Selülaz Nedir? Mantarlar Selülozu Nasıl Parçalar

Selülozu parçalamak için tek bir enzim yetmez. Basidiomisetlerde selüloz yıkımını derleyen bir çalışmaya göre bu mantarlar selüloz için genellikle endoglukanaz, sellobiyohidrolaz ve β-glukozidazdan oluşan bir hidrolitik enzim seti kullanır (Baldrian ve ark., 2008). Selülaz, bu takımın ortak adı. Takıma sonradan yükseltgeyici bir üye de eklendi: selüloz zincirlerini yükseltgenme yoluyla kesen ve klasik selülazların verimini artıran enzimler (Horn ve ark., 2012).

Selüloz neden kolay parçalanmaz?

Selüloz bitki hücre duvarının ana polimerik bileşenidir (Baldrian ve ark., 2008). Lignoselülozik biyokütle için yeni enzimleri derleyen bir çalışma, selülozu bu biyokütledeki polisakkaritler arasında hem homojen hem de parçalanmaya dirençli bir yapı olarak tanımlar (Horn ve ark., 2012).

Selüloz başlıca kristal ve amorf bölgelerden oluşur ve kristal kısmın doğada parçalanması, enzimin yüzeyden ayrılmadan kesintisiz kesim yapabilme derecesine, yani işlemselliğine (processivity) büyük ölçüde bağlıdır (Uchiyama ve ark., 2020). Hücre dışı sindirim için mantarlar nasıl beslenir, odun çürütmenin iki yolu için beyaz çürüklük ve kahverengi çürüklük yazısına bakabilirsiniz.

Üç klasik enzim ve işleri

Takımın üç hidrolitik üyesinin adı, yaptıkları işi de anlatır:

• Endoglukanaz: selüloz zincirinin iç kısmındaki glikozit bağlarını keser ve yeni zincir uçları açar.
• Sellobiyohidrolaz: zincir uçlarından başlayarak iki glukoz biriminden oluşan sellobiyozu koparır.
• β-glukozidaz: sellobiyozu iki glukoz molekülüne ayırır.

Bu düzen her mantarda aynı değildir. Basidiomiset derlemesine göre bazı türlerde sellobiyohidrolaz yoktur ve bu eksikliği iki enzimin özelliklerini birleştiren işlemsel endoglukanazlar kapatır (Baldrian ve ark., 2008). Aynı derleme, sellobiyoz dehidrojenaz, kinon redoks döngüsü ya da glikopeptitlere dayalı Fenton tepkimesiyle hidroksil radikali üreten sistemlerin de selüloz dahil bitki hücre duvarı bileşenlerinin yıkımına katıldığını ve tek bir türün selüloz yıkım düzeneğinin çoğu zaman bu mekanizmaların birden fazlasını içerdiğini belirtir (Baldrian ve ark., 2008). Fenton kimyasının kahverengi çürüklükteki bir başka oyuncusunu mantarlar neden oksalik asit salgılar yazısında anlattık.

Yüzeyde kayan enzimler ve trafik sıkışıklığı

Yüksek hızlı atomik kuvvet mikroskobuyla yapılan bir çalışmada Trichoderma reesei'nin sellobiyohidrolaz I enziminin (TrCel7A) kristal selüloz yüzeyinde tek yönde kaydığı, ama bir noktada trafik sıkışıklığına benzer biçimde topluca durduğu görüntülenmiştir (Igarashi ve ark., 2011). Aynı çalışmada sellobiyohidrolaz II eklendiğinde yüzeyde hareket eden enzim oranının belirgin biçimde arttığı ve iki enzimin birlikte çalışmasıyla selülozun tamamen parçalandığı bildirilmiştir (Igarashi ve ark., 2011).

Aynı teknikle bir bakterinin selülazlarını izleyen çalışmada bakteriyel Cel6B enziminin TrCel7A'ya ters yönde ilerlediği, iki enzim aynı yüzeye konduğunda birbirinin yolunu kestiği görülmüştür (Uchiyama ve ark., 2020). Yazarlara göre bakteriler yüksek işlemselliği aile 6 selülazlarıyla, mantarlar ise aile 7 enzimleriyle sağlar; bu da farklı protein katlanmalarıyla benzer işleve ulaşan yakınsak bir evrime işaret eder (Uchiyama ve ark., 2020).

Takıma sonradan katılan üye: LPMO

2010'da yayımlanan bir çalışma, kristal kitin yüzeyinde zincir kırıkları oluşturan ve yükseltgenmiş zincir uçları üreterek kitinazların işini kolaylaştıran bir enzim tanımladı; yazarlar benzer enzimlerin selüloz üzerinde de çalıştığına dair güçlü işaretler bulunduğunu belirtti (Vaaje-Kolstad ve ark., 2010). Kitinin mantar hücre duvarındaki yerini kitin nedir yazısında anlatıyoruz.

Bu enzimler bugün litik polisakkarit monooksijenazlar (LPMO) olarak biliniyor. Derlemeye göre bu enzimler, çözünmeyen substratın yüzeyinde zincirleri önce kristal yapıdan çekip çıkarmaya gerek kalmadan kırıklar açarak klasik hidrolitik selülazların verimini artırır (Horn ve ark., 2012). Güncel bir değerlendirmeye göre LPMO'lar aktif merkezlerinde tek bir bakır atomu taşır, selüloz ve kitin gibi dirençli polisakkaritlerde glikozit bağlarının C1 ya da C4 karbonunu yükseltger ve bunu denetimli bir Fenton benzeri tepkimeyle yapar (Bissaro ve ark., 2023). Aynı yazıda alanın, oksijeni eş substrat sayan monooksijenaz görüşünden hidrojen peroksit kullanan peroksijenaz görüşüne kaydığı anlatılır (Bissaro ve ark., 2023). Bakırla çalışan bir başka mantar enzimi için lakkaz enzimi nedir yazısına bakabilirsiniz.

Endüstrinin selülaz kaynağı: Trichoderma reesei

Bu küf, biyokütleyi basit şekerlere çevirmek için kullanılan selülaz ve hemiselülazların başlıca endüstriyel kaynağıdır (Martinez ve ark., 2008). Genomunu çözen çalışma ise sürpriz bir sonuç verdi: 34 milyon baz çiftlik genomda 9.129 gen modeli öngörülmüş, bu mantarın bitki hücre duvarını parçalayabilen ve genomu dizilenmiş diğer mantarlardan daha az selülaz ve hemiselülaz geni taşıdığı bulunmuştur (Martinez ve ark., 2008).

Selülaz üretiminde yaygın kullanılan RUT-C30 suşu, yabani tip QM6a'nın yüksek selülaz üretimi ve katabolit baskısından kurtulma hedefli bir taramada üç tur rastgele mutasyona uğratılmasıyla elde edilmiştir (Peterson ve ark., 2012). Aynı derlemeye göre bu suş yabani tipe göre çok yüksek protein salgılama düzeyine ve selüloz yıkım etkinliğine ulaşmış, ama yabancı protein üretimindeki başarısı daha sınırlı kalmıştır (Peterson ve ark., 2012). Cinsin genel biyolojisi için Trichoderma nedir yazısına bakabilirsiniz.

Glukoz varken susmak: selülaz genlerinin düzenlenmesi

Selülaz genleri ortamdaki karbon kaynağını dinler: T. reesei ile yapılan bir çalışmada iki sellobiyohidrolaz ve üç endoglukanaz geninin bütün koşullarda birlikte ifade edildiği, selülozun ve sophoroz adlı disakkaritin ifadeyi neredeyse aynı düzeye çıkardığı, glukozlu ortamda ise hiç ifade görülmediği bulunmuştur (Ilmén ve ark., 1997). Aynı çalışmada yüksek glukozun sophorozun uyarıcı etkisini ortadan kaldırdığı, glukoz tükendiğinde ise dışarıdan uyarıcı eklenmeden de ifadenin başladığı gösterilmiştir (Ilmén ve ark., 1997).

Düzenleme ağında XYR1 adlı transkripsiyon faktörü merkezi bir yerde durur: klasik mutasyonla elde edilmiş ve selülaz üretemeyen QM9136 suşunun genomu okunduğunda, selülaz ve ksilanaz ifadesinin genel düzenleyicisi olan XYR1'in çerçeve kayması nedeniyle 140 amino asit kısaldığı, sağlam xyr1 geni geri verildiğinde ise selülaz üretiminin tamamen geri geldiği gösterilmiştir (Lichius ve ark., 2015). Oksijensiz bir ortamda, gevişgetirenlerin sindirim kanalında yaşayan mantarları ise anaerob mantarlar yazısında ele alıyoruz.

Bilimsel referanslar

Baldrian, P. et al. (2008). Degradation of cellulose by basidiomycetous fungi. FEMS Microbiol Rev, 32(3), 501-21. PMID 18371173. DOI 10.1111/j.1574-6976.2008.00106.x.

Bissaro, B. et al. (2023). Lytic polysaccharide monooxygenases: enzymes for controlled and site-specific Fenton-like chemistry. Essays Biochem, 67(3), 575-584. PMID 36734231. DOI 10.1042/EBC20220250.

Horn, S.J. et al. (2012). Novel enzymes for the degradation of cellulose. Biotechnol Biofuels, 5(1), 45. PMID 22747961. DOI 10.1186/1754-6834-5-45.

Igarashi, K. et al. (2011). Traffic jams reduce hydrolytic efficiency of cellulase on cellulose surface. Science, 333(6047), 1279-82. PMID 21885779. DOI 10.1126/science.1208386.

Ilmén, M. et al. (1997). Regulation of cellulase gene expression in the filamentous fungus Trichoderma reesei. Appl Environ Microbiol, 63(4), 1298-306. PMID 9097427. DOI 10.1128/aem.63.4.1298-1306.1997.

Lichius, A. et al. (2015). Genome sequencing of the Trichoderma reesei QM9136 mutant identifies a truncation of the transcriptional regulator XYR1 as the cause for its cellulase-negative phenotype. BMC Genomics, 16(1), 326. PMID 25909478. DOI 10.1186/s12864-015-1526-0.

Martinez, D. et al. (2008). Genome sequencing and analysis of the biomass-degrading fungus Trichoderma reesei (syn. Hypocrea jecorina). Nat Biotechnol, 26(5), 553-60. PMID 18454138. DOI 10.1038/nbt1403.

Peterson, R. et al. (2012). Trichoderma reesei RUT-C30--thirty years of strain improvement. Microbiology (Reading), 158(Pt 1), 58-68. PMID 21998163. DOI 10.1099/mic.0.054031-0.

Uchiyama, T. et al. (2020). Convergent evolution of processivity in bacterial and fungal cellulases. Proc Natl Acad Sci U S A, 117(33), 19896-19903. PMID 32747547. DOI 10.1073/pnas.2011366117.

Vaaje-Kolstad, G. et al. (2010). An oxidative enzyme boosting the enzymatic conversion of recalcitrant polysaccharides. Science, 330(6001), 219-22. PMID 20929773. DOI 10.1126/science.1192231.

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