Sitrik Asit Mantardan mı Üretilir? Aspergillus niger Fermantasyonu

Yirminci yüzyılın başına kadar sitrik asit yalnız limondan çıkarılıyordu (Karaffa ve ark., 2001). Tablo 1917'de değişti: bir gıda kimyacısı, Aspergillus niger küfünün hangi suşu olursa olsun şekerli bir besiyerinde yüksek derişimde sitrik asit ürettiğini buldu ve iki yıl sonra küfle sanayi ölçeğinde üretim başladı (Cairns ve ark., 2018). Bugün de sanayi ölçeğindeki yüzey ve batık kültür süreçlerinde ağırlıkla bu küf kullanılır (Max ve ark., 2010). Bu yazı küfün neden asit biriktirdiğini, metabolizmada hangi dengenin bozulduğunu ve üretimde mangan ile demirin neden bu kadar dikkatle izlendiğini anlatıyor.

Limondan küfe: kısa bir tarih

Limon kaynaklı pazarı bir İtalyan karteli denetlediği için başka üretim yolları arandı; kimyasal sentez mümkündü ama pahalı hammaddeler ve düşük verim yüzünden uygun değildi (Karaffa ve ark., 2001). Aynı derlemeye göre küfle fermantasyon keşiften yalnızca on yıl sonra dünya üretiminin büyük kısmını karşılar hâle gelmiş, 2000 yılı için yıllık üretim 900 bin tonun üzerinde tahmin edilmiştir (Karaffa ve ark., 2001). Yüz yıl sonra bu küfle yapılan sitrik asit üretimi milyarlarca dolarlık bir sanayidir ve aynı tür bunun yanında çok sayıda protein, enzim ve ikincil metabolit de üretir (Cairns ve ark., 2018).

Küf kelimesinin bir tür adı değil, bir büyüme biçimi olduğunu küf nedir, mantarla farkı ne yazısında ele aldık.

Küf neden asit biriktirir?

Aspergillus türleri organik asitleri aşırı üretme yeteneğiyle bilinir; genel kabul bu özelliğin onlara ekolojik bir üstünlük sağladığı yönündedir, çünkü bu küfler pH 3 ile 5 arasında iyi büyür ve bazı türler pH 1,5'e kadar dayanır (Karaffa ve ark., 2001). Aynı derlemeye göre bazı koşullarda karbon kaynağı neredeyse tamamen aside çevrilebilir (Karaffa ve ark., 2001).

Asidin küf için bir başka işlevi demirle ilgili. Demir kısıtlı ortamlarda yapılan bir laboratuvar çalışmasında besiyerine eklenen demir azaldıkça sitrat salgısının arttığı, sitrat sentez geni citA'nın daha fazla ifade edildiği ve küfün demir(III) sitratı demir kaynağı olarak kullanabildiği gösterilmiş; yazarlar sitratın bu küfte bir siderofor gibi çalıştığını öne sürmüştür (Odoni ve ark., 2017). Mantarların demiri nasıl topladığını siderofor nedir yazısında anlatıyoruz.

Krebs döngüsünde bir taşma

Sitrik asit Krebs döngüsünün, yani trikarboksilik asit döngüsünün bir ara ürünüdür (Cairns ve ark., 2018). A. niger'deki sitrik asit ve A. terreus'taki itakonik asit üretimi, birincil metabolizmadaki taşmaya dayanan iki teknik ölçekli fermantasyon örneğidir; iki asit aynı yoldan oluşur, ama A. terreus iki enzim adımı daha ekleyerek itakonik aside ulaşır (Karaffa ve ark., 2019).

Taşmanın koşulları bir anda oluşmaz. Döngünün ara ürünlerini yenileyen tamamlayıcı tepkimelerin güçlenmesi hücreyi sitrik asit üretmeye yatkın hâle getirir, ama çimlenen sporlarda sitrat düzeyi yükselmez; misel metabolizmasının bu yöne kayması için bir dizi gelişim olayı ve glikoliz akışının yeniden düzenlenmesi gerekir (Legisa ve ark., 2007). Sporun çimlenip misele dönüşmesini hifa nedir, mantar nasıl büyür yazısında ele aldık.

Hücrede biriken asidin dışarı çıkması da ayrı bir adım. Sitratın hücre zarından taşınmasını sağlayan CexA proteininin geni bozulduğunda sitrik asit salgısı tamamen durmuş ve metabolizma çoğunlukla oksalik aside yönelmiştir (Steiger ve ark., 2019). Aynı çalışmada genin uyarılabilir bir sistemle fazla ifade edilmesi litrede 109 grama kadar sitrik asit vermiş, bu da başlangıç suşunun 5 katıdır (Steiger ve ark., 2019). Oksalik asidin mantarlardaki başka rollerini mantarlar neden oksalik asit salgılar yazısında bulabilirsiniz.

Mangan: az olunca verim yükselen metal

Yüksek verimli üretimin temel koşullarından biri, sürecin başında besiyerindeki mangan(II) iyonu derişiminin düşük tutulmasıdır (Fekete ve ark., 2024). Aşağıdaki tablo bu etkinin nereden geldiğini açıklayan laboratuvar bulgularını topluyor.

Son satır pratik bir ayrıntıyı gösteriyor: aynı çalışmada manganın verime etkisi fermantasyonun ikinci yarısına doğru azalmış, çelik parçaların elektrokimyasal parlatılması iyon geçişini kısmen sınırlamıştır (Fekete ve ark., 2022).

Yüzey kültürü ve batık kültür

Sitrik asit üretimini derleyen bir çalışma fermantasyonu etkileyen değişkenleri karbon kaynağı, azot ve fosfat kısıtlaması, besiyerinin pH değeri, havalandırma, iz elementler ve küfün morfolojisi olarak sıralar; sanayide küfün yüzeyde ya da sıvının içinde büyüdüğü iki kültür biçiminin yanında Yarrowia lipolytica mayasıyla yürüyen süreçler de anlatılır (Max ve ark., 2010). Derlemenin son bölümü portakal kabuğu gibi yan ürünlerin hammadde olarak kullanılmasına ayrılmıştır (Max ve ark., 2010).

Batık kültürde küfün tanklarda sıvı besiyerinde nasıl büyütüldüğünü sıvı kültür nedir yazısında, sanayide kullanılan başka bir mantar molekülünü giberellin nedir yazısında, tanklarda doğrudan küf biyokütlesi üreten bir süreci de mikoprotein nedir yazısında anlatıyoruz. Aynı cinsin mutfaktaki akrabaları için soya sosu nasıl fermente edilir yazısına bakabilirsiniz.

Bilimsel referanslar

Cairns, T.C. et al. (2018). How a fungus shapes biotechnology: 100 years of Aspergillus niger research. Fungal Biol Biotechnol, 5, 13. PMID 29850025. DOI 10.1186/s40694-018-0054-5.

Fejes, B. et al. (2020). The effects of external Mn2+ concentration on hyphal morphology and citric acid production are mediated primarily by the NRAMP-family transporter DmtA in Aspergillus niger. Microb Cell Fact, 19(1), 17. PMID 32000778. DOI 10.1186/s12934-020-1286-7.

Fekete, E. et al. (2022). Bioreactor as the root cause of the "manganese effect" during Aspergillus niger citric acid fermentations. Front Bioeng Biotechnol, 10, 935902. PMID 35992333. DOI 10.3389/fbioe.2022.935902.

Fekete, E. et al. (2024). Transcriptomics identify the triggering of citrate export as the key event caused by manganese deficiency in Aspergillus niger. Microbiol Spectr, 12(11), e0190624. PMID 39377610. DOI 10.1128/spectrum.01906-24.

Karaffa, L. et al. (2001). The biochemistry of citric acid accumulation by Aspergillus niger. Acta Microbiol Immunol Hung, 48(3-4), 429-40. PMID 11791342. DOI 10.1556/AMicr.48.2001.3-4.11.

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.

Legisa, M. et al. (2007). Changes in primary metabolism leading to citric acid overflow in Aspergillus niger. Biotechnol Lett, 29(2), 181-90. PMID 17120089. DOI 10.1007/s10529-006-9235-z.

Max, B. et al. (2010). Biotechnological production of citric acid. Braz J Microbiol, 41(4), 862-75. PMID 24031566. DOI 10.1590/S1517-83822010000400005.

Odoni, D.I. et al. (2017). Aspergillus niger Secretes Citrate to Increase Iron Bioavailability. Front Microbiol, 8, 1424. PMID 28824560. DOI 10.3389/fmicb.2017.01424.

Steiger, M.G. et al. (2019). Engineering of the citrate exporter protein enables high citric acid production in Aspergillus niger. Metab Eng, 52, 224-231. PMID 30553933. DOI 10.1016/j.ymben.2018.12.004.

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