biotechnologia


 
 

Stres etanolowy u drożdży

Autor: Monika Wójcik
Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie

Intensyfikacja procesu hydrolizy surowców ligninocelulozowych oraz fermentacji etanolowej wpłynęła na pogorszenie warunków, w których przebiega wzrost i metabolizm komórek drożdżowych. Do najistotniejszych zmian hamujących funkcjonowanie drobnoustrojów podczas fermentacji przemysłowej zaliczane są:

1) podwyższona temperatura,
2) zwiększone ciśnienie osmotyczne,
3) zwiększone stężenie etanolu,
4) zwiększone stężenie metabolitów wykazujących działanie utleniające,
5) zwiększone stężenie związków toksycznych będących inhibitorami wzrostu komórek drożdżowych,
6) możliwość wystąpienia stresu spowodowanego niedoborem niektórych składników pokarmowych,
7) możliwość uszkodzeń mechanicznych wskutek narażenia komórek na bezpośredni kontakt z ruchomymi elementami urządzeń technologicznych, jak mieszadła, pompy i wirówki.

Wymienione utrudnienia mogą w praktyce doprowadzić do stresu wieloczynnikowego, bardzo negatywnie wpływającego na wydajność fermentacji i na same komórki drożdży, stanowiące najwrażliwsze ogniwo w całym procesie produkcji bioetanolu. Podczas procesu fermentacji namnażanie drożdży zachodzi przede wszystkim w pierwszej dobie, po czym ilość drożdży ulega stabilizacji, natomiast stężenie etanolu ciągle rośnie. Zbyt wysokie stężenie etanolu, skrajnie sięgające nawet 18%, negatywnie wpływa na integralność komórek drożdżowych. Etanol w tym przypadku działa jak rozpuszczalnik organiczny dla fosfolipidów stanowiących główny składnik błon komórkowych, co prowadzi do obniżenia płynności i szybkiej dezintegracji komórek drożdżowych. Należy wspomnieć, że stężenie alkoholu etylowego wewnątrz komórki jest znacznie wyższe, w porównaniu z tym mierzonym w środowisku hodowlanym. Ponadto etanol uszkadza białka zawarte w komórkach, prowadząc do ich denaturacji. Skutkiem tego jest zakłócenie funkcjonowania enzymów wewnątrzkomórkowych, co w konsekwencji doprowadza do zaburzenia metabolizmu komórek drożdżowych. Stres etanolowy jest związany w dużej mierze ze stresem wodnym. Znaczna część wody w komórce drożdżowej wchodzi w interakcje z powstającym etanolem w konsekwencji dochodzi do silnej redukcji aktywności wody w komórce. [3].

Podstawową odpowiedzią drożdży na toksyczne działanie etanolu jest synteza trehalozy (α-D-glukopiranozylo-1-1α-D-glukopiranozydu). Trehaloza jest cukrem nieredukującym zbudowanym z dwóch cząsteczek glukozy połączonych wiązaniem α-1,1-glikozydowym. W związku z tym iż trehaloza łatwo ulega hydrolizie do glukozy przez wiele lat uważana była jedynie za substancję zapasową komórek drożdżowych. Obecnie stanowi jeden z głównych markerów odpowiedzi komórek drożdży na stres metaboliczny [2]. Cukier ten chroni białka przed agregacją i stabilizuje błony biologiczne. Następuje to poprzez tworzenie wiązań wodorowych pomiędzy grupami hydroksylowymi trehalozy, a polarnymi grupami białek, w przypadku błon biologicznych resztami fosforanowymi fosfolipidów błonowych. Znajdująca się w wytworzonych kompleksach trehaloza wspomaga, a nawet zastępuje stabilizujące oddziaływanie struktur wodnych w warstwie hydratacyjnej, niszczonej w obecności wysokich stężeń etanolu [1].

Białka szoku cieplnego Hsp, podobnie jak trehaloza również są syntetyzowane w odpowiedzi na warunki stresowe, w tym wysokie stężenia alkoholu etylowego. Niektóre białka Hsp są wytwarzane w komórkach drożdży zawsze, niezależnie od warunków środowiskowych. Pełnią one funkcje ochronne i opiekuńcze w stosunku do innych białek komórkowych, zapobiegając ich denaturacji oraz agregacji [5]. Przy stężeniu etanolu do 10% w komórkach drożdżowych następuję indukcja ekspresji białek Hsp104p, Hsp70p i Hsp26p. Hsp104p jest białkiem ogólnej odpowiedzi na stres i jest odpowiedzialne za demontowanie agregatów białkowych powstałych pod wpływem czynnika stresowego. Stężenie białka Hsp104p w warunkach fizjologicznych oscyluje na niskim poziomie, wówczas może występować w komórce w postaci nieaktywnej mono-, di- i trimerycznej lub aktywnej heksametrycznej. Rozfałdowanie powstałych agregatów zachodzi przy udziale domeny NBD1, uczestniczącej w hydrolizie ATP i dostarczającej wymaganej energii. Do najbardziej konserwatywnych białek w komórce drożdżowej należą białka należące do rodziny Hsp70p o masie około 70 kDa. Ich działanie polega na wiązaniu się do hydrofobowej powierzchni białek niesfałdowanych, uniemożliwiając ich agregacje. Uczestniczą również w procesie fałdowania białek i są niezbędne w utrzymaniu prawidłowej homeostazy w komórce. Stres etanolowy indukuje również ekspresję tzw. małych białek szoku termicznego Hsp26p, które są chaperonami cytoplazmatycznymi również hamującymi powstawanie agregatów białkowych. W odpowiedzi na stres wywołany wysokim stężeniem etanolu biorą udział również białka błonowe Hsp30p będące negatywnym regulatorem błonowej H+-ATP-azy. Białka te osiągają maksymalne stężenie przy 6% stężeniu etanolu [6].

Na podstawie analizy składu aminokwasowego białek błonowych stwierdzono, iż zwiększona tolerancja szczepów drożdży na etanol jest związana również z obecnością dodatkowych aminokwasów w błonie komórkowej. Wprowadzenie egzogennej izoleucyny, metioniny i fenyloalaniny skutecznie wzmacnia strukturę błony komórkowej chroniąc tym samym komórki przed wysokim stężeniem etanolu [4]. Inne badania potwierdzają z kolei, iż będąca osmoprotektantem L-prolina pomaga zabezpieczyć komórki drożdży przed szkodliwym działaniem alkoholu etylowego. Jej działanie polega głównie na zwiększaniu stabilności białek i błon komórkowych [7]. Ponadto wysokie stężenia etanolu wywołują u drożdży mechanizmy adaptacyjne, polegające na zmianach w składzie chemicznym błony plazmatycznej prowadzące do zwiększenia udziału kwasów tłuszczowych nienasyconych w stosunku do kwasów nasyconych [3].

Komórki drożdży wykorzystywane w przemysłowej produkcji napojów alkoholowych czy coraz częściej bioetanolu są narażone szereg stresów metabolicznych. Poznanie mechanizmów odpowiedzi komórki na poszczególne środowiskowe czynniki stresowe może być bardzo pomocne zarówno w doborze szczepów najbardziej odpornych, jak i w efektywniejszym kierowaniu procesem samej fermentacji minimalizując negatywne skutki stresów środowiskowych [2].


Literatura:
1. Ding J., Huang X., Zhang L., Zhao N., Yang D., Zhang K.: Tolerance and stress response to ethanol in the yeast Saccharomyces cerevisiae., Appl. Microbiol. Biotechnol., (2009), 85: 253-263.
2. Drożdżyńska A., Szymanowska D., Czaczyk K.: Optymalizacja procesu ekstrakcji trehalozy z komórek drożdży i określenie parametrów jej oznaczania techniką HPLC., Żywność Nauka Technologia Jakość, (2009), 16(5).
3. Grajek W., Szymanowska D.: Stresy środowiskowe działające na drożdże Saccharomyces cerevisiae w procesie fermentacji etanolowej., Biotechnologia., (2008), 3(82): 46-63.
4. Hu C.K., Bai F.W., An L.J.: Protein amino acid composition of plasma membranes affects membrane fluidity and thereby ethanol tolerance in a self-flocculating fusant of Schizosaccharomyces pombe and Saccharomyces cerevisiae., Chin. J. Biotechnol., (2005), 21: 809-813.
5. Ma M., Liu Z.L.: Mechanisms of ethanol tolerance in Saccharomyces cerevisiae., Appl. Microbiol. Biotechnol., (2010), 87: 829-845.
6. Piecuch A., Obłąk E.: Mechanizmy oporności drożdży na stres środowiskowy. Postępy Hig Med Dosw (online), (2013), 67, 238-254.
7. Takagi H.: Proline as a stress protectant in yeast – physiological functions, metabolic regulations, and biotechnological applications., Appl. Microbiol. Biotechnol., (2008), 81: 211-223.

Komentarze

Widok Uszereguj
Tylko zarejestrowani mogą dodawać komentarze. Zarejestruj się/Zaloguj

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

77 gości oraz 0 użytkowników online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 
 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. VitaInSilica Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u