Penisilinin Küfü: Fleming'in Kabından Endüstriyel Suşlara

Penisilin öyküsü genellikle bir laboratuvar kabına düşen küfle başlar ve bir ilaçla biter. Arada kalan kısım ise bir mantarın öyküsüdür: hangi tür olduğu, kimlerin onu laboratuvar merakından sanayi ölçeğine taşıdığı ve genomunun bu yolculuk boyunca nasıl değiştiği. Bu yazı penisilini üreten küfün tarihini, 1928'deki gözlemden genomundaki izlere kadar anlatıyor.

1928: Londra'daki gözlem

Penisilinin bakterileri öldüren etkisi 1928'de Londra'da Alexander Fleming tarafından fark edilmiş ve gözlemler 1929'da yayımlanmıştır (Kardos ve ark., 2013). Ancak bu yayından sonra, Howard Florey'nin Oxford'daki ekibinin çalışmalarına kadar konuda önemli bir ilerleme olmamıştır (Kardos ve ark., 2013).

Fleming'in kullandığı izolatın kimliği, öyküdeki küçük ama inatçı bir sorudur ve aşağıda yeniden ele alınacak. Ekmek, peynir ve salamda karşılaşılan Penicillium türlerinin gündelik hayattaki yeri için ekmek neden küflenir ve peynir küfleri yazılarına, peynir kabuğunun mayası için Debaryomyces hansenii yazısına bakılabilir.

Oxford ekibi ve sanayiye geçiş

Florey'nin ekibinde baş bilim insanı Ernst Chain'di; Chain Almanya'da doğup eğitim görmüş, 1933'te Nazizmden kaçan bir Yahudi mülteci olarak İngiltere'ye gelmişti (Kardos ve ark., 2013). Ekibin öteki önemli üyeleri Norman Heatley ve Edward Abraham'dı; ekip, kaynakların kıt olduğu ve teknik güçlüklerin çok olduğu koşullarda penisilini üretip saflaştırmayı başarmıştır (Kardos ve ark., 2013).

Chain penisilin üretiminin mikrobiyolojik yöntemlerini ve maddeyi ayırmak için gereken kimya mühendisliği yöntemlerini yönetmiştir (Kardos ve ark., 2013). Bu teknoloji 1941'de ticari üretim için ABD hükümetinin tesislerine aktarılmış ve Müttefiklerin savaş çabasının önemli bir parçası olmuştur (Kardos ve ark., 2013). 1945'te Nobel ödülü Fleming, Florey ve Chain arasında paylaştırılmıştır (Kardos ve ark., 2013).

Fleming'in küfü hangi türdü

Penicillium chrysogenum iç mekânlarda ve gıdalarda yaygın bir küftür ve penisilin üretimindeki kullanımıyla tanınır (Houbraken ve ark., 2011). Önemli penisilin üreten izolatların soy ağacı analizi, güçlü desteklenen iki küme ortaya çıkarmış ve bu kümelerin iki ayrı tür olduğu gösterilmiştir: P. chrysogenum ve P. rubens (Houbraken ve ark., 2011). İki tür fenotip olarak birbirine benzer, ama ürettikleri ikincil metabolitler farklıdır: P. chrysogenum sekalonik asit D ve F ve/veya lumpidinle ilişkili bir metabolit üretirken P. rubens bunları üretmez (Houbraken ve ark., 2011).

Bu ayrımın sonucu dikkat çekicidir: Fleming'in özgün penisilin üreten suşu da, genomu tam okunan P. chrysogenum suşu da P. rubens olarak yeniden tanımlanmıştır (Houbraken ve ark., 2011). Aynı çalışma, Fleming'in özgün suşu P. rubrum olarak yanlış tanımladığı yönündeki bilinen iddiayı da tartışır (Houbraken ve ark., 2011). Mantarların nasıl sınıflandırıldığının uzun tarihi mantarlar neden ayrı bir alem yazısında.

Suşların yolculuğu

P. chrysogenum, yeni adıyla P. rubens, 1940'lardan beri penisilinin endüstriyel üretiminde kullanılmakta ve endüstriyel biyoteknoloji onunla birlikte gelişmiştir (Fierro ve ark., 2022). Bu tarihi derleyen bir inceleme, yüksek üretim kapasiteli suşların ilk kez ayrılmasından başlayarak klasik suş geliştirme programlarının üretimi nasıl artırdığını ve moleküler araçların sonraki iyileştirmeleri nasıl mümkün kıldığını anlatır (Fierro ve ark., 2022).

Bugünkü üretim soylarının kökü bir yabani izolata uzanır. Genomu ilk okunan referans suş Wisconsin54-1255, yabani tip NRRL 1951 izolatından türemiştir; genomu 32,19 Mb büyüklüğündedir ve 12.943 protein kodlar (Martín, 2020). Penicillium cinsinin chrysogena bölümünde, Fleming suşu P. notatum ve NRRL 1951 dahil, on sekiz tür bulunur (Martín, 2020).

Genom ne gösterdi

Genom çağı bu öyküye yeni bir okuma ekledi. Bugün elde bulunan P. chrysogenum genomları karşılaştırıldığında suşa özgü çok sayıda gen, yapısal ve düzenleyici genlerde mutasyonlar, gen kümesi çoğalmaları ve DNA parçası yer değiştirmeleri görülmektedir (Martín, 2020). Üç endüstriyel suşun genomu yabani tiple benzer büyüklükte olmakla birlikte gen çoğalmaları ve kesilmeleri taşır (Martín, 2020). İkincil metabolit kümeleri ve düzenlenmesi açısından P. chrysogenum bugün iyi incelenmiş bir model organizmadır (Fierro ve ark., 2022). Bir genomun nasıl okunduğu mantar genomu nasıl dizilenir yazısında anlatılıyor.

Suş geliştirmenin genomdaki izi açıkça görülebilir. Penisilin gen kümesinin kopya sayısı yabani tipte bir iken ASP-E1 adlı endüstriyel suşta on ikiye çıkmış, kopyalar art arda dizilmiş tekrarlar hâlinde düzenlenmiştir (Martín, 2020). Yaygın kabul, yüksek verimin bu çoklu kopyalardan geldiği yönündeydi; ama yalnız iki kopya taşıyan P2niaD18 üretim soyunda yapılan çalışmada artan penisilin veriminin kümenin kopya sayısına bağlı olmadığı görülmüş ve yazarlar karmaşık düzenleyici mekanizmaların belirleyici olduğu hipotezini öne sürmüştür (Ziemons ve ark., 2017). Penisilin gibi ikincil metabolitlerin genomda nasıl kümelendiği sekonder metabolit gen kümeleri yazısının konusu. İnsan eliyle şekillenen bir başka mantar soyunun öyküsü için kültür mantarının evcilleşme tarihi yazısına bakılabilir.

Bilimsel referanslar

Fierro, F. et al. (2022). Penicillium chrysogenum, a Vintage Model with a Cutting-Edge Profile in Biotechnology. Microorganisms, 10(3), 573. PMID 35336148. DOI 10.3390/microorganisms10030573.

Houbraken, J. et al. (2011). Fleming's penicillin producing strain is not Penicillium chrysogenum but P. rubens. IMA Fungus, 2(1), 87-95. PMID 22679592. DOI 10.5598/imafungus.2011.02.01.12.

Kardos, N. & Demain, A.L. (2013). Ernst Chain: a great man of science. Appl Microbiol Biotechnol, 97(15), 6613-22. PMID 23793259. DOI 10.1007/s00253-013-5017-4.

Martín, J.F. (2020). Insight into the Genome of Diverse Penicillium chrysogenum Strains: Specific Genes, Cluster Duplications and DNA Fragment Translocations. Int J Mol Sci, 21(11), 3936. PMID 32486280. DOI 10.3390/ijms21113936.

Ziemons, S. et al. (2017). Penicillin production in industrial strain Penicillium chrysogenum P2niaD18 is not dependent on the copy number of biosynthesis genes. BMC Biotechnol, 17(1), 16. PMID 28209150. DOI 10.1186/s12896-017-0335-8.

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: 5  |  Yöntem: Editöryel Politika  |  Referanslar: Bibliyografya