anlarından itibaren sayısız işlemi yerine getirmek üzere sürekli olarak görev başındadırlar. Aynı enzimler, defalarca, hiç durmaksızın aynı işlemleri tekrar ederler. Ancak onların da ömürleri vardır. Enzimler, biz yaşadıkça azalırlar. Enzimlerin vücutta azalmalarının ve dolayısıyla eskisi gibi etkili şekilde görevlerini yapamamalarının diğer bir adı da “yaşlılıktır”. Çünkü yaşlılık aslında bir insanın ne kadar uzun hayatta kaldığı değil, vücudundaki dokuların bir arada olup olmadığı ile ilgilidir. Bu dokular da, her hücrenin metabolizmasının yüklenmiş olduğu enzim miktarına bağlıdır. Yani enzimler ne kadar fazla sayıda ve ne kadar fonksiyonelse, insanın metabolizması da o kadar gençtir.
Elbette tüm bu sistemlerin çalışması ve metabolizmanın bu düzenini koruması sizin elinizde değildir. Bir insan genç ve dengeli besleniyor olsa bile, enzimleri gerekli işleri yerine getirmedikçe bedenini canlı tutabilmek için yapabileceği bir şey yoktur. Hücreler bir düzen içinde ölmeye devam edecek, bir türlü yenilenmeyecek ve organlar gitgide işlevlerini yitirecektir. Enzimler insanın yaşamını sürdürmesini sağlayan varlıklardır. Ancak şunu unutmamak gerekir: Enzimler, akıl ve şuur sahibi olmayan birer proteindir; metabolizma dediğimiz şey de bu proteinlerin işleyişinden başka bir şey değildir. Bu varlıkların tesadüflerin sonucu olarak insanı hayatta tutmaya yarayacak görevler edindiklerini düşünmek de son derece akıl dışı olacaktır.
Gıda Enzimleri
Aldığımız her gıda, bedenin inşası için kullanılacak önemli yapı taşlarına sahiptir. Çiğ olarak yediğimiz gıdalar ise, kendi kendini sindirebilecek çok daha önemli bir hazineyle birlikte vücudumuza girerler: Kendi enzimleriyle.
Gıda enzimleri, yeryüzünde karşılaşacağınız her besinde mevcuttur. Bu enzimler sadece ısıya karşı dayanıksızdırlar. Bir besini pişirdiğiniz zaman, içindeki tüm enzimleri kaybedersiniz. Ancak besini çiğ olarak yerseniz, besinin %75’ini kendi enzimleri sindirir. Besini kendi enzimlerinin sindirmesi ise, vücut için önemli bir katkıdır. Vücut fazladan enzim üretimi yaparak yorulmaz, sindirim enzimi üretebilmek için, hücrelere gerekli olan metabolik enzimlerin üretimini yavaşlatmak zorunda kalmaz.
Besinlerin içinde sürekli faaliyet halinde olan enzimlere en iyi örnek, meyvelerde bulunan enzimlerdir. Örneğin muz, yeşil renkte olduğunda muzun %20’si nişastadır. Ancak sıcakta bırakıldığında ve üzeri beneklenmeye başladığında, amilaz enzimi muzun içindeki %20 oranındaki nişastayı %20 oranında şekere dönüştürür. Bu şekerin yaklaşık 1/4’lük kadar kısmı glikozdur. Bunun artık beden içinde sindirilmesine gerek yoktur. Meyve, sahip olduğu enzimler sayesinde, bedende gerçekleşecek büyük bir işi, henüz bedene girmeden bütünüyle tamamlamıştır.
Örnek verdiğimiz muz gibi, pişirmeden yenilen her sebze veya meyve, vücuda zahmet vermeyecek bu donanımı ile bedenimiz için önemli faydalar içerirler. Söz konusu muzu yediğinizde, ağzınızda başlayan sindirim işlemi ile birlikte kendi enzimleri muzu, metabolik enzimlerin kullanabileceği küçük parçalara ayırarak hücrelere hazır olarak sunar. Metabolik enzimler ise, bu parçaları alır, hücre ve organeller için gerekli bir yapı malzemesine dönüştürerek onları vücudun bir “parçası” haline getirirler.
Gıdalarda saklı olan enzimler, sadece ilgili besini sindirebilecek bir yeteneğe sahiptir. Örneğin muzdaki amilaz enzimi, sadece muzun nişastası üzerinde etkili olur. Bu enzim, patatesin nişastasını sindiremez. Muzdaki enzimler, muzun ardından yediğiniz pişmiş bir etin sindirilmesini de sağlayamaz. Ve yine bu enzimler, vücudunuza fazladan enzim de ekleyemezler. Onların görevi, muzu sindirmek ile son bulur. Besinle birlikte vücuda giren enzim, kendi sindireceği besini, besin ağızda parçalanmış olmasına rağmen tanır ve mutlaka onu sindirmeye yönelir. Bu özellikleriyle enzimler, gerçek anlamda akıllı davranan moleküllerdir.
Pişmiş, dolayısıyla içindeki tüm enzimleri kaybetmiş bir besini yediğinizde ise tüm iş, bedeninizde hazır bulunan enzimlere düşer. Sindirim organları, özellikle pankreas aşırı üretime geçer. Çok miktarda enzim üreterek vücuda giren besinin sindirilmesine çalışır. Aşırı sindirim enziminin üretilmesi, metabolik enzimlerin üretim hızının düşmesine sebep olabilir. Bu da organların çalışması, yenilenmesi ve hastalıklarla savaşılması için yeterli üretimin yapılamaması anlamına gelecektir. Dolayısıyla beden, kendi gelişimi ve savunması için harcayacağı enerjiyi, vücuda giren besinlerin sindirimine harcamış olacaktır.
İnsan beslenme sisteminde enzimlerin önemi konusuyla ilgili ilk araştırmacılardan olan, National Enzyme Company (Ulusal Enzim Şirketi)’nin kurucusu Dr. Edward Howell bu konuyla ilgili olarak şunları şöylemiştir: Enzimler sahip olduğumuz en önemli hazinelerdir. Her zaman dışarıdan gelen enzim yardımına açık olmalıyız. Eğer sadece kalıtımsal olarak aldığımız enzimlere güvenirsek bunlar, sabit bir gelir tarafından desteklenmeyen bir miras gibi tükenir giderler.
Sindirim Enzimleri
Vücutta sindirimi belli başlı enzimler üstlenmişlerdir. Bunlar yağları parçalayan lipaz, proteinleri parçalayan proteaz, lifleri parçalayan selüloz, nişastayı parçalayan amilaz, süt ürünlerini parçalayan laktaz, şekeri parçalayan sukroz ve tahıl ürünlerini parçalayan maltazdır. Sindirim enzimlerinin varlığı, vücuttaki metabolik enzimler için oldukça önemlidir. Çünkü sindirimin özel bir enzim grubu tarafından ele alınması, metabolizmanın yorgun düşmemesine sebep olur. Sindirim enzimleri olduğu sürece, bedenimizi çalıştıran metabolik enzimler kendi görevlerini rahatlıkla yapabilir, sindirim gibi başlı başına kompleks ve detaylı bir işle uğraşmak zorunda kalmazlar. İşte bunun için insan bedeninde müthiş bir mekanizma sürekli olarak işler. Bir yemeği gördüğünüzde, onun kokusunu duyduğunuzda hatta onu sadece düşündüğünüzde, vücudunuzdaki sindirim enzimi üretimi tetiklenir. Alınan bu uyarılar vücut için son derece önemlidir. Besin henüz vücuda girmeden, vücutta onun için gerekli hazırlık yapılmıştır bile.
Besinlerin sindirilme işlemi, besinin yenmesinin hemen ardından ağızda başlar. Tükürükte özel enzimler vardır ve yiyecek onunla muhatap olur olmaz parçalanma aşamasına girer. Çiğneme işlemi ile besinlerin dış duvarlarını parçalamış oluruz. Eğer yiyecek çiğ ise, besinin içindeki enzimler bu parçalanma ile dışarı salınır ve öğütme işlemine başlarlar. Ağızda sindirilen madde karbonhidratlardır. Tükürükte bulunan amilaz, nişasta moleküllerindeki kimyasal bağları kırar ve tükürükteki su moleküllerini buna ekler. Bir parça ekmeği çiğnediğinizde, giderek bunun tatlandığını hissedersiniz. Bunun nedeni, ekmekteki nişastanın tükürükteki enzimler nedeniyle şekere dönüştürülmesidir.
Ağızda besinlerin sindiriminin gerçekleşebilmesi için gerekli olan pH değeri 6.0 ve 7.4 civarındadır ve ağızda bulunan amilaz enzimi en iyi bu pH aralıklarında çalışır. Mide ise oldukça asidik bir ortamdır. Midedeki pH değeri 1.0 ila 3.5 aralıklarındadır. Bu asidik şartlar, midede amilazın aktivitesini durdurur. Bu nedenle midede karbonhidrat sindirimi gerçekleşemez. Ağızda başlayan sindirim işlemi, mide ve bağırsaklarda devam eder.
Midedeki Özel Enzimler
Ağızda başlayan sindirimin en önemli ikinci durağı midedir. Her organda olduğu gibi, midede de özel olarak görev yapan enzimler bulunur. İçine aldığı her şeyi eritip, parçalara ayıran mide gibi bir organda, oldukça hassas ortamlarda hayatta kalabilen enzimlerin varlığı elbette şaşırtıcıdır. Ama onlar zaten mide için özel olarak görevlendirilmiş, özel olarak donatılıp yaratılmış olan yardımcılardır. Vücutta var olan büyük mucizenin diğer bir parçasıdırlar.
Mide oldukça asidik bir ortamdır. Hem midenin kendi salgıladığı asitten korunması, hem de içinde bulunan enzimlerin bu asidik ortamda yaşayabilecek niteliklerde olması gerekmektedir. Midede her iki şart da sağlanmıştır. Mide duvarlarının iç yüzeyinde, gıdalarla temas eden bir mukoza tabakası vardır. Bu tabaka, üç çeşit hücre içermektedir. Bunlardan biri hidroklorik asit (HCl) salgılar. Kimyasal adıyla belki de çok önemsemediğimiz hidroklorik asit, aslında halk arasında “tuzruhu” olarak bilinen ve taşı bile eritme gücüne sahip bir asittir. Bu güçlü kimyasal, besinlerin sindirimi için oldukça önemlidir. Başta et olmak üzere, mideye giren her proteini parçalar ve tüm mikropları öldürür. Bu asitin bir başka önemli özelliği de midede bulunan ve proteinleri parçalayan pepsinojen molekülünü harekete geçirmesidir. Pepsinojen, midede yemek yokken salgılanmaz. Ancak mideye herhangi bir besin ulaştığı zaman, sanki bir yerden haber almışçasına olay yerine ulaşır, aktive edici bir protein tarafından pepsine dönüştürülür ve oradaki besinin parçalanmasını sağlar.
Midenin sindirim işlevlerinde daha da çarpıcı detaylar vardır. Mide, mükemmel koruyucu bir sıvı ile kaplanmıştır. Bu koruyucu mukus sıvısını salgılayan goblet hücreleri öylesine hassastırlar ki, adeta bir dış cephe malzemesi gibi olan bu özel koruyucu sıvıyı, asit ve parçalayıcı enzim salınmadan önce salgılarlar. Bu koruyucu sıvının gücü olağanüstüdür. Ancak buna rağmen mide, her gün bir buçuk milyon hücresini asidin ve enzimin etkisiyle kaybeder. Bir başka deyişle, üç günde bir midenin bütün iç astarı parçalanır ve sonra da yenilenir.
Midenin “doğal olarak” ölen bu hücreleri hiçbir zaman yenilenmeyebilirdi. Bu, öylesine kontrollü bir sistemdir ki, vücuttaki bu mücadelenin farkında bile olmazsınız. Ölen hücrelerin yerine mutlaka yenileri üretilir.
Ülser adıyla tanıdığımız hastalık, vücudumuzdaki bu müthiş kontrolün olmaması durumunda, neyle karşı karşıya olabileceğimizin bir hatırlatıcısıdır. Bu hastalıkta, koruyucu sıvının salgılanmasında çeşitli sebeplerden dolayı eksiklik baş gösterir. Asit ve enzim, mide duvarlarını zedelemeye başlar ve alt tabakadaki kan damarlarından dışarı kan sızar. Midede artık bir yara oluşmuştur. Mide tedavi olana kadar, midenin kendi salgıları mide hücrelerini öldürmeye devam edecek, besinler gereği gibi sindirilemeyecektir.
Koruyucu sıvının midede salgılanmasının ardından besin, sindirilmek üzere midenin üst kısmına gelir. Bu bölümde hiç enzim salgılanmaz. Çiğ olarak yenen besinler doğruca midenin bu bölümüne giderler. Yutma işleminin ardından bu besinlerin sindirimi, gıda-enzim bölümünde, besinin kendi enzimleri ile yarım veya bir saat kadar devam eder. Daha sonra midenin kendi enzimi olan pepsin görevi devralır.
Yenen besin eğer pişmişse, kendisini parçalayacak enzimleri olmadığından, midede yarım saat veya bir saat kadar hiçbir işleme uğramadan bekler. Eğer yiyecekle birlikte zararlı bir bakteri yutulmuşsa, bu süre içinde bakteri enzimler tarafından parçalanarak etkisiz hale getirilir. Tükürük salgısı karbonhidratı parçalamaktadır. Ama protein ve yağ beklemek zorundadır. Midedeki bu besine, içinde enzim bulunan besinlerden farklı bir uygulama yapılmaktadır, çünkü vücudun metabolizması dikkatini daha çok metabolik enzimlere vermek zorundadır. Yani bedende bir kez daha bilinçli bir tercih yapılmıştır. Besin bu bölgede bir süre bekledikten sonra mide enzimleri ile parçalanmaya başlayacaktır.
Midede asit salgılanması işlemi ise, midede yiyecek bulunması ile kontrol edilmektedir. Yiyecek mideye girdiğinde, belirli hücreler harekete geçer ve gastrin adı verilen bir hormon salgılarlar. Bu hormon, kan dolaşımına katılır. Hidroklorik asit salgılayan salgı bezleriyle bağlantıya geçerek asit salgısını başlatan bir sinyal gönderir.
Sinir sistemi de mide asidinin salgılanmasını etkiler. Salgı bezleri sinir sisteminin kontrolü altındadır. Ancak sindirim sıvılarının salgısı, hem sinir sistemi hem de hormonlar tarafından kontrol edilmektedir. Dolayısıyla stres ve tansiyon yükselmesi de ülserlerin oluşmasına neden olmaktadır. Nitekim beynin midedeki salgı bezlerine mesajlar göndermesi için, bir besini koklamanın, tatmanın, hatta düşünmenin bile, yeterli olması, sinir sisteminin sindirim işlemindeki etkisini göstermektedir.
Midede protein sindiren aktif enzim pepsindir. Bu enzim, buradaki hücreler tarafından inaktif formda üretilir ve inaktif hali pepsinojendir. Hidroklorik asit pepsinojeni pepsine dönüştürür. Mide salgı bezleri tarafından pepsinojenin salgılanması aynı zamanda gastrin hormonunun faaliyetleri ile de kontrol edilir. Midede besinin bulunması, gastrinin salgılanması, hidroklorik asitin üretimi ve pepsinojenin pepsine dönüştürülmesi gibi işlemlerin hepsi birbiri ile bağlantılıdır. Dolayısıyla, mideye besinin girmesi sindirim aşamalarının oldukça kompleks bir zincirini başlatır.
Pepsin, büyük protein moleküllerini küçük polipeptidlere dönüştürür. Ancak her polipeptid molekülü, birbirine bağlı olan büyük miktarda amino asitlere sahiptir. Bunların parçalanması da ince bağırsakta devam eder.
Mideden bağırsağa açılan bölümde bir kapı bulunmaktadır. Bu kapının varlığı oldukça önemlidir. Çünkü bağırsak ile mideyi ayıran bir kapı bulunmaması, bağırsaktaki yiyeceklerin mideye geri gelebilmesi ihtimalini beraberinde getirir. Bu da midenin kendi özel asidik ortamının bozulmasına neden olacaktır. Çünkü bağırsaktaki enzimler daha nötr ve bazik ortamda çalışırlar. Midedeki asit seviyesi, bağırsağın özel enzimlerini bozulmaya uğratacak ve oldukça tehlikeli sonuçlar doğuracaktır.
Burada söz konusu olan, benzer yapıda, benzer görevleri yapan sindirim enzimleridir. Ama bağırsakta çalışanlar midenin, midede çalışanlar da bağırsağın ortamına uyum sağlayamazlar. Bu durum, vücuttaki her bölgenin, her dokunun ve her organın farklı niteliklerle yaratıldıkları ve enzimlerin de bu ortamların şartlarına uyacak özelliklerle donatıldıkları gerçeğini gözler önüne sermektedir.
1.TİCARİ ENZİM ÜRETİMİ
Ticari enzim üretiminde bitkisel ve hayvansal kaynaklar (organ,doku ve sıvılar) ile mikroorganizmalardan yararlanılmaktadır.Mikroorganizmalar enzim üretiminde çok sık başvurulan kaynaklardır. Bunun nedenleri ise;
– Her şeyden önce mikroorganizmaların jenerasyon süreleri çok kısadır
– Gelişim ortamlarını kontrol etmek ve ortam koşullarını değiştirmek kolaydır.
– Gelişmeleri için büyük alanlara ihtiyaç duyulmaz. Elde edilmeleri kolay ve ekonomiktir.
Enzimler bitkisel, hayvansal veya mikrobiyal kaynaklardan üretilmektedir. Bazı özel uygulamalar için bitkisel ve hayvansal kaynaklı enzimler özel önemlerini korumakla birlikte son 30 yıldan beri teknik uygulamalar için mikrobiyal kaynaklar ağırlık kazanmaya başlamıştır. Enzimlerin mikrobiyolojik yolla üretilmesinde genellikle derin kültür tekniği ve aerobik karıştırmalı tank tipi biyoreaktörler kullanılır.
Ticari öneme sahip olan enzimlerin çoğu, hidrolazlar şeklinde tanımlanmakta olup, mikrobiyal kökenlidir. Bu enzimlerin çoğu ekstrasellüler olarak bulunur ve yüksek moleküler ağırlığa sahip substratlarla görev yaparlar. Ekstrasellüler enzimler, besiyeri ve hücre duvarının dışı ile bağlantı halinde olan enzimler olarak tanımlanır .Bugüne kadar 2000’den fazla enzim tanımlanmış ve bunlardan yaklaşık 100 tanesi ticari olarak kullanıma uygun bulunmuştur. Fakat günümüzde bunlardan sadece 18 tanesi endüstriyel amaçla üretilmektedir. Ticari olarak kullanılan enzimlerin %59’unu proteazlar, %28’ini karbohidrazlar, %3’ünü lipazlar ve %10’unu ise diğer enzimler oluşturmaktadır. Karbohidrazlar grubuna giren α-amilaz üretimi %13 ile önemli bir yer tutmaktadır. Enzim teknolojisinin giderek gelişmesi ürünlerin
kullanım alanlarının çeşitliliği ve ekonomik değerinin çok yüksek olması nedeniyle biyoteknolojinin endüstriyel enzimler ile ilgili alanında yapılan çeşitli araştırmalar daha da önem kazanmaktadır. Özellikle son yıllarda stratejik alan şeklinde değerlendirilen rekombinant DNA teknolojisinden yararlanılarak enzim üretimi büyük boyutlara ulaşmış ve kullanımı giderek yaygınlaşmıştır.
Mikroorganizmaların hepsi endüstriyel olarak kullanılmamakla birlikte “endüstriyel mikroorganizmalar” ürettikleri bir veya birden fazla spesifik ürüne göre çok dikkatli bir şekilde doğadan seçilmektedirler. Endüstriyel mikroorganizmaların bütün suşlarının tek kaynağı doğadır. Bu organizmalar klasik “screening”(eleme) teknikleriyle doğadan seçildikten sonra büyük ölçekli endüstriyel üretimlerde kullanılmadan önce laboratuvarda çeşitli yöntemlerin biri veya birkaçı kullanılarak oldukça modifiye edilmektedir. Bir endüstriyel fermantasyon prosesinin geliştirilmesindeki ilk aşama ya da diğer bir deyişle doğadan seçilen bir mikroorganizmanın endüstriyel olarak kullanılabilmesinin birinci şartı, istenilen spesifik ürünü diğer mikroorganizmalardan çok daha fazla üretebilmesidir. O halde öncelikle doğadan istenen ürünü en fazla üretebilen mikroorganizmanın seçilerek izole edilmesi gerekmektedir. Bunun için gerekliyse önce bir zenginleştirme uygulandıktan sonra agar ortamında istenen ürünün üretilip üretilmediği test edilmelidir. Bu test, genellikle agar ortamında büyüyen kolonilerin etrafında oluşan metabolit diffüzyonunun oluşturduğu zon çapının ölçülmesiyle belirlenmektedir. Ortam bileşenleri aranan metabolitin seçimine uygun olarak düzenlenmelidir, örneğin enzimler için bir screening yapılırken ortamın aranan enzim için indükleyicileri içermesi ve enzim sentezini baskı altına alan bileşenleri içermemesi gerekmektedir. Eleme yapıldıktan sonra bir endüstriyel suşun geliştirilmesinde yani veriminin arttırılmasında kullanılan klasik mikrobiyal biyoteknolojik yöntemlerin en önemlisi “mutasyon-seleksiyon”dur. Mutasyon vegetatif olarak haploid safhada bulunan mikroorganizmalar için çok etkin olurken diploid veya çok nukleuslu mikroorganizmalarda pek kullanılmamaktadır. Bir endüstriyel mikroorganizmanın geliştirilmesinde kullanılan diğer bir yöntem “genetik rekombinasyon”dur. Bu nedenle endüstriyel mikroorganizmanın seksüel veya bazı paraseksüel proseslerle genetik rekombinasyon yeteneğinde olması istenmektedir. Seksüel devreye sahip olmayanlarda hibrid oluşturmak için “protoplast füzyon” tekniği de oldukça yararlıdır. “Enzimatik regülasyon” yaparak da endüstriyel suşların verimlerinin arttırılması yaygın kullanılan bir tekniktir. Klasik mikrobiyal biyoteknolojik yöntemlerin dışında son yıllarda endüstriyel suş geliştirmede sıklıkla kullanılan diğer bir teknik de “genetik mühendisliği” yöntemleri kullanarak rekombinant mikroorganizmaların oluşturulmasıdır.
ÜRETİLEN ENZİMLER
PROTEAZ
Proteazlar, doğada bitkisel, hayvansal ve mikrobiyal kalıntıların dekompozisyonunda önemli rol oynamaktadırlar ve böylece besin döngüsünü sağlamakta ve ayrıca bitkilerin besinleri alabilmelerini sağlamaktadır. Proteazlar enzimlerin oldukça kompleks bir grubunu oluşturular ve oldukça farklı fizikokimyasal ve katalitik özelliklere sahiptirler. Proteaz sentezinin hücresel kontrolünden sorumlu mekanizma henüz tam olarak bilinmemekle beraber alkali proteazların üretimi amino asit veya amonyum gibi hızlı bir şekilde metabolize edilebilen azot kaynakları ile baskılanmaktadır. Diğer ortam bileşenleri küçük şekerler ve mineraller enzim sentezini etkilemektedir. Potansiyel proteaz kullanımı ve maksimum enzim üretimi ile endüstriyel işlemlerin maliyetini düşürmek amaçlanmaktadır. Proteazlar, toplam endüstriyel enzim ticaretinin yaklaşık % 60’ını oluşturmaktadır. Proteazlar, çamaşır deterjanları, deri, et, süt, ilaç, bira, fotoğraf, organik sentezlerde ve atıkların muamelesinde kullanılmaktadır. Proteazlar arasında bakteriyel proteazlar, hayvan ve fungal proteazlar ile karşılaştırıldığı zaman daha etkin olduğu görülmektedir. Bu nedenle ticari ilgiden dolayı endüstriyel olarak uygun proteazları üreten mikroplar çok çeşitli habitatlardan araştırıcılar tarafından çalışılmıştır. Alkali proteazlar, bakteri, küf, maya gibi çeşitli kaynaklardan elde edilse de alkalifilik Bacillus biyoteknolojide en fazla kullanılan mikroorganizmadır, çünkü çok geniş çeşitli ortamlardan izolasyonu nispeten kolaydır. Bununla birlikte Bacillus, hem kompleks hem de sentetik mediumda gelişebilmektedir. Termofilik ve alkalifilik Bacillus tarafından üretilen alkalifilik proteazlar yüksek sıcaklık ve pH’ya dayanmaktadır. Ayrıca Bacillus türleri post-eksponansiyal ve durgunluk fazlarında da ekstrasellüler proteazlar üretebilmektedir. Mikroorganizmalardan elde edilen proteolitik enzimler dünya çapında deterjan endüstrilerinde en fazla kullanım bulan enzimlerdir. 30 yıl boyunca deterjanlardaki proteazların önemi küçük katkı maddesinden, anahtar bileşenlere değişmiştir. İyi bir deterjan enzimi oksitleme ajanı ve ağartıcılarla beraber stabilitesini koruyabilmelidir. Ticari olarak kullanılan enzimlerin büyük bir kısmı ağartma/oksitleme ajanlarının varlığında stabilitesini koruyamamaktadır. Bu nedenle enzim tabanlı deterjanların daha iyi stabiliteye sahip olması için rekombinant DNA teknolojisi kullanılmaktadır. Bununla birlikte mikrobiyal çeşitliliği derinlemesine inceleyerek ticari olarak daha kullanışlı enzimler üretebilen mikroorganizmaların bulunma şansı da daima vardır. Klasik olarak deterjanlar yüksek yıkama sıcaklıklarında kullanılmaktadır. Şimdilerde alkalin proteazların tanımlanmasında geniş sıcaklık aralıklarında etkili olması oldukça ilgi çekmektedir. Diğer taraftan günümüzde deterjan endüstrisi, yıkama sıcaklığının düşürülmesi ve deterjan kompozisyonunun değişmesi yönünde çalışmalar yapmakta, fosfat tabanlı deterjanları uzaklaştırarak, deterjan uygulamaları için daha uygun yeni alkali proteazlar üzerinde durmaktadır. Proteazların diğer ilginç bir kullanım alanı ise deniz Crustacea atıklarının deproteinizasyonudur. Kimyasal işlemlerin üstesinden gelmek için mikroorganizmaların veya proteolitik Enzimlerin kullanılması üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Kitin ve türevleri çok yönlü biyolojik aktiviteleri ve zirai kimyasal uygulamalarından dolayı büyük ekonomik değere sahiptir. Deniz crustaceanları ise kitin bakımından oldukça zengindir. Klasik olarak deniz atık materyallerinden kitinin hazırlanması güçlü asit ve bazları kullanarak demineralizasyonu ve kimyasalların kullanılması kitinin deasetilasyonunu kısmi olarak gerçekleştirmektedir. Kimyasal uygulamalar aynı zamanda atık sularda nötralizasyon ve detoksifikasyon yapılmasını gerektirmektedir. Bu nedenle kimyasal uygulamalardan doğan zararların üstesinden gelmek için alternatif olarak mikroorganizmaların kullanılması veya proteolitik enzimlerin kullanılması gündemdedir.
AMİLAZ
Karbohidrazların en önemli kaynağını Bacillus oluşturmaktadır. Bir karbohidraz olan α-amilaz enzimi ticari olarak kullanılan ilk enzimdir. α-amilaz enzimi, nişasta molekülündekiα-1,4 bağlarını parçalayarak glikoz, maltoz, maltotrioz ve α-limit dekstrinlerin oluşumunu sağlar. Nişasta, çok sayıda glikoz molekülünün farklı şekillerde bağlanmasıyla oluşmuş polisakkarit özellikte bir bileşiktir. Bazı bakteriler ve mantarlar tarafından üretilen α-amilaz, β-amilaz, glikoamilaz ve glikoizomeraz gibi enzimler nişastayı parçalama yeteneğine sahiptirler. Fungal α-amilazlar sıcaklığa bakteriyel α- amilazlardan daha az stabil oldugundan üzerinde çalışılan asıl enzim kaynağını daha çok bakteriyel; özellikle de Bacillus amilazları oluşturmaktadır. Bu cinsin özellikle 8 tanesinin sentezlediği α-amilaz enzimi çeşitli araştırıcılar tarafından tanımlanmış ve karakterize edilmiştir. Bunlar B. subtilis , B. amyloliquefaciens, B. caldolytcus , B. coagulans, B. licheniformis , B. macerans, B. stearothermophilus ve B. subtilis var. Amylosacchariticu ’dur. Termostabil α-amilazın uygulama alanı oldukça genişlemiş ve çeşitlenmiştir. Bu enzimler tekstil ve kağıt endüstrisinde, nişastanın sıvılaştırılmasında, ekmek, glikoz ve fruktoz şurupları ve tutkal üretiminde, alkol fermentasyonunda kullanılmaktadırlar. Bira, damıtma, fırıncılık ve tekstil endüstrisinde kullanılan, Bacillus ve Aspergillus tarafından üretilen, ayrıca arpa ve buğday maltında da bulunabilen enzimler, amilaz ve endo β-glukanazlardır. Tekstil endüstrisinde dokuma sırasında ipliklerin sağlam ve düzgün olması ve kopmaması için iplikler nişasta içeren bir çözelti ile muamele edilmektedirler. Bu işleme haşıllama adı verilir. Kumaş dokunduktan sonra, kumaştaki fazla nişastanın uzaklaştırılması gerekir. Bu işleme de haşıl alma adı verilmektedir. Haşıl alma ajanı olarak da yaygın olarak α-amilaz enzimi kullanılmaktadır. Gıda endüstrisinde, nişastanın α-amilaz enzimi ile hidrolize edilmesi sonucu açığa çıkan ürünler, yaygın şekilde kullanılmaktadır. Bu ürünlerden dekstrin, nişastanın glikoza kadar hidrolize olmasından önce oluşan kısa moleküllü ilk üründür. Dekstrinler çözünürlüğü yüksek ve dayanıklı bir ürün olup, yoğun şurup kıvamında bir maddedir ve bu maddeler gıdalarda viskozite arttırıcı, yani, koyulaştırıcı dolgu maddesi olarak kullanılmaktadır. α-amilaz enzimi ekmekçilikte, ekmeğin bayatlamasını geciktirmesinden ve raf ömrünü uzatmasından (2-3 gün) dolayı yaygın olarak kullanılmaktadır. Meyve suyu endüstrisinde de uygulama alanı bulan enzim, özellikle elma ve armut sularının berraklaştırılmasında kullanılmaktadır. Meyveler tam olgunlaşmadan toplandığında meyvede hala nişasta bulunduğu için meyve suyunda bulanıklık meydana gelmektedir. Bu sorun, ortama α- amilaz ilave edilerek giderilmektedir.
SELÜLAZ
Selüloz, bitki biyokütlesinin yaklaşık % 40’ını oluşturmaktadır. Yaklaşık 15000 glikoz biriminin ß-1,4- glikozidik bağlar ile linear bir şekilde bağlanması ile oluşur. Selülozun suya karşı yüksek çekiciliği olmasına rağmen, suda hiç çözünmez. Selüloz glikoza, en az üç farklı enzimin sinerjistik çalışması ile hidrolize olabilir. Bu enzimler; endoglukanaz, ekzoglukanaz ve ßglukosidaz’dır. Selülozu hidrolize eden enzimler geniş çapta mantar ve bakterilerden elde edilmektedir. Böyle enzimler
çeşitli biyoteknolojik uygulamalarda kullanılmaktadır. Ticari olarak en çok kullanılan selülaz Trichderma sp. tarafından üretilmektedir. Ayrıca selülazlar Aspergillus, Penicilliun, Basidiomycetes ve Bacillus suşlarından elde edilmektedir. Selülolitik enzimler, sıvı kazancını arttırmak ve iyi bir renk elde etmek için alkol üretiminde kullanılmaktadır. Deterjanlarda selülazın varlığı renklerin canlanmasına, yumuşamasına ve partikül halindeki toprağın uzaklaşmasına neden olmaktadır. Ayrıca selülaz kot pantolonların biyolojik olarak taşlanmasında kullanılmaktadır. Selülazın diğer kullanım alanları, selülozik biyokütlenin ve yemlerin besin değerini ve sindirilebilirliliğini artırmak, zirai ve endüstriyel atıkların enzimatik sakkarifikasyonudur. Selülozik materyallerin enzimatik hidrolizi üzerine gerçekleştirilen biyoteknolojik işlemler günümüzde oldukça artmıştır. Yenilenemeyen kaynakların giderek azalması; selülozu gıda, enerji, yakıt ve diğer ürünle için temel ham materyal haline getirmiştir. Selüloz, bitkiler tarafından büyük miktarlarda üretilen çok önemli bir ham materyaldir ve öncelikle lignin ile ilişki kurarak lignoselülozu meydana getirirler. Lignoselülozdan, lignin bariyerini ayırmak için ön muamele gerçekleştirmek gerekmektedir. Böylelikle enzime karşı hassasiyeti arttırılmış olmaktadır. Selülozun enzimatik hidrolizi için genellikle yapılan çalışmalar selülaz salgılayan mikroorganizmaların ortama doğrudan ilave edilmesi şeklinde gerçekleştirilmiştir ancak elde edilen verimin düşük olduğu görülmüştür. Bununla beraber, selülazı selüloz ile doğrudan muamele etmek daha iyi bir çözümdür. Bu işlem öncelikle selülazın üretilmesi, kısmen saflaştırılması ve hidroliz çalışmaları için kullanılması şeklinde gerçekleştirilebilir. Pek çok mikroorganizmanın selülaz ürettiği bulunmuştur.
KSİLENAZ
Bitki hücre duvarları mikroorganizmaların canlı bitki dokusuna geçişini engellemek için bir bariyer meydana getirmektedir. Doğal olarak bulunan lignoselülozik bitki biyokütlesinin içeriğinin % 20-30’unu heterojen polisakkaritler olan ve selülozla ilişkili bir şekilde bulunan hemiselülozik materyaller oluşturur. Biyokütle, dünyanın yakıt ihtiyacını karşılayan ve yeterince kısa bir döngüye sahip olan alternatif doğal kaynaklardır. Ksilan, yüksek bitkilerin hücre duvarının hemiselülozik kısmının temel bileşenidir ve yüksek potansiyelde kullanışlı son ürünlere parçalanabilen ikinci en bol kaynaktır. Pek çok bakteri ve mantar ksilanı sindirmek için ksilenaza ihtiyaç duyar. Bu nedenle patojenler ve saprofitler hücre duvarı parçalayan enzimler üretmektedirler. Çevresel düzenlemeler kağıt ve kağıt hamuru endüstrisinde ağartma işleminde klor kullanımını sınırlamıştır. Günümüzde çevreyi endüstriyel atıklardan korumak için kağıt ve kağıt hamuru endüstrisinde mikrobiyal enzim sistemlerinin uygulanması önem kazanmıştır. Bu nedenle çevre kirliliğini indirgeme yaklaşımlarından biri, kağıt hamurunun ksilenaz kullanılarak ön işlemlerden geçirilmesidir. Bu yaklaşım, ağartma kimyasallarının özellikle de klor bileşiklerinin önemli derecede indirgenmesine ve kirliliğin azaltılmasına izin vermektedir. Kağıt hamurunun ksilenaz kullanılarak ağartılması işlemi oldukça gelecek vaat etmektedir. Viikari ve ark. ilk defa 1986’da kağıt hamurunu ağartmak için endoksilenazların kullanımının kimyasalları indirgediğini bildirmiştir. Pek çok araştırma ise bu gözlemi doğrulamış, genişletmiş ve bu teknolojiyi ticari bir duruma getirmiştir. Özellikle Batı Avrupa ülkeleri ve Kuzey Amerika’da ksilenazlar, ağaç kabuklarının çıkartılmasında, geri dönüştürülmüş liflerin boyasının çıkarılmasında ve kağıt hamurunun çözülmesinin hazırlığı için selülozun saflaştırılmasında önemli derecede kullanılmaktadır.Kağıt hamuru ağartma da kullanılan biyolojik metodlarda, ksilenaz, ksilanın %20’sini seçici olarak uzaklaştırmakta ve klor içeren ağartma kimyasallarını %25 azaltmaktadır. Pek çok bakteri ve mantarın ksilenaz üretimi için çalışılmış olmasına rağmen bunlardan sadece birkaçı alkalifiliktir. İlk ksilenaz ile ağartma çalışmaları mantar ve mayaların bilinen enzimlerinin kullanımına odaklanmıştır. Ancak bunların aktivite gösterdikleri optimum pH asidiktir. Ağartma işlemi ise güçlü alkali koşullar altında gerçekleştirilmektedir. Bu nedenle alkali koşullar altında enzimatik ağartma işleminde fonksiyon gösterebilmesi, enzim için oldukça önemli bir karakteristiktir. Termostabil alkali ksilenazların kullanımı enzimle kağıt hamuru ağartma için pH ve sıcaklık ayarlamalarını oldukça indirgeyerek önemli derecede teknik ve ekonomik avantaj sağlamıştır.
LİPAZ
Lipazlar, yağlar ve yağ asidi esterlerini hidroliz ederler. Enzim, emülsiyonun yağ-su geçiş fazında katalizi gerçekleştirir ve enzim reaksiyonunun hızı, oluşan yüzey alanına bağımlıdır. Lipazlar yağ asitlerinin zincir uzunluğu, doyma derecesi, yağ asidinin pozisyonu ve substrat’ın fiziksel durumuna uygun spesifiklik gösterirler. 4-10 C atomlu yağ asitleri daha uzun C zincirli yağ asitlerinden daha hızlı bir şekilde hidroliz olarak yağın yapısından ayrılır ve serbest hale geçerler. Lipolitik enzimlerin aktivitesi süt endüstrisinde önemlidir. Yüksek lipolizis çeşitli peynirlerin üretiminde zorunlu olmaktadır. Peynir yapımında kullanılan renninin kütlesinde, proteolitik enzimler gibi lipazlarda mevcuttur. Lipazlar tereyağına aroma kazandırmada, çikolata endüstrisinde, kremalarda, karamellerde kullanım alanına sahiptir. Margarinler, şorteningler, fırın ürünleri ve bitkisel ürünler gibi ürünlerde lipazla modifiye edilmiş tereyağı ürünleri aroma geliştirici olarak kullanılmaktadır. Lipazlar bakteri, maya ve küfleri içeren mikrobiyal flora tarafından bol miktarda üretilmektedir. Lipazlargıda endüstrisinde, biyomedikal uygulamalarda, biyosensörler ve pestisitlerin yapımında, deterjan ve deri sanayiinde, çevre yönetiminde, kozmetik ve parfüm sanayiinde uygulama alanları bulmaktadır.
Endüstriyel olarak en yaygın kullanılan lipaz üreticisi mikroorganizmalar; Candida sp., Pseudomonas sp., Rhizopus sp.’dir. Son yıllarda biyoteknoloji alanında lipazların kullanımında hızlı bir artış gözlenmektedir. Bu nedenle lipazların aşırı üretimini sağlamak amacıyla yönlü mutasyonlar yardımıyla suş geliştirme çalışmalarına ağırlık verilmiştir.
SONUÇ
Biyoteknoloji, çok çeşitli alanlarda gelişme gösteren ve günümüzde moleküler biyolojik yöntemlerinde yaygın şekilde kullanımıyla birlikte, giderek moleküler biyoteknoloji şeklinde transformasyon geçiren, çok yeni ve geleceğe damgasını vuracak bir alandır. Ticari alanda kullanılan ürünlerin üretilmesi ile ilgili çalışmaların giderek hız kazanması sonucu, önemi her geçen gün daha da artmaktadır. Dünyada, 1980-1983 yılları arasında sadece 300 küçük biyoteknoloji şirketi çalışma yaparken, bu sayı 1985 yılında sadece Amerika Birleşik Devletlerinde (A.B.D) 400 düzeyine ulaşmıştır. Günümüzde A.B.D de 900, bütün dünyada ise yaklaşık 1200 biyoteknoloji şirketi çalışmalarını çeşitli alanlarda sürdürmektedirler. Örneğin sadece farmasötik
alanında 2000’li yıllarda kullanılacak biyoteknolojik ürünlerin toplam değerinin yaklaşık 60 milyar dolar/yıl düzeyinde olacağı düşünülmektedir. Biyoteknoloji kaynaklı çalışmalar A.B.D. de odaklanmış olmakla birlikte, günümüzde Japonya ve Kanada, biyoteknolojiyi (özellikle moleküler biyoteknolojiyi) stratejik alan katagorisinde değerlendirerek, özel şirketlerin yanısıra, hükümetler düzeyinde destekleme ve geliştirme kararı almışlardır. Enzim teknolojisinin giderek gelişmesi, ürünlerin kullanım alanlarının çeşitliliği ve ekonomik değerinin çok yüksek olması nedeniyle, biyoteknolojinin endüstriyel enzimlerle ilgili alanında yapılan çeşitli araştırmalar, daha da önem kazanmaktadır. Özellikle birkaç ülke dışında diğer ülkelerin bu konuda tamamen dışa bağımlı olmaları dikkate alındığında, bu konu daha da önemli duruma gelmektedir. Sonuç olarak; pek çok çeşitteki enzim, gerek gıda sanayinde gerekse temizlik sanayinde geniş kullanım alanına sahiptir. Teknolojideki gelişmelere bağlı olarak kullanım alanları yaygınlaşmakta daha da önem arz eder hale gelmektedir. Bu enzimlerin elde edilmesinde ise mikroorganizmaların önemi her geçen gün daha artmaktadır.
Foodelphi.com Science of Food Engineering