İtakonik Asit Nedir? Aspergillus terreus'un Ürünü

Plastik, boya, reçine ve sentetik lif üretiminde kullanılan beş karbonlu bir dikarboksilik asit var ki kaynağı petrol değil, bir küf kültürü. İtakonik asidi sanayi ölçeğinde üreten organizma Aspergillus terreus; molekül, sitrik asit döngüsünün ara ürünü olan cis-akonitatın karboksil grubunu yitirmesiyle oluşuyor (Okabe ve ark., 2009). Bu yazı molekülün nasıl üretildiğini, hangi genlerin işin içinde olduğunu, hangi organizmaların aynı işi başka bir yoldan yaptığını ve üretimin neden hâlâ zorlandığını literatürden izliyor.

Molekül ve pazarı

İtakonik asit, doymamış bir C5 dikarboksilik asittir ve biyokütle temelli bir yapı taşı kimyasalı olarak görülür (Saha, 2017). Ölçek şöyle: bir derlemeye göre dünyada yılda 80.000 tonun üzerinde itakonik asit üretiliyor, kilogramı yaklaşık 2 ABD doları fiyatla satılıyor ve şekerden alınan verim litrede 80 gramın üzerine çıkabiliyor (Okabe ve ark., 2009). Aynı derleme molekülün sentetik reçinelerde, liflerde, plastiklerde, kauçuklarda, yüzey aktif maddelerde ve yağ katkılarında kullanıldığını sayar (Okabe ve ark., 2009).

Kullanım listesi başka bir derlemede süper emici polimerler, reçineler, plastikler, boyalar ve sentetik liflerle tekrarlanır; aynı yazı molekülün petrol kaynaklı metakrilik asidin yerini alma potansiyelinden söz eder (Saha, 2017). Buna karşın üretim ölçeği, aynı yoldan üretilen bir başka mantar asidinin gerisinde: fermantasyonla litrede 80 gramın üzerinde itakonik asit elde edilirken sitrik asitte bu değer litrede 200 gramı aşar (Saha, 2017). Sitrik asit tarafındaki hikâyeyi sitrik asit mantardan mı üretilir yazısında ele aldık.

Sitrat döngüsünden çıkan iki adım

İki asidin akrabalığı tesadüf değil. İki süreci karşılaştıran bir derlemeye göre A. niger'in sitrik asidi ile A. terreus'un itakonik asidi aynı metabolik yolla oluşur; fark, sitrik asidin A. niger'de son ürün olması, A. terreus'un ise iki enzimatik adım daha yürüterek itakonik aside ulaşmasıdır (Karaffa ve ark., 2019). Yazarlara göre iki üretim süreci bu benzerliğe rağmen birbirinden bağımsız olarak, karşılıklı bilgi aktarılmadan iyileştirilmiştir (Karaffa ve ark., 2019).

Yolun kilit enzimi cis-akonitat dekarboksilazdır (CAD); molekülün metabolik yolundaki bu enzimin belirlenmesi, üretimi iyileştirme çalışmalarının da dayanağı olmuştur (Okabe ve ark., 2009). Enzimin adı işini anlatıyor: cis-akonitattan bir karbondioksit koparır ve geriye itakonik asit kalır.

Akış hızını artırma denemeleri bu noktada devreye giriyor. Bir çalışmada A. niger'in 6-fosfofrukto-1-kinaz enzimini kodlayan pfkA geni, sitratla baskılanmaya dirençli kısa ve etkin bir parça üretecek biçimde değiştirilip A. terreus suşuna aktarılmış; elde edilen transformantlarda itakonik asidin özgül üretkenliği ve son verimi ana suşa göre artmıştır (Tevz ve ark., 2010). Aynı çalışmada bütün transformantların büyüme hızı baskılı kalmış, yazarlar bunu itakonik asit birikimi için gereken düşük başlangıç pH'ına bağlamıştır (Tevz ve ark., 2010).

Dört genlik bir küme

İtakonik asit üretimi tek bir enzimle değil, birlikte çalışan bir gen kümesiyle yürür. Aspergillus pseudoterreus ATCC32359 üzerinde yapılan bir çalışmaya göre küme dört genden oluşur: cis-akonitik asit dekarboksilazı kodlayan cadA, bir transkripsiyon faktörü (tf), mitokondriyal organik asit taşıyıcısı mttA ve MFS tipi taşıyıcı mfsA (Deng ve ark., 2020). Aynı çalışmada dört genin de üretim için gerekli olduğu, herhangi birinin silinmesinin üretimi tamamen durdurduğu ya da belirgin biçimde düşürdüğü, tf silindiğinde diğer üç genin ifadesinin azaldığı gösterilmiştir (Deng ve ark., 2020). Yazarlar cadA silinen suşta itakonik asit yerine kayda değer miktarda akonitik asit biriktiğini bildirir (Deng ve ark., 2020).

Taşıyıcıların payı, kümenin başka bir küfe aktarıldığı çalışmada daha da görünür oluyor. A. terreus'un cadA geni A. niger'e aktarıldığında litrede yalnız 0,05 gram itakonik asit üretilmiş; gen kodon uyumlu hâle getirilip mitokondriyal ve plazma zarı taşıyıcılarıyla birlikte, okzaloasetat hidrolaz ve glukoz oksidaz genleri devre dışı bırakılmış bir konakta ifade edildiğinde verim ve titre belirgin biçimde yükselmiştir (Van der Straat ve ark., 2014). Aynı çalışmada mttA geninin ifadesinin salgılanan itakonik asidi yirmi kat, tüm kümenin ifadesinin ise yalnız CadA taşıyan suşa göre yirmi beş kattan fazla artırdığı bildirilmiştir (Van der Straat ve ark., 2014). Devre dışı bırakılan enzimlerden birini glukoz oksidaz nedir yazısında ele alıyoruz; mantarlarda gen kümelerinin genel mantığı için sekonder metabolit gen kümeleri yazısına bakabilirsiniz.

Aynı moleküle başka bir yoldan: Ustilago maydis

İtakonik asit üreten tek organizma A. terreus değil. Bir derlemeye göre birçok mantar bu molekülü sentezleyebiliyor; A. terreus litrede 85 grama, Ustilago maydis ise litrede 53 grama kadar üretim bildirilmiş, ayrıca A. niger ve bazı mayalar bu iş için genetik olarak düzenlenmiştir (Zhao ve ark., 2018).

İlginç olan, basidiyomiset olan U. maydis'in aynı sonuca farklı bir kimyayla ulaşması. Bir çalışma bu mantarın itakonik asidi, cis-akonitatın termodinamik olarak daha kararlı izomeri olan trans-akonitat üzerinden ürettiğini göstermiştir (Geiser ve ark., 2016). Aynı çalışmada trans-akonitatın sitoplazmada Adi1 adlı akonitat izomerazla oluşturulduğu, dekarboksilasyonu yapan enzimin ise trans-akonitat dekarboksilaz (Tad1) adı verilen yeni bir enzim olduğu bildirilmiş; yola özgü transkripsiyon faktörü Ria1'in ya da mitokondriyal trikarboksilik asit taşıyıcısı Mtt1'in aşırı ifadesi verimi iki katına çıkarmıştır (Geiser ve ark., 2016). Yani iki krallıktan iki mantar, aynı ürüne iki ayrı ara molekülle varıyor.

Molekülün mantar dışındaki adı

İtakonik asit yalnız fermantasyon tanklarında karşımıza çıkmıyor. Bir hücre çalışmasında, memeli makrofajlarında ifade edilen Irg1 geninin, cis-akonitatın dekarboksilasyonuyla itakonik asit üreten enzimi kodladığı gösterilmiş; araştırmacılar fare ve insan bağışıklık hücrelerinde gen ifadesi ile itakonik asit miktarının birlikte değiştiğini ve saflaştırdıkları proteinin cis-akonitat dekarboksilaz etkinliği taşıdığını bildirmiştir (Michelucci ve ark., 2013). Mantar biyoteknolojisinde onlarca yıldır bilinen bir tepkimenin, memeli hücre metabolizmasında da yürüdüğünün anlaşılması bu çalışmayla oldu.

Aynı küfün ikinci ürünü

A. terreus sanayide iki değerli metabolitle anılıyor. Bir derlemeye göre bu küf hem polimer sanayisinin öncü maddesi itakonik asidin hem de ilaç sanayisinin hammaddesi lovastatinin biyoteknolojik üretiminde kullanılır ve iki molekülün biyosentez gen kümeleri genomda birbirine komşu bölgelerde yer alır (Boruta ve ark., 2017). Aynı derleme genomik komşuluğa rağmen iki metabolitin üretiminin farklı koşullarda, özellikle besiyerinin pH değerine göre ayrıştığını belirtir (Boruta ve ark., 2017).

Üretim tarafında süreç, misel kültürünün sıvı ortamda yürütülmesine dayanıyor; batık fermantasyonun mantıklarını sıvı kültür nedir yazısında anlattık. Mantarların organik asit salgılamasının bambaşka bir örneği için mantarlar neden oksalik asit salgılar, şekerden yağ üreten maya platformları için oleajinöz mayalar yazısına bakabilirsiniz.

Bilimsel referanslar

Boruta, T. et al. (2017). Production of lovastatin and itaconic acid by Aspergillus terreus: a comparative perspective. World J Microbiol Biotechnol, 33(2), 34. PMID 28102516. DOI 10.1007/s11274-017-2206-9.

Deng, S. et al. (2020). Deletion analysis of the itaconic acid biosynthesis gene cluster components in Aspergillus pseudoterreus ATCC32359. Appl Microbiol Biotechnol, 104(9), 3981-3992. PMID 32162091. DOI 10.1007/s00253-020-10418-0.

Geiser, E. et al. (2016). Ustilago maydis produces itaconic acid via the unusual intermediate trans-aconitate. Microb Biotechnol, 9(1), 116-26. PMID 26639528. DOI 10.1111/1751-7915.12329.

Karaffa, L. et al. (2019). Citric acid and itaconic acid accumulation: variations of the same story? Appl Microbiol Biotechnol, 103(7), 2889-2902. PMID 30758523. DOI 10.1007/s00253-018-09607-9.

Michelucci, A. et al. (2013). Immune-responsive gene 1 protein links metabolism to immunity by catalyzing itaconic acid production. Proc Natl Acad Sci U S A, 110(19), 7820-5. PMID 23610393. DOI 10.1073/pnas.1218599110.

Okabe, M. et al. (2009). Biotechnological production of itaconic acid and its biosynthesis in Aspergillus terreus. Appl Microbiol Biotechnol, 84(4), 597-606. PMID 19629471. DOI 10.1007/s00253-009-2132-3.

Saha, B.C. (2017). Emerging biotechnologies for production of itaconic acid and its applications as a platform chemical. J Ind Microbiol Biotechnol, 44(2), 303-315. PMID 27933436. DOI 10.1007/s10295-016-1878-8.

Tevz, G. et al. (2010). Enhancing itaconic acid production by Aspergillus terreus. Appl Microbiol Biotechnol, 87(5), 1657-64. PMID 20461508. DOI 10.1007/s00253-010-2642-z.

Van der Straat, L. et al. (2014). Expression of the Aspergillus terreus itaconic acid biosynthesis cluster in Aspergillus niger. Microb Cell Fact, 13, 11. PMID 24438100. DOI 10.1186/1475-2859-13-11.

Zhao, M. et al. (2018). Itaconic acid production in microorganisms. Biotechnol Lett, 40(3), 455-464. PMID 29299715. DOI 10.1007/s10529-017-2500-5.

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: 10  |  Yöntem: Editöryel Politika  |  Referanslar: Bibliyografya