Potencjał osmotyczny jako parametr hodowli mikroorganizmów
Wiele mikroorganizmów wykształciło unikalne właściwości w celu przystosowania się do życia w ekstremalnych warunkach. Właściwości te mogą być wykorzystane do prowadzenia różnych procesów biotechnologicznych.
Adaptacje wyżej wymienionych mikroorganizmów do tak zasolonego środowiska sprawiają, że ich poznanie i wykorzystanie niesie ze sobą olbrzymie możliwości. Jedną z pierwszych reakcji bakterii halofilnych na stres hiperosmotyczny jest wewnątrzkomórkowa akumulacja jonów potasu. Pozwala ona na utrzymanie lub odbudowanie w komórkach odpowiedniego turgoru. Jony potasu są pobierane ze środowiska za pomocą indukowanych osmolarnością systemów aktywnego transportu (pompa potasowa). Dalsze utrzymanie turgoru przy jednoczesnym zachowaniu w komórce odpowiedniego środowiska jonowego, wymaga transportu lub syntezy innych substancji, których funkcje mogą polegać na:
wymianie nadmiaru jonów potasu, mogących w dużym stężeniu hamować aktywność niektórych enzymów, na inne jony, stąd w cytoplazmie bakterii halofilnych stwierdzono wyższe stężenie jonów potasu niż sodu, przy jednoczesnej dominacji anionów chlorkowych,
transporcie lub syntezie związków anionowych (szczególnie polianionów) w celu równoważenia ładunków w błonie cytoplazmatycznej i zachowania odpowiedniego potencjału elektrochemicznego błony,
transporcie lub syntezie tzw. związków zgodnych, których funkcje biologiczne są często słabo poznane. Część z nich jest akumulowana w procesie adaptacji do wysokiego ciśnienia osmotycznego. Nie wpływa ona na szybkość wzrostu bakterii. Do grupy związków zgodnych należą: jony potasu, glutaminian, glutamina, trehaloza i inne. Związki zgodne stymulujące wzrost nazwano osmolitami. Można do nich zaliczyć: ektoinę, prolinę, betainę glicynową, cholinę i glicerol. Są to polarne związki o wysokiej rozpuszczalności. Mogą posiadać ładunek lub być obojętne w roztworach o pH fizjologicznym. Ich stężenia w komórce są regulowane odpowiednio do zewnętrznych stężeń soli. Osmolity silnie wiążąc wodę zapewniają utrzymanie i zachowanie prawidłowej struktury i funkcji komórki. W badaniach nad ekspresją genów kodujących ektoinę i hydroksyektoinę stwierdzono, że czynnikiem regulującym ich ekspresję jest zmiana osmolarności środowiska.
Obecność molarnych stężeń jonów nieorganicznych w cytoplazmie wymaga zaawansowanych przystosowań w enzymatycznych procesach komórkowych. Większość białek bakterii halofilnych zawiera dużą ilość kwaśnych aminokwasów, a małą obojętnych, stąd też wysokie stężenie kationów wewnątrz komórki może być w pewnym stopniu wykorzystane do osłony przed niepożądanymi zmianami na powierzchni białka. W dodatku wysokie stężenie kwasu glutaminowego może być korzystne z uwagi na to, że związek ten posiada najsilniejsze właściwości hydrofilowe ze wszystkich aminokwasów, a poprzez to umożliwia zachowanie wysokiego ciśnienia osmotycznego w komórce. Wymagania odnośnie wysokiego stężenia soli dla strukturalnej stabilności mogą także sprzyjać zachowaniu niskiej zawartości reszt hydrofobowych: wysokie stężenie soli jest niezbędne do utrzymania słabych oddziaływań hydrofobowych. Dlatego też większość białek bakterii halofilnych ulega denaturacji, kiedy roztwór zawiera mniej niż 1-2 M NaCl.
W komórkach bakterii halofilnych gradient stężenia jonów sodu na zewnątrz błony komórkowej jest utrzymywany poprzez system wymiany jonów sodu na jony wodoru. Energia potrzebna do transportu jonów sodu na zewnątrz błony komórkowej jest dostarczana w wyniku wytworzonego gradientu stężeń protonów podczas transportu elektronów w procesie oddychania. W przypadku niektórych gatunków bakterii halofilnych wyżej opisany proces może zachodzić przy udziale bakteriorodopsyny, białka występującego w warstwie lipidowej błony komórkowej. Bakteriorodopsyna związana jest z światłoczułym związkiem karotenowym, retinalem. Tego typu błona cytoplazmatyczna halobakterii, nazywana jest błoną purpurową. Przyrastająca masa tych bakterii zabarwia wodę na kolor ciemnoczerwony. Pigment ten podczas naświetlania komórki, wytwarza gradient protonów między wewnętrzną a zewnętrzną powierzchnią błony. Błona purpurowa pełni zatem funkcję pompy protonowej, która jest napędzana światłem i tworzy elektrochemiczny potencjał błonowy. Powstaniu potencjału może towarzyszyć generacja ATP. Błona purpurowa prowadzi więc swoisty rodzaj fosforylacji.
Strategie wpływania potencjałem osmotycznym w procesach biotechnologicznych:
zmiany szokowe potencjału osmotycznego środowiska w celu wymuszenia produkcji określonych metabolitów przez drobnoustroje
Wykorzystanie potencjału osmotycznego, jako czynnika selekcyjnego wobec mikroorganizmów
wykorzystanie mikroorganizmów halofilnych i osmofilnych do produkcji określonych metabolitów
Zastosowanie organizmów odpornych na wysokie stężenie soli w biotechnologii:
Produkcja osmolitów np. ektoiny, hydroksyektoiny oraz betainy zwiększających odporność bakterii na stres osmotyczny oraz trehalozy - substancji ochronnej stosowanej w procesie suszenia biomas komórkowych i biomolekuł oraz jako dodatku podczas przechowywania mikroorganizmów.
Produkcja bakteriorodopsyny dla przemysłu fotochemicznego, fotoelektrycznego i informatyczngo.
Produkcja biosurfaktantów (lichenisyna) i emulgatorów- zastosowanie w bioremediacji środowisk słonych.
Produkcja lipidów wykorzystywanych do tworzenia liposomów stosowanych w medycynie i kosmetyce do przenoszenia substancji czynnych biologicznie. Liposomy te są bardziej trwałe i odporne na wpływ środowiska niż otrzymywane ze stosowanych kwasów tłuszczowych
Do produkcji prekursorów w przemyśle farmaceutycznym stosowanych do syntezy półsyntetycznych antybiotyków, hormonów i pestycydów.
Do produkcji enzymów (β-galaktozydaza wykorzystywana do syntezy galaktooligocacharydów mających właściwości prebiotyczne)
Do prowadzenia procesów fermentacyjnych produktów słonych. Organizmy prowadzące ten proces produkując różne związki wpływają na smak, zapach i barwę końcowego produktu np. produkcja pikli w solance, produkcja sosów sojowych i innych.
Produkcja substancji antydrobnoustrojowych (substancje killerowe produkowane przez drożdże osmofilne, bakteriocyny)
Produkcja β-karotenu jako barwnika stosowanego w przemyśle spożywczym i kosmetycznym
Do bioremediacji środowisk słonych (usuwanie ropy naftowej , fenolu i innych)
Oczyszczanie ścieków silnie zasolonych
Produkcja wodoru (alternatywne źródło energii)
Wykorzystanie bakterii wiążących N do rekultywacji gleb słonych