Дріжджі - хімічна школа

Дріжджі

Дріжджі - це одноклітинні гриби, які розмножуються шляхом проростання або ділення (розщеплення). Більшість належить до відділу Ascomycota, але стадії розвитку інших грибів також називають дріжджами. Прикладами грибних дріжджів (Basidiomycota) є етапи всходів різних голих видів базидій (Екзобазідіум), певні стадії розвитку багатьох грибів сажі або навіть необов’язково патогенних грибів людини, таких як Malassezia furfur.

Історія та значення

Дріжджі - один з найважливіших мікроорганізмів комерційного значення, який завжди служив людству. Вже в ранніх розвинених цивілізаціях Близького Сходу алкогольні напої, вино та пиво, а також хліб виготовляли за допомогою дріжджів, не знаючи контексту. У баварському Законі про чистоту 1516 року також не згадуються дріжджі.

Лише Луї Пастер (1822–1895) описав у своєму творі Études sur la bière, що дріжджі складаються з мікроорганізмів і що наявність цих організмів має важливе значення для процесу бродіння. Пастер довів, що без дріжджів ферментація не відбувається, а присутність інших організмів (диких дріжджів або бактерій) порушує поведінку бродіння, що призводить до псування пива або вин. Дріжджі використовуються у виробництві пива, вина, спиртних напоїв, продуктів харчування та широкого спектру біохімічних та терапевтичних речовин. Деякі дріжджі викликають псування їжі та кормів, інші мають медичне значення.

Дріжджі відіграють важливу роль як модельні організми в біології, оскільки їх можна легко вирощувати, генетично модифікувати та досліджувати в лабораторії. Вони є одними з найменших еукаріотичних організмів. Оскільки вони еукаріоти, їх схожість із вищими організмами значно більша, ніж у бактерій.

біологія

Дріжджі розмножуються нестатевим шляхом, проростаючи або ділячись. Також відбувається статеве розмноження у Ascosporidae з аскусом та утворенням аскоспор, у Basidiosporidae з утворенням базидіоспор.

Як еукаріоти, дріжджі, як правило, набагато більші за більшість бактерій і мають типові клітинні структури еукаріотів: складні мембранні структури, хромосоми та безліч органел, включаючи мітохондрії та ендоплазматичний ретикулум, структури, яких немає у прокаріотів (бактерії та археї).

Сьогодні відомо близько 700 видів дріжджів, що містять понад 5000 штамів, але лише деякі з них були точно описані. В даний час не існує жодного зв’язуючого визначального визначення для дріжджів, оскільки властивості деяких добре відомих дріжджів, такі як спиртове бродіння та розмноження шляхом ділення клітин, не є спільними для всіх дріжджів і не є унікальними для них.

Більшість дріжджів є факультативно анаеробними, тобто не залежать від кисню. Якщо кисень доступний, як і більшість інших живих істот, ви можете використовувати його для окислювального енергетичного обміну (аеробне дихання): Ви можете окислювати різні цукри, утворюючи вуглекислий газ та воду. Однак за відсутності кисню багато дріжджів можуть розщеплювати цукру лише до низькомолекулярних речовин, наприклад до етанолу та вуглекислого газу (наприклад, при спиртовому бродінні). Окислення цукру в аеробних умовах забезпечує більше енергії, ніж бродіння. Тому швидкість зростання маси і швидкість ділення клітин набагато вищі при розщепленні окисного цукру, ніж при бродінні. [1] [2]

Дріжджі використовують широкий спектр вуглеводів. Однак ще не описано жодного виду, який міг би використовувати всі природні цукри. Деякі приклади: Штами дріжджів, що ферментують верхньо Saccharomyces cerevisiae можна використовувати глюкозу, фруктозу, маннозу, галактозу, сахарозу, мальтозу, мальтотріозу та рафінозу. Близько споріднені види Saccharomyces diastaticus і нижньобродильні стебла Saccharomyces cerevisiae (раніше, ніж види S. uvarum або S. carlsbergensis шанують) також використовують декстрини та мелобіоз. Saccharomyces cerevisiae та їх родичі, однак, не можуть використовувати пентози, такі як рибоза, ксилоза та арабіноза, а також целобіоза, лактоза, інулін та целюлоза.

видів

Біотехнічне використання

Дріжджі використовуються в самих різних біотехнологічних процесах. Найвідомішим є виробництво напоїв, що містять етанол, таких як пиво або вино (та інші алкогольні напої), а також самого етанолу. Зокрема, цукрових дріжджів (Сахароміцети) використовуються для виробництва хліба ("біла пекарня", дріжджове тісто) та виробництва пива.

Якщо рідина, що підлягає ферментації, містить пектин, під час бродіння виробляється метанол, який в організмі людини розщеплюється на метанал (формальдегід) і згодом на метанову кислоту (мурашина кислота) і може призвести до сліпоти.

Хоча таксономія (біологічна систематична класифікація) дріжджів суперечлива, принаймні 1000 окремих штамів Сахароміцети Визначаються. Промисловість зосереджується більше на властивостях окремих племен, ніж на загальній систематичній класифікації. Для систематики "незначні" відмінності між штамами, такими як верхня або нижня ферментація, а також температурні оптимуми, можуть мати вирішальне значення в технічному застосуванні. Класичне культивування дріжджів представляється складним, оскільки більшість штамів, що використовуються в промисловості, є поліплоїдними або анеуплоїдними, а отже, не мають гаплоїдно-диплоїдного життєвого циклу. Отже, ці штами є генетично стабільнішими, але навряд чи пропонують придатну репродуктивну діяльність для використання класичних методів розведення. Однак методи, що передбачають утворення сферопластів та рекомбінантну ДНК, призводять до генерації інших штамів дріжджів з промисловим потенціалом. Ці методи досить просунуті і давно використовуються в мікробіології, але європейська громадськість все ще не приймає їх.

Промислове значення

Загальна маса дріжджів, що виробляються сьогодні, включаючи пивоваріння, виноробство та виробництво продуктів харчування, становить мільйони тонн щороку. Хоча дріжджі виду Saccharomyces cerevisiae представляють важливу, економічно значущу форму, існує безліч «екзотичних» типів дріжджів, які можуть бути використані для технічного застосування. Більшість Сахароміцети-Дріжджі загальновизнані у всьому світі як безпечні з точки зору харчового законодавства (GRAS - загальновизнане як безпечне) і виробляють два дуже важливі первинні продукти метаболізму, етанол та вуглекислий газ.

Етанол використовується як питний алкоголь, як паливо та як розчинник. Використання вуглекислого газу варіюється від закваски, добавок до напоїв, виробництва екстракту хмелю для використання в тепличних культурах. Існують також інші важливі застосування самих дріжджів. Дріжджові екстракти використовуються для ароматизації продуктів і як джерело нуклеотидів є важливим компонентом замінників грудного молока. Дріжджі служать джерелом вітаміну В для людей і тварин. Стерильні дріжджові екстракти служать компонентами живильних середовищ для вирощування грибів при виробництві ферментів або для виробництва бактерій для пробіотиків та силосуючих засобів.

Будова клітинної стінки деяких Сахароміцети-Видами можна спеціально контролювати за допомогою середовища вирощування (управління ферментацією, харчування), що робить ці організми дуже популярними у біотехнологічній галузі. Показано, що ґратчаста фракція глюкану клітинної стінки деяких штамів має токсинзв’язуючі властивості. Визначені маннанопротеїни дають змогу боротися з патогенними бактеріями або служать пероральними «промоторами» вакцин та ліків - додатків, які також можуть бути цікавими для харчування тварин. Добре описаний поживний синтез дріжджів дозволяє виробляти амінокислоти та органічно зв’язані мікроелементи для харчування людей та тварин. Використання генної інженерії призвело до багатьох інших важливих застосувань дріжджів, включаючи штами, які завдяки генетичній модифікації виробляють нетипові для дріжджів білки та пептиди, такі як інтерферон, сироватковий альбумін людини або інсулін.

Переваги дріжджів як "експресійних платформ"

Дріжджі складаються з великої кількості дуже різних організмів, а не лише з хлібопекарських або пивних дріжджів, які зазвичай відомі з випічки та пивоваріння Saccharomyces cerevisiae.

Дріжджі - ідеальна система для виробництва чужорідних білків. Як еукаріоти, вони здатні глікозилювати білки, тому вони здатні приєднувати до білків ланцюги цукру: багато білків є глікопротеїнами. Вони також здатні виділяти ці глікопротеїни в навколишнє живильне середовище - кишкову бактерію Кишкова паличка наприклад, не може цього зробити. Отже, білки, що виробляються в дріжджах, ідентичні або дуже схожі на білки тварин або людини.

Перша «експресійна платформа» («фабрика білка»), заснована на типі дріжджів, використовувала вже згадані пекарські дріжджі. Однак існує більше 800 різних видів дріжджів з дуже різними властивостями. На відміну від хлібопекарських дріжджів, деякі з них не обмежуються глюкозою як джерелом вуглецю для їх росту, але можуть використовувати різноманітні субстрати. Різні з цих дріжджів використовуються - як хлібопекарські дріжджі - для генної інженерії білків.

Arxula adeninivorans (Blastobotrys adeninivorans)

Arxula adeninivorans - диморфний тип дріжджів (він росте у формі дріжджів при температурі нижче 42 ° C, вище цієї температури в нитчастій формі). Він може рости на дуже різних джерелах енергії та вуглецю та засвоювати нітрат. Він використовувався для виробництва різних білків. Генетично модифіковані штами використовувались для виробництва біорозкладаного пластику або біосенсорів для вимірювання естрогенів у зразках навколишнього середовища.

Candida boidinii

Candida boidinii - це метилотрофний вид дріжджів (тобто здатний рости з окисленням метанолу як джерелом енергії та метанолом як джерелом вуглецю). Як і інші метилотрофні дріжджі (див. Нижче Hansenula polymorpha і Pichia pastoris) він пропонує чудову платформу для виробництва чужорідних білків. Для них описано продуктивність багатьох грамів на літр культури.

Hansenula polymorpha (Pichia angusta)

Hansenula polymorpha - метилотрофний вид дріжджів (див Candida boidinii). Він також може рости на багатьох інших субстратах, є термостійким мікроорганізмом і може засвоювати нітрат. Серед іншого, він використовувався для виробництва вакцин проти гепатиту В, інсуліну та інтерферону-альфа2а для лікування гепатиту С, а також для виробництва різних технічних ферментів.

Kluyveromyces lactis

Kluyveromyces lactis - це вид дріжджів, який використовується у виробництві кефіру. Він може рости на різних цукрах, особливо важлива лактоза цукру, яка міститься в молоці та сироватці. Крім усього іншого, після генетичної модифікації він використовувався для виробництва сичугу хімозину, для згущення молока при виробництві сиру. Виробництво хімозину відбувається у великих ферментерах у масштабі 40000 л.

Pichia pastoris

Pichia pastoris - інший тип метилотрофних дріжджів (пор. Candida boidinii і Hansenula polymorpha). Різні елементи доступні як комплекти для цієї “платформи”; він використовується у всьому світі в університетах та академічних закладах для виробництва білка. Зовсім недавно були розроблені штами, які роблять складні цукрові ланцюги людських білків абсолютно автентичними (дріжджові цукрові ланцюги в дріжджових білках зазвичай подібні, але не повністю ідентичні).

Saccharomyces cerevisiae

Термін "дріжджі" є загальним терміном, але часто використовується лише для цього типу дріжджів, традиційних хлібопекарських або пивних дріжджів Saccharomyces cerevisiae, використовується, оскільки це оригінальне значення слова "дріжджі". Saccharomyces cerevisiae використовувався і використовується, серед іншого, для виробництва технічних ферментів, а також активних фармацевтичних інгредієнтів, таких як інсулін та вакцини проти гепатиту В.

Yarrowia lipolytica

Yarrowia lipolytica є диморфним типом дріжджів (пор. Arxula adeninivorans), які, як і інші вже описані види, можуть рости на різних субстратах. Він має великий потенціал для промислового застосування, але досі немає комерційно доступного продукту генної інженерії, який був би вироблений за допомогою цих дріжджів.

Порівняння різних дріжджів

Різні типи дріжджів суттєво різняться у певних розробках продуктів. Крім того, так звані дикі типи спочатку потрібно перетворити на «фабрики генетичних білків». Відповідні штам дріжджів необхідно трансформувати за допомогою вектора (зокрема: за допомогою плазміди). Така плазміда містить усі необхідні генетичні елементи для розпізнавання трансформованого штаму та генетичні вказівки для виробництва бажаного білка. Ці елементи коротко узагальнено нижче:

Маркер відбору, необхідний для розрізнення трансформованого штаму від нетрансформованого штаму - цього можна досягти, наприклад, за допомогою генетичного елемента, який дозволяє дефектному штаму відростати в середовищах, в яких відсутня необхідна речовина що сам штам вже не може виробляти через свій дефект, такий як певна амінокислота.
Певні елементи для того, щоб розмножити плазміди після прийому або включити їх у певне місце хромосоми дріжджів (ARS та/або послідовність рДНК).
Сегмент ДНК, який відповідає за синтез бажаного білка, називається експресійною касетою. Така "касета" складається з послідовності регуляторних розділів: спочатку вона містить промотор, який контролює, наскільки і за яких обставин зчитується наступна послідовність (транскрипція мРНК) і, отже, скільки білка виробляється і за яких обставин стає.

Це означає, що наступна послідовність є змінною залежно від речовини, що виробляється. Наприклад, він може визначити амінокислотну послідовність інсуліну, поверхневих антигенів гепатиту В або інтерферону. Касета виразу обмежена наступною термінаторною послідовністю, за допомогою якої транскрипція закінчується правильно. Елементи промотора для контролю транскрипції походять від дуже активних генів окремих видів дріжджів Hansenula polymorpha наприклад, від генів метаболізму метанолу. Вони сильні, і їх також можна регулювати, додаючи певні джерела вуглецю в живильне середовище. Більшість промоутерів, як і щойно згадані, функціонують лише в єдиній системі, а саме тій, з якої вони походять.

Встановлено, що різні типи дріжджів дуже сильно відрізняються за своєю здатністю виробляти певні білки. Існують відмінності в обробці та модифікації та загалом у продуктивності. Оскільки вони різняться, не можна виключати, що дріжджі, зазначені на початку процесу та розробки продукту, можуть взагалі не мати змоги виробляти бажану речовину або лише повністю. Це, в свою чергу, може мати дорогі та трудомісткі наслідки. Тому має сенс перевірити кілька видів дріжджів одночасно на їх здатність виробляти певний білок на початку розвитку. Для цього була розроблена векторна система, яка функціонує у всіх дріжджах, що досліджувались до цього часу. Він має модульну структуру і містить «універсальну» послідовність-мішень, яка присутня в однаковій послідовності у всіх дріжджів (рДНК). Усередині експресійної касети він містить промотор, який активний у всіх дріжджах.

Дріжджі в харчуванні тварин

На додаток до використання пива або пивних дріжджів у вбитій формі як високодоступного джерела білка, конкретні штами використовуються близько 20 років Saccharomyces cerevisiae використовується в харчуванні тварин як пробіотики. Тріумфальне просування цієї форми заявки, особливо в секторі жуйних тварин, сходить до важливого зауваження пивоварної промисловості: для стабілізації готового зеленого пива пивовари використовують невелику кількість дріжджів у процесі «роздування», яке споживає залишковий кисень. У цьому контексті британський вчений-пивовар Джеймс Хаф описав у 1965 р. Цей штам S. cerevisiae NCYC 1026 надзвичайно висока активність, що споживає кисень. Його учень, ірландський інженер пивоваріння Пірс Лайонс, вперше комерційно використав це спостереження для стабілізації анаеробного стану в рубці корів. Сьогодні використання живих дріжджових культур для годівлі жуйних та коней є стандартним у всьому світі.

Інші наслідки, що стосуються продуктивності та здоров’я тварин, можна простежити за визначаючими середовище та бактеріостимулюючими властивостями живих дріжджів. Різні бактерії, що руйнують клітковину і лактат, реагують на присутність дріжджів, посилюючи їх метаболізм і репродуктивну активність. Використовувані властивості знову ж таки специфічні для окремих штамів Saccharomyces. Також відомі штами з протилежними ефектами, такі як стимуляція лактатних будівельників.

світогляд

Пошук майбутніх застосувань дріжджів у харчуванні тварин зосереджений на виробництві природних геміцелюлаз та целюлаз для виробництва більш якісних білків та окремих амінокислот із недорогих сировинних матеріалів, таких як рисова лушпиння або побічні продукти алкогольної промисловості. Інші сфери включають вироблення пептидів для збалансованого годування молодих тварин у значенні "ідеальних білків" та використання білка дріжджів як основи для хелатування ліків та мікроелементів. Вирощування та виробництво дріжджів бажаного типу вимагає багато ноу-хау, але воно дуже універсальне і, перш за все, дуже безпечне. Saccharomyces cerevisiae і їхні родичі будуть супроводжувати людство ще довгий час.