Ksilanaz Nedir? Hemiselülozu Kesen Mantar Enzimi

Odunun ve saman gibi bitkisel artıkların kütlesinde selülozdan sonra gelen ikinci büyük polisakkarit grubu hemiselülozlardır ve bunların içinde ksilan ayrı bir yer tutar. Ksilanaz, bu polimerin omurgasını kesen enzimin adı: karmaşık bitki hücre duvarı polisakkariti olan ksilanın beta-1,4 omurgasını rastgele noktalardan kıran hidrolitik enzimler bu başlık altında toplanır (Collins ve ark., 2005). Aşağıda önce substratı, sonra enzim ailelerini, üretimini düzenleyen genleri ve enzimin sanayideki işlerini ele alıyoruz.

Substrat: ksilan nasıl bir polimer?

Hemiselülozlar, bitki hücre duvarlarında beta-1,4 bağlı omurgalar taşıyan polisakkaritlerdir; ksilanlar, ksiloglukanlar, mannanlar ve glukomannanlar bu gruba girer (Scheller ve ark., 2010). Aynı derlemeye göre hemiselülozların biyolojik açıdan öne çıkan işlevi, selülozla ve bazı duvarlarda ligninle etkileşerek hücre duvarını güçlendirmeleridir (Scheller ve ark., 2010).

Ksilanın kendisi düz bir zincir değil. Bir derlemeye göre ksilan, beta-1,4 glikozit bağlarıyla bağlanmış D-ksilopiranozil birimlerinden oluşan doğrusal bir polimerdir; doğada bu omurgaya 4-O-metil-alfa-D-glukuronopiranozil birimleri, asetil grupları ve alfa-L-arabinofuranozil grupları değişken oranlarda eklenir (Polizeli ve ark., 2005). Aynı derlemeye göre ksilanın hidrolizinden bir enzim kompleksi sorumludur, ama işin ağırlığını endo-1,4-beta-ksilanaz ile beta-ksilosidaz taşır ve ticari kaynak öncelikle filamentli mantarlardır (Polizeli ve ark., 2005). Selülozu kesen kardeş enzim takımını selülaz nedir yazısında ele aldık.

Aynı işi yapan farklı katlanmalar

Ksilanaz tek bir protein kalıbı değil. Enzim ailelerini derleyen bir çalışmaya göre ksilanaz etkinliği taşıyan enzimler farklı katlanmalar, farklı etki mekanizmaları, farklı substrat özgüllükleri ve farklı fizikokimyasal özellikler gösterir; araştırmalar ağırlıklı olarak glikozit hidrolaz ailesi 10 ve 11 üzerinde yoğunlaşmış olsa da 5, 7, 8 ve 43 numaralı ailelerde de ksilanaz etkinliği taşıyan enzimler tanımlanmıştır (Collins ve ark., 2005). Aynı derleme, endüstriyel süreç koşullarında çalışabilen enzim arayışının termofil, alkalifil ve asidofil kaynaklı ksilanazların izole edilmesine yol açtığını belirtir (Collins ve ark., 2005).

Enzimi açıp kapatan düzenleyiciler

Mantar bu enzimleri boşuna üretmez; genler ortamdaki karbon kaynağını dinler. Aspergillus niger'de ksilanolitik etkinlikten yoksun bir mutantın tamamlanmasıyla izole edilen xlnR geni, GAL4 üst ailesine benzeyen bir çinko kümesi alanı oluşturabilen 875 aminoasitlik bir polipeptit kodlar (Van Peij ve ark., 1998). Aynı çalışmada XlnR'nin bağlandığı 5'-GGCTAAA-3' dizisi belirlenmiş, bu dizinin çeşitli Aspergillus türlerinin ve Penicillium chrysogenum'un ksilanolitik gen promotörlerinde bulunduğu ve XlnR'nin bu sistemin transkripsiyon etkinleştiricisi olduğu gösterilmiştir (Van Peij ve ark., 1998).

Endüstriyel selülaz kaynağı olan mantarda da benzer bir düzenleyici var. Hypocrea jecorina (anamorf Trichoderma reesei) genomundan xyr1 geni silindiğinde suşun D-ksiloz ve ksilanı kullanma yeteneğinin belirgin biçimde azaldığı, xyn1, xyn2, cbh1, cbh2 ve egl1 genlerinin transkripsiyon düzenlemesinin ise tümüyle Xyr1'e bağlı olduğu gösterilmiştir (Stricker ve ark., 2006). Aynı çalışmada Xyr1'in D-ksiloz redüktaz düzenlemesi üzerinden mantarın D-ksiloz yolağının denetimine katıldığı, buna karşılık D-ksilozun hücreye alınmasının silme suşunda etkilenmediği bildirilmiştir (Stricker ve ark., 2006). Ksilanın bol bulunduğu bir ortam olan kültür mantarı kompostunu mantar kompostu nedir yazısında ele alıyoruz.

Hamurda ksilanaz

Ksilanazın gıdadaki işi buğday arabinoksilanlarıyla ilgili. Farklı sıcaklık profillerine sahip ksilanazları karşılaştıran bir çalışmada soğuğa uyumlu üç bakteri ksilanazı ile Bacillus subtilis ve Aspergillus aculeatus ksilanazları ekmek hacmi üzerinden karşılaştırılmış; hacim artışları yüzde 12 ile yüzde 28 arasında ölçülmüştür (Dornez ve ark., 2011). Aynı çalışmaya göre yoğurma sırasında suda çözünmeyen arabinoksilanı çözünür hâle getirme kapasitesi yüksek olan ksilanazlar, bu işi ağırlıklı olarak fermantasyon sırasında yapanlara göre hacmi daha çok artırmıştır (Dornez ve ark., 2011).

Enzimin hangi arabinoksilanı tercih ettiği de sonucu değiştiriyor. İkincil bağlanma bölgesi değiştirilmiş ksilanazlarla yapılan bir çalışmada, suda çözünmeyen arabinoksilana göreli etkinliği artırılan enzimlerin zayıf undan yapılan ekmekte yabani tipe göre daha büyük hacim verdiği ve hacim artışının daha düşük enzim miktarında sağlandığı bildirilmiştir (Leys ve ark., 2016). Fermantasyonun mikrobiyoloji tarafını ekşi mayada hangi mayalar yaşar yazısında anlatıyoruz.

Kâğıt hamurunda ağartma

Ksilanazların bir başka kullanım alanı kâğıt üretimi. Bir derlemeye göre kâğıt hamuru ve kâğıt sanayii işleme aşamalarında organoklorlu bileşikler içeren atık su üretir ve enzimatik işlemler bu yükü azaltmaya yönelik seçenekler arasında değerlendirilir; ksilanazlar ksilan üzerinde, selülazlar selüloz lifleri üzerinde çalışarak ağartma etkinliğini artırır (Gupta ve ark., 2022). Aynı derleme lakkazların bakır içeren oksidoredüktazlar olarak ayrı bir yol izlediğini belirtir (Gupta ve ark., 2022). Bu bakırlı enzimi lakkaz enzimi nedir yazısında ele alıyoruz.

Bitkinin yanıtı: ksilanaz inhibitörleri

Bitkiler de bu enzimlere karşı savunma geliştirmiş. Bir derlemeye göre ksilanaz inhibitörleri, başlıca tek çenekli bitkilerde yaygın olan ve mikrobiyal ksilanazların hemiselüloz parçalayıcı etkinliğini engelleyen hücre duvarı proteinleridir; TAXI, XIP ve TLXI olmak üzere yapıları ve engelleme özgüllükleri farklı üç sınıfa ayrılır (Tundo ve ark., 2022). Aynı derleme bu proteinlerin tarım ve gıda süreçlerinde kullanılan ksilanazların etkinliğine karışması nedeniyle ekonomik bir karşılığı olduğunu belirtir (Tundo ve ark., 2022).

Etki yalnız enzimi durdurmakla da kalmıyor. Fusarium graminearum ile yapılan bir çalışmada mantarın dört ksilanazından üçünün ksilan parçalama etkinliğinin yanında konak hücrelerinde ölüme yol açtığı, TAXI-III ve XIP-I inhibitörlerinin bu enzimlerin hem enzimatik hem de hücre ölümü etkinliğini engellediği gösterilmiştir (Tundo ve ark., 2015). Aynı çalışmada inhibitörlerin ısıyla etkisizleştirilmiş ksilanazların hücre ölümü etkinliğini de engellemesi, katalitik etkinlik ile hücre ölümü etkinliğinin ayrı özellikler olduğuna yorulmuştur (Tundo ve ark., 2015).

Bitki hücre duvarının diğer bileşenlerine çalışan mantar enzimlerini pektinaz enzimi nedir ve fitaz enzimi nedir yazılarında anlatıyoruz.

Bilimsel referanslar

Collins, T. et al. (2005). Xylanases, xylanase families and extremophilic xylanases. FEMS Microbiol Rev, 29(1), 3-23. PMID 15652973. DOI 10.1016/j.femsre.2004.06.005.

Dornez, E. et al. (2011). Use of psychrophilic xylanases provides insight into the xylanase functionality in bread making. J Agric Food Chem, 59(17), 9553-62. PMID 21806059. DOI 10.1021/jf201752g.

Gupta, G.K. et al. (2022). Xylanolytic Enzymes in Pulp and Paper Industry: New Technologies and Perspectives. Mol Biotechnol, 64(2), 130-143. PMID 34580813. DOI 10.1007/s12033-021-00396-7.

Leys, S. et al. (2016). Modification of the Secondary Binding Site of Xylanases Illustrates the Impact of Substrate Selectivity on Bread Making. J Agric Food Chem, 64(26), 5400-9. PMID 27282886. DOI 10.1021/acs.jafc.6b01473.

Polizeli, M.L. et al. (2005). Xylanases from fungi: properties and industrial applications. Appl Microbiol Biotechnol, 67(5), 577-91. PMID 15944805. DOI 10.1007/s00253-005-1904-7.

Scheller, H.V. et al. (2010). Hemicelluloses. Annu Rev Plant Biol, 61, 263-89. PMID 20192742. DOI 10.1146/annurev-arplant-042809-112315.

Stricker, A.R. et al. (2006). Xyr1 (xylanase regulator 1) regulates both the hydrolytic enzyme system and D-xylose metabolism in Hypocrea jecorina. Eukaryot Cell, 5(12), 2128-37. PMID 17056741. DOI 10.1128/EC.00211-06.

Tundo, S. et al. (2015). Fusarium graminearum produces different xylanases causing host cell death that is prevented by the xylanase inhibitors XIP-I and TAXI-III in wheat. Plant Sci, 240, 161-9. PMID 26475196. DOI 10.1016/j.plantsci.2015.09.002.

Tundo, S. et al. (2022). Xylanase Inhibitors: Defense Players in Plant Immunity with Implications in Agro-Industrial Processing. Int J Mol Sci, 23(23), 14994. PMID 36499321. DOI 10.3390/ijms232314994.

Van Peij, N.N. et al. (1998). Isolation and analysis of xlnR, encoding a transcriptional activator co-ordinating xylanolytic expression in Aspergillus niger. Mol Microbiol, 27(1), 131-42. PMID 9466262. DOI 10.1046/j.1365-2958.1998.00666.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: 10  |  Yöntem: Editöryel Politika  |  Referanslar: Bibliyografya