Biyoetanol ve Maya: Yakıt Üreten Fermantasyonun Bilimi

Bir benzin istasyonundaki etanolün arkasında çoğu zaman şeker kamışı ya da mısır değil, o şekeri işleyen tek hücreli bir mantar duruyor: Saccharomyces cerevisiae. Biyoetanol, tarımsal hammaddelerden elde edilen karbonhidratların maya tarafından fermente edilmesiyle üretilen bir yakıttır (Argueso ve ark., 2009). Maya bu işi yüzyıllardır ekmekte ve içkide yapıyor; yakıt ölçeğinde yapması ise ona başka bir yük bindiriyor: yüksek şeker, yüksek alkol, yüksek sıcaklık ve tekrar tekrar kullanılmak.

Oksijen varken bile fermente etmek

Mayanın yakıt üretimine uygunluğu, tuhaf görünen bir tercihten geliyor. Crabtree-pozitif mayalar, solunum yolunu kullanabilecekleri koşullarda, yani oksijen varken bile fermantasyona başvurur; oysa fermantasyonun ATP verimi solunumdan çok daha düşüktür, glukoz başına yaklaşık 2 ATP'ye karşılık yaklaşık 18 ATP (Pfeiffer ve ark., 2014). Aynı derleme bu özelliğin ortaya çıkışındaki genetik olayların belirlendiğini, ancak sağladığı seçilim avantajının hâlâ tartışmalı olduğunu ve yazarların ATP üretim hızındaki artışı başlıca etken saydığını belirtir (Pfeiffer ve ark., 2014). Şekeri alkole çeviren bu metabolizmanın hücre biyolojisi için maya bir mantar mı yazısına bakabilirsiniz.

Fermantasyonun ürünü aynı zamanda mayanın kendi sorunu hâline gelir. Etanol stresini ele alan bir derlemeye göre mayanın fermantasyondaki başarımı, biriken etanolün hücre canlılığına etkisiyle sınırlanır; etanol saldırısı altında enerji üretimi kısıtlanır, glikoliz ve mitokondri işleviyle ilişkili genlerin ifadesi artarken enerji isteyen büyüme süreçlerinin genlerinde ifade düşer (Stanley ve ark., 2010). Aynı derleme genom ölçekli taramalarda vakuol işlevinin korunmasının etanol toleransında önemli göründüğünü, bunun da protein döngüsü ve iyon dengesindeki rolüyle ilişkilendirildiğini aktarır (Stanley ve ark., 2010).

Sahadaki maya: şeker kamışı ve geri besleme

Yakıt etanolü üretiminde maya, laboratuvar suşu değil, fabrikanın kendi koşullarında seçilmiş bir popülasyondur. Brezilya'daki 12 yıllık bir suş seçim programını aktaran çalışmaya göre şeker kamışı suyu ve melasla, hücrelerin yeniden kullanıldığı fermantasyon düzeninde çalışacak S. cerevisiae suşları seçilmiştir (Basso ve ark., 2008). Aynı çalışma seçilen suşların yüksek etanol verimi, azalmış gliserol ve köpük oluşumu, geri kazanım boyunca canlılığını koruma ve endüstriyel fermentörlere yerleşme becerisi gösterdiğini; hücrelerin tekrar tekrar kullanılmasının bir seçilim baskısı, yani uyarlanmalı bir evrim yarattığını bildirir (Basso ve ark., 2008).

Bu suşların genomları okununca alışılmadık bir tablo çıktı. Yaygın kullanılan PE-2 suşundan türeyen diploit JAY270'in genomunun oldukça heterozigot olduğu (kilobaz başına yaklaşık 2 tek nükleotit farkı) ve homolog kromozomlar arasında yapısal farklılıklar taşıdığı, bu yeniden düzenlenmelerin kromozomların uç bölgelerinde ve tekrar dizileri içindeki kırılma noktalarında toplandığı bulunmuştur (Argueso ve ark., 2009). Aynı çalışmada karmaşık karyotipine rağmen bu diploidin sporlanmasında canlı spor oranının yüksek olduğu görülmüş; yazarlar kromozom uçlarının, zorunlu genleri kapsamadığı için yeniden düzenlenmeye açık esnek bölgeler olduğu modelini önermiştir (Argueso ve ark., 2009).

Bir başka endüstriyel suşta da benzer bir tablo var: Brezilya şeker kamışı sanayisinde baskın olan CAT-1 suşunun yaklaşık 12 milyon baz çiftlik genomu, referans suşa göre yaklaşık 36.000 homozigot ve 30.000 heterozigot tek nükleotit farkı taşır ve öngörülen 6.652 protein kodlayan genin yüzde 58'i referans genomdakilerden farklı alellerdir (Babrzadeh ve ark., 2012). Aynı çalışmada suşun transpozon sayısının azaldığı, özellikle telomerik bölgelerde gen silinmeleri ve çoğalmaları taşıdığı bildirilmiştir (Babrzadeh ve ark., 2012).

İkinci kuşak: saptan, samandan etanol

Şeker ve nişasta yerine bitkisel atıkları kullanma fikri, mayanın önüne yeni bir şeker koyuyor: ksiloz. Ksiloz bitki lignoselülozunun ana bileşenlerinden biridir ve fermente edilmesi, bitkisel biyokütlenin yakıt ve kimyasallara çevrilmesi için önemlidir (Jeffries ve ark., 2007). Sorun şu ki S. cerevisiae bu şekeri kendiliğinden verimli biçimde kullanamaz.

Çözüm arayışının bir kolu, ksilozu doğal olarak fermente eden mayalara yöneldi. Pichia stipitis genomunun dizilenmesi, genom örgütlenmesinde alışılmadık yönler, biyodönüşüm için çok sayıda gen ve ilişkili işlevleri olan genlerin bir arada bulunduğu örnekler ortaya koymuş; dizinin, bu mayanın az oksijenli koşullarda ksilozu verimli fermente ederken redoks dengesini nasıl düzenlediğine dair bir bakış sağladığı bildirilmiştir (Jeffries ve ark., 2007).

Öteki kol, gereken geni başka bir organizmadan ödünç aldı. Anaerob bir mantar olan Piromyces sp. E2'de ksiloz metabolizmasının, mayalardaki ksiloz redüktaz/ksilitol dehidrojenaz yolu yerine ksiloz izomeraz üzerinden yürüdüğü gösterilmiş, bu enzimi kodlayan XylA geni S. cerevisiae'de işlevsel biçimde ifade edilmiştir (Kuyper ve ark., 2003). Aynı çalışmada hücre ekstraktlarında ölçülen izomeraz etkinliğinin ksiloz için 20 mM'lik bir Km değeriyle 0,3-1,1 μmol/dk/mg protein aralığında olduğu, elde edilen suşun ksilozda çok yavaş büyüdüğü bildirilmiştir (Kuyper ve ark., 2003). Bu geni veren mantarları anaerob mantarlar yazısında ele alıyoruz.

Hidrolizatın içindeki engeller

Ksilozu kullanmak tek başına yetmiyor; bitkisel biyokütleyi şekere ayırmak için uygulanan işlem, mayanın karşısına inhibitör moleküller çıkarıyor. Ksiloz fermantasyonunu derleyen bir çalışma, lignoselülozik hidrolizatların ligninden ve şeker bozunmasından türeyen çeşitli inhibitörler ile kayda değer miktarda asetik asit içerdiğini; pH, sıcaklık, yüksek etanol ve başka streslerle birlikte bu tablonun araştırmayı endüstriyel suşlara yönelttiğini anlatır (Moysés ve ark., 2016). Aynı derleme ilk genetiği değiştirilmiş suşlardaki sorunları redoks dengesizliği, pentoz fosfat yolu genlerinin ifadesinin ayarlanması ve ksilitol oluşumunun azaltılması başlıkları altında özetler ve son dönemde araştırmanın ksiloz taşıyıcılarına kaydığını belirtir (Moysés ve ark., 2016).

İnhibitör toleransı suştan suşa değişiyor. On iki S. cerevisiae suşunun arpa sapı, ladin ve buğday sapı hidrolizatlarında oksijensiz büyümesini ölçen bir taramada suşlar arasında anlamlı farklar bulunmuş; buğday hidrolizatı yüzde 70'e kadar, arpa hidrolizatı ise yüzde 50'ye kadar seyreltilmemiş oranda büyümeyi desteklemiştir (Almeida ve ark., 2009).

Biyokütleyi şekere çeviren enzim tarafını selülaz enzimi nedir ve ksilanaz enzimi nedir yazılarında, mayanın şekeri alkol yerine yağa çevirdiği yolu oleajinöz mayalar yazısında, aynı türün şaraptaki işini şarap mayası nasıl çalışır yazısında bulabilirsiniz.

Bilimsel referanslar

Almeida, J.R. et al. (2009). Screening of Saccharomyces cerevisiae strains with respect to anaerobic growth in non-detoxified lignocellulose hydrolysate. Bioresour Technol, 100(14), 3674-7. PMID 19329297. DOI 10.1016/j.biortech.2009.02.057.

Argueso, J.L. et al. (2009). Genome structure of a Saccharomyces cerevisiae strain widely used in bioethanol production. Genome Res, 19(12), 2258-70. PMID 19812109. DOI 10.1101/gr.091777.109.

Babrzadeh, F. et al. (2012). Whole-genome sequencing of the efficient industrial fuel-ethanol fermentative Saccharomyces cerevisiae strain CAT-1. Mol Genet Genomics, 287(6), 485-94. PMID 22562254. DOI 10.1007/s00438-012-0695-7.

Basso, L.C. et al. (2008). Yeast selection for fuel ethanol production in Brazil. FEMS Yeast Res, 8(7), 1155-63. PMID 18752628. DOI 10.1111/j.1567-1364.2008.00428.x.

Jeffries, T.W. et al. (2007). Genome sequence of the lignocellulose-bioconverting and xylose-fermenting yeast Pichia stipitis. Nat Biotechnol, 25(3), 319-26. PMID 17334359. DOI 10.1038/nbt1290.

Kuyper, M. et al. (2003). High-level functional expression of a fungal xylose isomerase: the key to efficient ethanolic fermentation of xylose by Saccharomyces cerevisiae? FEMS Yeast Res, 4(1), 69-78. PMID 14554198. DOI 10.1016/S1567-1356(03)00141-7.

Moysés, D.N. et al. (2016). Xylose Fermentation by Saccharomyces cerevisiae: Challenges and Prospects. Int J Mol Sci, 17(3), 207. PMID 26927067. DOI 10.3390/ijms17030207.

Pfeiffer, T. et al. (2014). An evolutionary perspective on the Crabtree effect. Front Mol Biosci, 1, 17. PMID 25988158. DOI 10.3389/fmolb.2014.00017.

Stanley, D. et al. (2010). The ethanol stress response and ethanol tolerance of Saccharomyces cerevisiae. J Appl Microbiol, 109(1), 13-24. PMID 20070446. DOI 10.1111/j.1365-2672.2009.04657.x.

Bu içerik bilgilendirme amaçlıdır, tıbbi tavsiye niteliği taşımaz. Herhangi bir sağlık kararı almadan önce hekiminize danışınız. Fonksiyonel mantarlar ilaç değildir ve hastalıkların tedavisinde kullanılamaz.

Atıf yapılan kaynak: 9  |  Yöntem: Editöryel Politika  |  Referanslar: Bibliyografya