Hidrofobin Nedir? Mantarın Suyla Havayı Ayıran Yüzey Proteini

Islak bir odun parçasında büyüyen bir mantar ipliği havaya doğru uzanmak istediğinde önünde görünmez bir duvar vardır: suyun yüzey gerilimi. Bitkiler ve hayvanlar bu sınırı kas gücüyle ya da sert dokuyla aşar. Mantarın ise elinde yalnızca incecik bir hücre duvarı var. Çözümü, kendi ürettiği ve suyla hava arasındaki sınıra dizilen küçük bir protein ailesi: hidrofobinler.

Küçük, sistein zengini, yalnız mantarlara özgü

Hidrofobinler yalnızca filamentli mantarların ürettiği proteinlerdir ve hidrofilik ile hidrofobik ortamların buluştuğu arayüzlerde kendiliğinden bir araya gelerek amfipatik bir film oluşturur (Wösten ve ark., 2015). Bu filmin bir yüzü suyu sever, öteki suyu iter. Sonuç iki yönlü çalışan bir yüzey kaplamasıdır: film hidrofobik bir yüzeyi ıslanabilir hâle getirirken hidrofilik bir yüzeyi su iten bir yüzeye çevirebilir (Wösten ve ark., 2015).

Yapısal olarak hidrofobinlerde korunmuş sekiz sistein kalıntısı bulunur; Schizophyllum commune'de hava hiflerinin oluşumunda görev alan SC15 adlı salgı proteininin hidrofobin sayılmamasının gerekçesi de bu sekiz sisteini taşımamasıdır (Lugones ve ark., 2004). Hidrofobinlerin yapısını ve arayüzlerde nasıl kümelendiğini derleyen bir incelemede bu proteinlerin hava büyümesini desteklemek ve spor yayılımını kolaylaştırmak gibi birden fazla işlev üstlendiği özetlenir (Lo ve ark., 2019).

Hifin kendisinin nasıl uzadığını, uçtan büyümenin mantığını hifa nedir, mantar nasıl büyür yazısında anlattık; burada o ipliğin yüzeyine bakıyoruz.

Sudan havaya çıkmak

Bu sorunun cevabına götüren deneylerden biri 1999'da yayımlandı. Schizophyllum commune ile yapılan çalışmada mantarın hava hifleri ve meyve gövdesi oluşturabilmesi için önce su yüzey gerilimini düşürmesi gerektiği gösterilmiş; salgılanan SC3 hidrofobininin su-hava arayüzünde film oluşturmasıyla yüzey gerilimi 72'den 24 mJ m^-2'ye inmiştir (Wösten ve ark., 1999). Aynı çalışmada bazı başka sınıf I hidrofobinler ve bir bakteri yüzey aktif molekülü ortamda SC3'ün yerini tutabilmiş, ancak her yüzey aktif molekül bunu yapamamıştır (Wösten ve ark., 1999). Yazarlara göre bu bulgu mantarların çevrelerindeki suya neden bol miktarda hidrofobin salgıladığını açıklar (Wösten ve ark., 1999).

Genetik deneyler de aynı yöne işaret eder. SC3 geni bozulan S. commune suşunda hava hifi oluşumu ve hidrofobik yüzeylere tutunma etkilenmiş ama tamamen kaybolmamış; SC3 ile birlikte SC15 geni de silindiğinde bu süreçler neredeyse bütünüyle ortadan kalkmıştır (Lugones ve ark., 2004). Araştırmacılar bu durumu, çift mutant suşun su yüzey gerilimini düşürememesi ve hava hiflerini hidrofobik yapamamasıyla açıklamıştır (Lugones ve ark., 2004). Türün biyolojisini ve neden laboratuvarlarda model organizma olarak kullanıldığını Schizophyllum commune tür ansiklopedisinde bulabilirsiniz.

Spor kaplaması ve meyve gövdesi yüzeyi

Hidrofobin filmleri "rodlet" denen ince çubuksu bir katman oluşturur. Böcek patojeni Beauveria bassiana'da hyd1 geninin susturulması spor yüzeyindeki demetleri değiştirmiş, sporların su iticiliğini ve suyla yayılabilirliğini azaltmıştır; iki hidrofobin geni birlikte silindiğinde sporlarda ne demet ne de rodlet yapısı kalmıştır (Zhang ve ark., 2011). Bir sporun havada ve suda nasıl yol aldığı mantar sporları nasıl fırlatılır yazısının konusu.

Trichoderma ile yapılan daha yeni bir çalışmada hava hiflerinin spor oluşumundan kısa süre önce hidrofobinleri hızla saldığı, sporların üzerine düzgün bir hidrofobin kaplaması oluşması için ise hiflerin damlattığı ya da ortamdan gelen mikroskobik su damlacıklarına ihtiyaç duyulduğu gösterilmiştir (Cai ve ark., 2021).

Markette gördüğünüz kültür mantarı da bu ailenin bir üyesini taşır. Agaricus bisporus meyve gövdelerinde ABH1 adlı sınıf I hidrofobinin baskın bir protein olduğu, saflaştırıldığında tipik rodlet katmanını oluşturduğu ve özellikle meyve gövdesinin dış yüzeyinde, zarında ve sapın iç dokusunda yoğunlaştığı bulunmuştur (Lugones ve ark., 1996). Yazarlar ABH1'in meyve gövdesi yüzeyinin su iticiliğinden büyük olasılıkla tek başına sorumlu olduğunu ve gövde içindeki hava kanallarını da kaplayabileceğini öne sürmüştür (Lugones ve ark., 1996). Türün kendisi kültür mantarı tür ansiklopedisinde ele alınıyor.

Biranın şişeden taşması

Hidrofobinlerin arayüz sevgisi bira endüstrisinde istenmeyen bir sonuç doğurur. Şişe açılır açılmaz biranın içinde çok sayıda ince kabarcık oluşup köpükle dışarı taşmasına "gushing" denir; bu olgunun malt kaynaklı türü, tarlada, depoda ya da maltlama sırasında küflenmiş arpa veya buğdayla ilişkilendirilir (Hippeli ve ark., 2002). Aynı yazarlar farklı laboratuvarların verilerini birleştirerek, spor ve hava miselinin hidrofobik bileşenleri olan mantar hidrofobinlerinin taşmayı başlatan etkenler arasında olduğunu öne sürmüştür (Hippeli ve ark., 2002).

Sonraki çalışmalar bunu deneysel olarak sınamıştır. Fusarium graminearum ve F. poae'den elde edilip başka bir mantarda üretilen iki hidrofobinin 0,003 ppm derişimde biranın şiddetli biçimde taşmasına yol açtığı gözlenmiştir (Sarlin ve ark., 2012). Bu derişim kabaca milyarda üç kısma denk gelir.

Köpük, kaplama ve malzeme araştırmaları

Aynı özellik mutfakta ve malzeme biliminde bir fırsat olarak da incelenir. Uygulamaları derleyen bir incelemeye göre hidrofobinler hidrofobik maddeleri dağıtmak, gıda ürünlerinde köpüğü kararlı kılmak ve enzim, peptit, antikor, hücre gibi molekülleri yüzeylere sabitlemek için kullanılabilir; aynı film moleküllerin yüzeye bağlanmasını engellemek için de kullanılabilir (Wösten ve ark., 2015).

Gıda köpüğü tarafında sınıf II hidrofobin HFBII ile yapılan bir arayüz çalışmasında yalnız HFBII ile kararlı kılınan kabarcıklar küçülüp çözünmeye karşı olağanüstü dayanıklı bulunmuş, fakat ani basınç düşüşüyle tetiklenen birleşmeye karşı dayanıklı olmamıştır (Wang ve ark., 2013). HFBII sodyum kazeinat ya da β-laktoglobulin gibi süt proteinleriyle karıştırıldığında kabarcıkların küçülme hızı azalmış ve basınç düşüşüne karşı kararlılık artmıştır (Wang ve ark., 2013). Mutfaktaki köpüklerin lesitin ve başka dokulandırıcılarla nasıl kurulduğunu mantar köpük (espuma) bilimi yazısında anlattık; hidrofobini ise burada mutfak malzemesi olarak değil, araştırma literatüründeki bir yüzey proteini olarak ele alıyoruz.

Malzeme tarafında ilginç bir sonuç misel levhalarından geldi. S. commune'de SC3 hidrofobin geni silindiğinde misel malzemesinin sıcaklık arttıkça daha fazla su tuttuğu, çekme dayanımı ve Young modülünün ise yabani suşa göre 3-4 kat yükseldiği ölçülmüştür (Appels ve ark., 2018). Yazarlar bu farkı kimyasal bileşimden değil misel yoğunluğundaki değişimden kaynaklandığını bildirmiş; yabani suş doğal malzemelere, mutant ise termoplastiklere benzer mekanik değerler vermiştir (Appels ve ark., 2018). Miselin ambalaj ve deri benzeri malzemelere dönüşme serüveni miselyum biyomalzeme yazısında ayrıca ele alınıyor.

Hidrofobinlerin kendiliğinden kümelenme süreci daha iyi anlaşıldıkça, bu proteinlerin biyouyumlu kaplama gerektiren yeni uygulamalar için mühendislikle değiştirilebileceği değerlendirilmektedir (Lo ve ark., 2019). Aynı mantar ipliğinin toprakta nasıl bir halka hâlinde yayıldığını merak ederseniz peri halkası nedir yazısı hikâyeyi yerin altından sürdürüyor. Mantar hücre duvarından elde edilen bir başka malzeme olan kitosanı ayrı bir yazıda ele aldık.

Bilimsel referanslar

Appels, F.V.W. et al. (2018). Hydrophobin gene deletion and environmental growth conditions impact mechanical properties of mycelium by affecting the density of the material. Sci Rep, 8(1), 4703. PMID 29549308. DOI 10.1038/s41598-018-23171-2.

Cai, F. et al. (2021). The pleiotropic functions of intracellular hydrophobins in aerial hyphae and fungal spores. PLoS Genet, 17(11), e1009924. PMID 34788288. DOI 10.1371/journal.pgen.1009924.

Hippeli, S. et al. (2002). Are hydrophobins and/or non-specific lipid transfer proteins responsible for gushing in beer? New hypotheses on the chemical nature of gushing inducing factors. Z Naturforsch C J Biosci, 57(1-2), 1-8. PMID 11926520. DOI 10.1515/znc-2002-1-201.

Lo, V. et al. (2019). Fungal Hydrophobins and Their Self-Assembly into Functional Nanomaterials. Adv Exp Med Biol, 1174, 161-185. PMID 31713199. DOI 10.1007/978-981-13-9791-2_5.

Lugones, L.G. et al. (1996). An abundant hydrophobin (ABH1) forms hydrophobic rodlet layers in Agaricus bisporus fruiting bodies. Microbiology (Reading), 142(Pt 5), 1321-1329. PMID 8704971. DOI 10.1099/13500872-142-5-1321.

Lugones, L.G. et al. (2004). The SC15 protein of Schizophyllum commune mediates formation of aerial hyphae and attachment in the absence of the SC3 hydrophobin. Mol Microbiol, 53(2), 707-16. PMID 15228546. DOI 10.1111/j.1365-2958.2004.04187.x.

Sarlin, T. et al. (2012). Identification and characterization of gushing-active hydrophobins from Fusarium graminearum and related species. J Basic Microbiol, 52(2), 184-94. PMID 21780148. DOI 10.1002/jobm.201100053.

Wang, Y. et al. (2013). Interfacial study of class II hydrophobin and its mixtures with milk proteins: relationship to bubble stability. J Agric Food Chem, 61(7), 1554-62. PMID 23343339. DOI 10.1021/jf304603m.

Wösten, H.A. et al. (1999). How a fungus escapes the water to grow into the air. Curr Biol, 9(2), 85-8. PMID 10021365. DOI 10.1016/s0960-9822(99)80019-0.

Wösten, H.A. et al. (2015). Applications of hydrophobins: current state and perspectives. Appl Microbiol Biotechnol, 99(4), 1587-97. PMID 25564034. DOI 10.1007/s00253-014-6319-x.

Zhang, S. et al. (2011). Two hydrophobins are involved in fungal spore coat rodlet layer assembly and each play distinct roles in surface interactions, development and pathogenesis in the entomopathogenic fungus, Beauveria bassiana. Mol Microbiol, 80(3), 811-26. PMID 21375591. DOI 10.1111/j.1365-2958.2011.07613.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: 11  |  Yöntem: Editöryel Politika  |  Referanslar: Bibliyografya