DROBNOUSTROJE EKSTREMOFILNE
JAKO ŹRÓDŁO UśYTECZNYCH
BIOMOLEKUŁ
dr inż. Aneta Białkowska
HIPERTERMOFILE
(T
opt
>85°C),
„szczep 121”; Pyrolobus fumarii (T
opt
= 113ºC)
PSYCHROFILE
(T
min
0°C i poniżej),
Colwellia psychrerythraea (T
min
= -5ºC)
ACIDOFILE
(pH 0,5
÷
÷
÷
÷
2,0),
Picrophilus torridus pH
opt
=0,7 (1,2 M H
2
SO
4
)
ALKALOFILE
(pH 10 ÷12),
Bacillus firmus pH
opt
=10,5
HALOFILE
(stężenie soli > 2,5 M),
Haloarcula marismorti (1,7-5,1 M NaCl)
METALOFILE
(wysokie stężenia metali ciężkich),
Ralstonia i Rhodococcus;
PIEZOFILE
(ciśnienie do 140 MPa),
Photobacterium sp.
EUTEKTOFILE
(wymagają dla wzrostu wody w stanie witryfikacji);
KSEROFILE
(
aktywność wody poniżej 0,8
),
Halobacterium sp.
RADIOFILE,
Deinococcus radiodurans (>5000 Gy
γγγγ
; > 400 J/m
2
UV)
ENDOLITY I HIPOLITY
(kolonizują pęknięcia i części denne skał),
Methanobacterium subterranean
MIKROAEROFILE
(
stężenie tlenu < 21% O
2
)
EKSTREMOFILE
EKSTREMOFILE
dr inż. Aneta Białkowska
ADAPTACJE DROBNOUSTROJÓW DO
EKSTREMALNEGO ŚRODOWISKA
ADAPTACJE DROBNOUSTROJÓW DO
EKSTREMALNEGO ŚRODOWISKA
specyficzne mechanizmy akumulacji energii
(bakteriorodopsyna
halofili)
oraz
utrzymania homeostazy środowiska
wewnątrzkomórkowego i metabolizmu
stabilność komponentów funkcjonalnych i strukturalnych komórki
w warunkach ekstremalnego biotopu
kinetyka reakcji biochemicznych dostosowana do warunków
ekstremalnych
0
20
40
60
80
100
-10 -5
0
10 15 20 25 27 30 35 40 50 60 70 80 90 100
temperatura [°C]
a
k
ty
w
n
o
ś
ć
[%
]
L. antarcticum
Y. lipolytica
aqualizyna
Proteinazy
dr inż. Aneta Białkowska
skład lipidów błonowych zapewniający płynność membran
oraz właściwy transport jonów i biocząsteczek:
u psychrofili
- wzrost zawartości wielonienasyconych
kwasów tłuszczowych, w szczególności z rodzin n3 i
n6, a także kwasów rozgałęzionych nasyconych i
mononienasyconych
u termofili
- lipidy z wiązaniami eterowymi, a nie estrowymi,
zawierające więcej reszt kwasów nasyconych;
u halofili
- obecność specyficznych transportujących białek
błonowych
produkcja ochronnych egzopolisacharydów, biosurfaktantów,
kompatybilnych solutów
tworzenie ochronnych barwników i innych molekularnych filtrów
UV
ADAPTACJE DROBNOUSTROJÓW DO
EKSTREMALNEGO ŚRODOWISKA
ADAPTACJE DROBNOUSTROJÓW DO
EKSTREMALNEGO ŚRODOWISKA
dr inż. Aneta Białkowska
Wsp
Wsp
ó
ó
lne w
lne w
ł
ł
a
a
ś
ś
ciwo
ciwo
ś
ś
ci
ci
ekstremozym
ekstremozym
ó
ó
w
w
IDENTYCZNY
MECHANIZM
KATALIZY
40-80%
HOMOLOGII
SEKWENCJI
AMINOKWASÓW
ZBLIśONA
STRUKTURA
PRZESTRZENNA
WŁAŚCIWOŚCI EKSTREMOZYMÓW
WŁAŚCIWOŚCI EKSTREMOZYMÓW
dr inż. Aneta Białkowska
Wysoka reaktywność
(k
kat
)
i skuteczność katalityczna
(k
kat
/ K
m)
w zakresie 0-30°C
Ograniczona
stabilność
termiczna
WŁAŚCIWOŚCI EKSTREMOZYMÓW
WŁAŚCIWOŚCI EKSTREMOZYMÓW
1. KINETYCZNE
Obniżona temperatura
optymalna i wysoka
aktywność poniżej 20°C
i w 0ºC
PSYCHROZYMY
TERMOZYMY
Podwyższona T
opt
(>80ºC)
i wysoka aktywność
powyżej 70ºC
Wysoka reaktywność (k
kat
)
i skuteczność katalityczna
(k
kat
/K
m
) w zakresie 70-115°C
Wysoka
stabilność
termiczna nawet
powyżej 100ºC
dr inż. Aneta Białkowska
2. STRUKTURALNE
Niższa
liczba
oddziaływań
wewnątrzcząstecz-
kowych
Obecność giętkich
dodatkowych
pętli
na powierzchni
cząsteczek
Obecność obszarów
hydrofobowych na
powierzchni białka
PSYCHROZYMY –
obniżona spójność molekuł, zwiększona elastyczność
TERMOZYMY
– wysoki stopień upakowania i zwiększona sztywność
molekuł
Wyższa
liczba
oddziaływań
wewnątrzcząstecz-
kowych
Mniej
i krótsze
pętle na powierzchni
cząsteczek
Mniej jamistości
w cząsteczce
dr inż. Aneta Białkowska
BIOTECHNOLOGICZNIE INTERESUJĄCE PRODUKTY
METABOLIZMU DROBNOUSTROJÓW EKSTREMOFILNYCH
Enzymy adaptowane do zróżnicowanych, skrajnych warunków
(termozymy,psychrozymy, halozymy, piezozymy)
Wielonienasycone kwasy tłuszczowe
Unikatowe egzopolisacharydy
,
cyklodekstryny i inne
biopolimery
Nowe substancje bakterio- i fungistatyczne
Barwniki przydatne dla żywności
Molekularne filtry UV
Ekstremolity
Membranowe biosurfaktanty
(lichenizyna)
Chaperoniny z hipertermofili
dr inż. Aneta Białkowska
MOśLIWOŚCI APLIKACJI EKSTREMOZYMÓW
I ICH PRODUCENTÓW
MOśLIWOŚCI APLIKACJI EKSTREMOZYMÓW
I ICH PRODUCENTÓW
1. OCHRONA ŚRODOWISKA (KULTURY DROBNOUSTROJÓW
PSYCHRO-, TERMO- I HALOFILNYCH)
•
biodegradacja polutantów
•
rekultywacja zanieczyszczonej gleby in situ (bioremediacja,
biopulping = biorozwłóknianie)
•
produkcja biogazu
•
usuwanie radioaktywnych skażeń
1. OCHRONA ŚRODOWISKA (KULTURY DROBNOUSTROJÓW
PSYCHRO-, TERMO- I HALOFILNYCH)
•
biodegradacja polutantów
•
rekultywacja zanieczyszczonej gleby in situ (bioremediacja,
biopulping = biorozwłóknianie)
•
produkcja biogazu
•
usuwanie radioaktywnych skażeń
dr inż. Aneta Białkowska
2. BIOTRANSFORAMCJE W ZRÓśNICOWANYCH
WARUNKACHModyfikacje i produkcja antybiotyków (psychro- i
piezozymy)
•
Biokataliza w środowiskach organicznych (psychro- i halozymy):
a) stereospecyficzna synteza estrów, peptydów i in.
b) synteza i modyfikacja lotnych związków
2. BIOTRANSFORAMCJE W ZRÓśNICOWANYCH
WARUNKACH
Modyfikacje i produkcja antybiotyków (psychro- i
piezozymy)
•
Biokataliza w środowiskach organicznych (psychro- i halozymy):
a) stereospecyficzna synteza estrów, peptydów i in.
b) synteza i modyfikacja lotnych związków
3. CHEMIA GOSPODARCZA
produkcja środków piorących w niskich i wysokich
temperaturach: proteazy, lipazy (C. antarctica),
amylazy, celulazy (celulaza BCE113)
preparat „Stainzyme” – przeznaczony do prania w obnizonych
temperaturach
3. CHEMIA GOSPODARCZA
produkcja środków piorących w niskich i wysokich
temperaturach: proteazy, lipazy (C. antarctica),
amylazy, celulazy (celulaza BCE113)
preparat „Stainzyme” – przeznaczony do prania w obnizonych
temperaturach
dr inż. Aneta Białkowska
.
.
4. BIOLOGIA MOLEKULARNA
•
Polimerazy, np. Taq, Pwo i Pfu
•
zasadowa fosfataza Vibrio
4. BIOLOGIA MOLEKULARNA
•
Polimerazy, np. Taq, Pwo i Pfu
•
zasadowa fosfataza Vibrio
5. PRZEMYSŁ SPOśYWCZY
•
serowarstwo i mleczarstwo
•
piwowarstwo
•
przetwórstwo skrobi
•
konserwacja żywności
•
przetwórstwo owoców
•
tenderyzacja mięsa i ryb
•
produkcja prebiotyków
i nutraceutyków
5. PRZEMYSŁ SPOśYWCZY
•
serowarstwo i mleczarstwo
•
piwowarstwo
•
przetwórstwo skrobi
•
konserwacja żywności
•
przetwórstwo owoców
•
tenderyzacja mięsa i ryb
•
produkcja prebiotyków
i nutraceutyków
dr inż. Aneta Białkowska
MOśLIWOŚCI APLIKACJI EKSTREMOZYMÓW
I ICH PRODUCENTÓW
MO
MO
ś
ś
LIWO
LIWO
Ś
Ś
CI APLIKACJI EKSTREMOZYM
CI APLIKACJI EKSTREMOZYM
Ó
Ó
W
W
I ICH PRODUCENT
I ICH PRODUCENT
Ó
Ó
W
W
INNE PRZEMYSŁY:
Przemysł papierniczy: termofilne ksylanazy - bielenie papieru
makulatorowego i pulpy drzewnej
Garbarstwo:
zimne proteazy - odwłaszania skór,
Przemysł tekstylny: odklejanie surowych tkanin – zimne amylazy,
marmurkowanie jeansu – wieloenzymatyczny
preparat Deni max-Combi 113-140
usuwanie barwników - halofilne oksydazy,
Przemysł węglowy:
odsiarczanie węgla – acidofilne oksydazy
Przemysł wydobywczy: termofilne
ββββ
-glukanazy do degradacji
polisacharydów, stosowanych w wiertnictwie ropy
naftowej i gazu ziemnego
Produkcja biosensorów: psychrofilne dehydrogenazy
Przemysł paszowy: psychrofilne celulazy i proteazy
INNE PRZEMYSŁY:
Przemysł papierniczy:
termofilne ksylanazy - bielenie papieru
makulatorowego i pulpy drzewnej
Garbarstwo:
zimne proteazy - odwłaszania skór,
Przemysł tekstylny:
odklejanie surowych tkanin – zimne amylazy,
marmurkowanie jeansu – wieloenzymatyczny
preparat Deni max-Combi 113-140
usuwanie barwników - halofilne oksydazy,
Przemysł węglowy:
odsiarczanie węgla – acidofilne oksydazy
Przemysł wydobywczy:
termofilne
ββββ
-glukanazy do degradacji
polisacharydów, stosowanych w wiertnictwie ropy
naftowej i gazu ziemnego
Produkcja biosensorów:
psychrofilne dehydrogenazy
Przemysł paszowy:
psychrofilne celulazy i proteazy
dr inż. Aneta Białkowska
BIOTECHNOLOGICZNIE INTERESUJĄCE PRODUKTY
METABOLIZMU DROBNOUSTROJÓW EKSTREMOFILNYCH
Enzymy adaptowane do zróżnicowanych, skrajnych warunków
(termozymy,psychrozymy, halozymy, piezozymy)
Wielonienasycone kwasy tłuszczowe
Unikatowe egzopolisacharydy
,
cyklodekstryny i inne
biopolimery
Nowe substancje bakterio- i fungistatyczne
Barwniki przydatne dla żywności
Molekularne filtry UV
Ekstremolity
Membranowe biosurfaktanty
(lichenizyna)
Chaperoniny z hipertermofili
dr inż. Aneta Białkowska
KOMPATYBILNE SOLUTY (EKSTREMOLITY)
KOMPATYBILNE SOLUTY (EKSTREMOLITY)
Osmoaktywne substancje
, utrzymujące dodatnią równowagę wodną w
komórkach halofili: pochodne aminokwasów –
ektoina
, betainy glicyny i
proliny; sacharydy – trehaloza; karnityna; cholina i in.
Ekstremolity
chronią makrocząsteczki i komórki przed stresami (wysuszenie,
zamarznięcie, denaturacja termiczna, promieniowanie UV).
EKTOINA
EKTOINA
Szlak biosyntezy:
(
1,4,5,6-tetrahydro-2-methyl-4-pyrimidine carboxylic acid)
dr inż. Aneta Białkowska
Zastosowanie :
•
składnik kosmetyków (intensywne nawilżanie)
•
stabilizator enzymów (m.in. polimeraz DNA w reakcjach PCR) i
komórek
•
składnik farmaceutyków aktywujący cytoochronną odpowiedź
komórek ludzkich na warunki stresowe
Inne właściwości:
•
inhibicja agregacji cząsteczek
ββββ
-amyloidu
•
indukcja biosyntezy Hsp 70
Odpowiednik
: firoina syntetyzowana przez Pyrococcus furiosus
EKTOINA
EKTOINA
Produkcja:
technologia „bacterial milking” (
„BITOP AG”, Niemcy
). Etapy:
•
hodowla halofilnego szczepu Halomonas elongata w podłożach
zawierających 15% NaCl (biosynteza ektoiny)
•
oddzielenie biomasy na modułach filtracyjnych
•
przeniesienie komórek do podłoża z 3% NaCl (hipoosmotyczny szok) –
wyciek ektoiny do podłoża
155 mg ektoiny / 1 g s.m. komórek
dr inż. Aneta Białkowska
BAKTERIORODOPSYNA I HALORODOPSYNA
BAKTERIORODOPSYNA I HALORODOPSYNA
-związane z błonami komórkowymi barwne białka, zawierające
światłoczułą substancję (retinal); mają zdolność absorpcji fotonów,
dzięki czemu działają jako pompy protonowe, eksportując protony
na zewnątrz komórki, co powoduje powstanie wysokiego potencjału
elektrochemicznego, niezbędnego dla syntezy ATP
Produkcja:
Postać zliofilizowana produkowana przez szczep archeona
Halobacterium salinarum i skomercjalizowana przez firmę COBEL
w Hiszpanii i MIB (Innovative Biomaterials) w Niemczech.
Zastosowanie
:
przemysł fotochemiczny, fotoelektryczny (holografia,
przestrzenne modulatory światła, komputerowe sieci neuronowe,
optyczne przełączniki)
medycyna (sztuczna siatkówka oka)
dr inż. Aneta Białkowska
Funkcje egzopolisacharydów
:
:
•
ochrona przed wysuszeniem, fagocytozą, gwałtownymi zmianami
temperatur itp
•
bariera dla bakteriofagów oraz pierwotniaków
•
udział w procesie glebotwórczym
Pozakomórkowe polisacharydy (egzopolisacharydy, EPS))
Pozakomórkowe polisacharydy (egzopolisacharydy, EPS)
)
Możliwe wykorzystanie:
• w przemyśle tekstylnym, detergentów, środków adhezyjnych
• w uzdatnianiu wody, w procesach izolacji i oczyszczania różnych
substancji
• w kosmetologii i w farmakologii
• jako dodatek do żywności
• w indukcji syntezy interferonu
• aktywności: przeciwrakowe, antywirusowe, przeciwzapalne
Przykład:
polisacharyd z haloalkalofila Bacillus sp. I-450
– kwaśny heteroglikan
(52,4% - cukry obojętne, 17,2% - kwasy uronowe , 2,4% - aminocukry)
dr inż. Aneta Białkowska
INNE BIOPOLIMERY I BIOCZĄSTECZKI
INNE BIOPOLIMERY I BIOCZĄSTECZKI
• kwas poli (
γγγγ
-glutaminowy), PGA
Producent
: halofilny archeon Natrialba sp. (470 mg PGA/l).
Wykorzystanie
: zagęstnik, nośnik leków (farmakologia), prebiotyków,
nutraceutyków (przemysł spożywczy)
• polihydroksyalkanoaty, PHA
np. kwas poli (
ββββ
-hydroksymasłowy) (PHB) o właściwościach
zbliżonych do polietylenu i polipropylenu
Producent
: Haloferax mediterranei (60% s.m. komórek, tj. ok.. 6 g/l)
• lipidy z wiązaniami eterowymi – tzw. liposomy, otrzymywane
z
całkowitej frakcji polarnych eterów lipidów
Halobacterium cutirubrum
.
Odporne na atak fosfolipaz i esteraz, poszukiwane w medycynie i
kosmetologii.
dr inż. Aneta Białkowska
kwas
kwas
αααα
αααα
-
-
linolenowy
linolenowy
-
-
18:3
∆∆∆∆
9,12,15,
ALA
n-3
-składnik fosfolipidów błon komórkowych
(wpływa na ich płynność)
-prekursor EPA i DHA
kwas
kwas
eikozapentaenowy
eikozapentaenowy –
20:5
∆∆∆∆
5,8,11,14,17,
EPA n-3
-
prekursor prostanoidów: PG
3
i TxA
3
- obniża zawartość cholesterolu
i ciśnienie tętnicze
kwas
kwas
dokozaheksaenowy
dokozaheksaenowy
–
–
22:6
∆∆∆∆
4,7,10,13,16,19,
DHA n-3
- składnik osłonek nerwowych,
- wpływa na ogólną odporność organizmu.
KWASY POLIENOWE n-3
KWASY POLIENOWE n-3
dr inż. Aneta Białkowska
•
karotenoidy (
β
-karoten, kantaksantyna) i melaniny;
produkują je głównie halofile
•
inne barwniki, np. fioletowe barwniki psychrotrofowego
szczepu Janthinobacterium lividum wykazujące aktywność
antybakteryjną względem B. subtilis, B. megaterium, S.
aureus i P. aeruginosa
BARWNIKI OCHRONNE
BARWNIKI OCHRONNE
Wiolaceina (M
w
– 343,3) Deoksywiolaceina (M
w
– 329)
ββββ
-karoten
dr inż. Aneta Białkowska
BARWNIKI PRODUKOWANE PRZEZ ANTARKTYCZNE
GRZYBY STRZĘPKOWE Z KOLEKCJI IBT PŁ
BARWNIKI PRODUKOWANE PRZEZ ANTARKTYCZNE
GRZYBY STRZĘPKOWE Z KOLEKCJI IBT PŁ
dr inż. Aneta Białkowska
ARCHEOCYNY
ARCHEOCYNY
Peptydowo-białkowe bakteriocynopodobne
substancje o właściwościach antybiotycznych
wytwarzane przez halofilne i hipertermofilne
archeony:
• halocyny
(do 35 kDa) i
mikrohalocyny
(od 3,6 kDa)
z ekstremalnych halofili z rodziny
Halobacteriaceae,
• sulfolobicyny
(ok. 20 kDa) z ekstremalnych
termofili rodzaju Sulfolobus
dr inż. Aneta Białkowska