DROBNOUSTROJE EKSTREMOFILNE

JAKO ŹRÓDŁO UśYTECZNYCH

BIOMOLEKUŁ

dr inż. Aneta Białkowska

HIPERTERMOFILE

(T

opt

>85°C),

„szczep 121”; Pyrolobus fumarii (T

opt

= 113ºC)

PSYCHROFILE

(T

min

0°C i poniżej),

Colwellia psychrerythraea (T

min

= -5ºC)

ACIDOFILE

(pH 0,5

÷

÷

÷

÷

2,0),

Picrophilus torridus pH

opt

=0,7 (1,2 M H

2

SO

4

)

ALKALOFILE

(pH 10 ÷12),

Bacillus firmus pH

opt

=10,5

HALOFILE

(stężenie soli > 2,5 M),

Haloarcula marismorti (1,7-5,1 M NaCl)

METALOFILE

(wysokie stężenia metali ciężkich),

Ralstonia i Rhodococcus;

PIEZOFILE

(ciśnienie do 140 MPa),

Photobacterium sp.

EUTEKTOFILE

(wymagają dla wzrostu wody w stanie witryfikacji);

KSEROFILE

(

aktywność wody poniżej 0,8

),

Halobacterium sp.

RADIOFILE,

Deinococcus radiodurans (>5000 Gy

γγγγ

; > 400 J/m

2

UV)

ENDOLITY I HIPOLITY

(kolonizują pęknięcia i części denne skał),

Methanobacterium subterranean

MIKROAEROFILE

(

stężenie tlenu < 21% O

2

)

EKSTREMOFILE

EKSTREMOFILE

dr inż. Aneta Białkowska

ADAPTACJE DROBNOUSTROJÓW DO

EKSTREMALNEGO ŚRODOWISKA

ADAPTACJE DROBNOUSTROJÓW DO

EKSTREMALNEGO ŚRODOWISKA

specyficzne mechanizmy akumulacji energii

(bakteriorodopsyna

halofili)

oraz

utrzymania homeostazy środowiska

wewnątrzkomórkowego i metabolizmu

stabilność komponentów funkcjonalnych i strukturalnych komórki

w warunkach ekstremalnego biotopu

kinetyka reakcji biochemicznych dostosowana do warunków

ekstremalnych

0

20

40

60

80

100

-10 -5

0

10 15 20 25 27 30 35 40 50 60 70 80 90 100

temperatura [°C]

a

k

ty

w

n

o

ś

ć

[%

]

L. antarcticum
Y. lipolytica
aqualizyna

Proteinazy

dr inż. Aneta Białkowska

skład lipidów błonowych zapewniający płynność membran

oraz właściwy transport jonów i biocząsteczek:

u psychrofili

- wzrost zawartości wielonienasyconych

kwasów tłuszczowych, w szczególności z rodzin n3 i

n6, a także kwasów rozgałęzionych nasyconych i
mononienasyconych

u termofili

- lipidy z wiązaniami eterowymi, a nie estrowymi,

zawierające więcej reszt kwasów nasyconych;

u halofili

- obecność specyficznych transportujących białek

błonowych

produkcja ochronnych egzopolisacharydów, biosurfaktantów,

kompatybilnych solutów

tworzenie ochronnych barwników i innych molekularnych filtrów

UV

ADAPTACJE DROBNOUSTROJÓW DO

EKSTREMALNEGO ŚRODOWISKA

ADAPTACJE DROBNOUSTROJÓW DO

EKSTREMALNEGO ŚRODOWISKA

dr inż. Aneta Białkowska

Wsp

Wsp

ó

ó

lne w

lne w

ł

ł

a

a

ś

ś

ciwo

ciwo

ś

ś

ci

ci

ekstremozym

ekstremozym

ó

ó

w

w

IDENTYCZNY

MECHANIZM

KATALIZY

40-80%

HOMOLOGII

SEKWENCJI

AMINOKWASÓW

ZBLIśONA

STRUKTURA

PRZESTRZENNA

WŁAŚCIWOŚCI EKSTREMOZYMÓW

WŁAŚCIWOŚCI EKSTREMOZYMÓW

dr inż. Aneta Białkowska

Wysoka reaktywność

(k

kat

)

i skuteczność katalityczna

(k

kat

/ K

m)

w zakresie 0-30°C

Ograniczona

stabilność

termiczna

WŁAŚCIWOŚCI EKSTREMOZYMÓW

WŁAŚCIWOŚCI EKSTREMOZYMÓW

1. KINETYCZNE

Obniżona temperatura

optymalna i wysoka

aktywność poniżej 20°C

i w 0ºC

PSYCHROZYMY

TERMOZYMY

Podwyższona T

opt

(>80ºC)

i wysoka aktywność

powyżej 70ºC

Wysoka reaktywność (k

kat

)

i skuteczność katalityczna

(k

kat

/K

m

) w zakresie 70-115°C

Wysoka

stabilność

termiczna nawet

powyżej 100ºC

dr inż. Aneta Białkowska

2. STRUKTURALNE

Niższa

liczba

oddziaływań

wewnątrzcząstecz-

kowych

Obecność giętkich

dodatkowych

pętli

na powierzchni

cząsteczek

Obecność obszarów

hydrofobowych na

powierzchni białka

PSYCHROZYMY –

obniżona spójność molekuł, zwiększona elastyczność

TERMOZYMY

– wysoki stopień upakowania i zwiększona sztywność

molekuł

Wyższa

liczba

oddziaływań

wewnątrzcząstecz-

kowych

Mniej

i krótsze

pętle na powierzchni

cząsteczek

Mniej jamistości

w cząsteczce

dr inż. Aneta Białkowska

BIOTECHNOLOGICZNIE INTERESUJĄCE PRODUKTY

METABOLIZMU DROBNOUSTROJÓW EKSTREMOFILNYCH

Enzymy adaptowane do zróżnicowanych, skrajnych warunków

(termozymy,psychrozymy, halozymy, piezozymy)

Wielonienasycone kwasy tłuszczowe

Unikatowe egzopolisacharydy

,

cyklodekstryny i inne

biopolimery

Nowe substancje bakterio- i fungistatyczne

Barwniki przydatne dla żywności

Molekularne filtry UV

Ekstremolity

Membranowe biosurfaktanty

(lichenizyna)

Chaperoniny z hipertermofili

dr inż. Aneta Białkowska

MOśLIWOŚCI APLIKACJI EKSTREMOZYMÓW

I ICH PRODUCENTÓW

MOśLIWOŚCI APLIKACJI EKSTREMOZYMÓW

I ICH PRODUCENTÓW

1. OCHRONA ŚRODOWISKA (KULTURY DROBNOUSTROJÓW

PSYCHRO-, TERMO- I HALOFILNYCH)

•

biodegradacja polutantów

•

rekultywacja zanieczyszczonej gleby in situ (bioremediacja,
biopulping = biorozwłóknianie)

•

produkcja biogazu

•

usuwanie radioaktywnych skażeń

1. OCHRONA ŚRODOWISKA (KULTURY DROBNOUSTROJÓW

PSYCHRO-, TERMO- I HALOFILNYCH)

•

biodegradacja polutantów

•

rekultywacja zanieczyszczonej gleby in situ (bioremediacja,
biopulping = biorozwłóknianie)

•

produkcja biogazu

•

usuwanie radioaktywnych skażeń

dr inż. Aneta Białkowska

2. BIOTRANSFORAMCJE W ZRÓśNICOWANYCH

WARUNKACHModyfikacje i produkcja antybiotyków (psychro- i
piezozymy)

•

Biokataliza w środowiskach organicznych (psychro- i halozymy):

a) stereospecyficzna synteza estrów, peptydów i in.

b) synteza i modyfikacja lotnych związków

2. BIOTRANSFORAMCJE W ZRÓśNICOWANYCH

WARUNKACH

Modyfikacje i produkcja antybiotyków (psychro- i

piezozymy)

•

Biokataliza w środowiskach organicznych (psychro- i halozymy):

a) stereospecyficzna synteza estrów, peptydów i in.

b) synteza i modyfikacja lotnych związków

3. CHEMIA GOSPODARCZA

produkcja środków piorących w niskich i wysokich

temperaturach: proteazy, lipazy (C. antarctica),

amylazy, celulazy (celulaza BCE113)

preparat „Stainzyme” – przeznaczony do prania w obnizonych

temperaturach

3. CHEMIA GOSPODARCZA

produkcja środków piorących w niskich i wysokich

temperaturach: proteazy, lipazy (C. antarctica),

amylazy, celulazy (celulaza BCE113)

preparat „Stainzyme” – przeznaczony do prania w obnizonych

temperaturach

dr inż. Aneta Białkowska

.

.

4. BIOLOGIA MOLEKULARNA

•

Polimerazy, np. Taq, Pwo i Pfu

•

zasadowa fosfataza Vibrio

4. BIOLOGIA MOLEKULARNA

•

Polimerazy, np. Taq, Pwo i Pfu

•

zasadowa fosfataza Vibrio

5. PRZEMYSŁ SPOśYWCZY

•

serowarstwo i mleczarstwo

•

piwowarstwo

•

przetwórstwo skrobi

•

konserwacja żywności

•

przetwórstwo owoców

•

tenderyzacja mięsa i ryb

•

produkcja prebiotyków

i nutraceutyków

5. PRZEMYSŁ SPOśYWCZY

•

serowarstwo i mleczarstwo

•

piwowarstwo

•

przetwórstwo skrobi

•

konserwacja żywności

•

przetwórstwo owoców

•

tenderyzacja mięsa i ryb

•

produkcja prebiotyków

i nutraceutyków

dr inż. Aneta Białkowska

MOśLIWOŚCI APLIKACJI EKSTREMOZYMÓW

I ICH PRODUCENTÓW

MO

MO

ś

ś

LIWO

LIWO

Ś

Ś

CI APLIKACJI EKSTREMOZYM

CI APLIKACJI EKSTREMOZYM

Ó

Ó

W

W

I ICH PRODUCENT

I ICH PRODUCENT

Ó

Ó

W

W

INNE PRZEMYSŁY:

Przemysł papierniczy: termofilne ksylanazy - bielenie papieru

makulatorowego i pulpy drzewnej

Garbarstwo:

zimne proteazy - odwłaszania skór,

Przemysł tekstylny: odklejanie surowych tkanin – zimne amylazy,

marmurkowanie jeansu – wieloenzymatyczny

preparat Deni max-Combi 113-140
usuwanie barwników - halofilne oksydazy,

Przemysł węglowy:

odsiarczanie węgla – acidofilne oksydazy

Przemysł wydobywczy: termofilne

ββββ

-glukanazy do degradacji

polisacharydów, stosowanych w wiertnictwie ropy
naftowej i gazu ziemnego

Produkcja biosensorów: psychrofilne dehydrogenazy

Przemysł paszowy: psychrofilne celulazy i proteazy

INNE PRZEMYSŁY:

Przemysł papierniczy:

termofilne ksylanazy - bielenie papieru

makulatorowego i pulpy drzewnej

Garbarstwo:

zimne proteazy - odwłaszania skór,

Przemysł tekstylny:

odklejanie surowych tkanin – zimne amylazy,
marmurkowanie jeansu – wieloenzymatyczny

preparat Deni max-Combi 113-140
usuwanie barwników - halofilne oksydazy,

Przemysł węglowy:

odsiarczanie węgla – acidofilne oksydazy

Przemysł wydobywczy:

termofilne

ββββ

-glukanazy do degradacji

polisacharydów, stosowanych w wiertnictwie ropy
naftowej i gazu ziemnego

Produkcja biosensorów:

psychrofilne dehydrogenazy

Przemysł paszowy:

psychrofilne celulazy i proteazy

dr inż. Aneta Białkowska

BIOTECHNOLOGICZNIE INTERESUJĄCE PRODUKTY

METABOLIZMU DROBNOUSTROJÓW EKSTREMOFILNYCH

Enzymy adaptowane do zróżnicowanych, skrajnych warunków

(termozymy,psychrozymy, halozymy, piezozymy)

Wielonienasycone kwasy tłuszczowe

Unikatowe egzopolisacharydy

,

cyklodekstryny i inne

biopolimery

Nowe substancje bakterio- i fungistatyczne

Barwniki przydatne dla żywności

Molekularne filtry UV

Ekstremolity

Membranowe biosurfaktanty

(lichenizyna)

Chaperoniny z hipertermofili

dr inż. Aneta Białkowska

KOMPATYBILNE SOLUTY (EKSTREMOLITY)

KOMPATYBILNE SOLUTY (EKSTREMOLITY)

Osmoaktywne substancje

, utrzymujące dodatnią równowagę wodną w

komórkach halofili: pochodne aminokwasów –

ektoina

, betainy glicyny i

proliny; sacharydy – trehaloza; karnityna; cholina i in.

Ekstremolity

chronią makrocząsteczki i komórki przed stresami (wysuszenie,
zamarznięcie, denaturacja termiczna, promieniowanie UV).

EKTOINA

EKTOINA

Szlak biosyntezy:

(

1,4,5,6-tetrahydro-2-methyl-4-pyrimidine carboxylic acid)

dr inż. Aneta Białkowska

Zastosowanie :

•

składnik kosmetyków (intensywne nawilżanie)

•

stabilizator enzymów (m.in. polimeraz DNA w reakcjach PCR) i
komórek

•

składnik farmaceutyków aktywujący cytoochronną odpowiedź

komórek ludzkich na warunki stresowe

Inne właściwości:

•

inhibicja agregacji cząsteczek

ββββ

-amyloidu

•

indukcja biosyntezy Hsp 70

Odpowiednik

: firoina syntetyzowana przez Pyrococcus furiosus

EKTOINA

EKTOINA

Produkcja:

technologia „bacterial milking” (

„BITOP AG”, Niemcy

). Etapy:

•

hodowla halofilnego szczepu Halomonas elongata w podłożach

zawierających 15% NaCl (biosynteza ektoiny)

•

oddzielenie biomasy na modułach filtracyjnych

•

przeniesienie komórek do podłoża z 3% NaCl (hipoosmotyczny szok) –

wyciek ektoiny do podłoża

155 mg ektoiny / 1 g s.m. komórek

dr inż. Aneta Białkowska

BAKTERIORODOPSYNA I HALORODOPSYNA

BAKTERIORODOPSYNA I HALORODOPSYNA

-związane z błonami komórkowymi barwne białka, zawierające
światłoczułą substancję (retinal); mają zdolność absorpcji fotonów,
dzięki czemu działają jako pompy protonowe, eksportując protony
na zewnątrz komórki, co powoduje powstanie wysokiego potencjału
elektrochemicznego, niezbędnego dla syntezy ATP

Produkcja:

Postać zliofilizowana produkowana przez szczep archeona
Halobacterium salinarum i skomercjalizowana przez firmę COBEL
w Hiszpanii i MIB (Innovative Biomaterials) w Niemczech.

Zastosowanie

:

przemysł fotochemiczny, fotoelektryczny (holografia,
przestrzenne modulatory światła, komputerowe sieci neuronowe,
optyczne przełączniki)

medycyna (sztuczna siatkówka oka)

dr inż. Aneta Białkowska

Funkcje egzopolisacharydów

:

:

•

ochrona przed wysuszeniem, fagocytozą, gwałtownymi zmianami
temperatur itp

•

bariera dla bakteriofagów oraz pierwotniaków

•

udział w procesie glebotwórczym

Pozakomórkowe polisacharydy (egzopolisacharydy, EPS))

Pozakomórkowe polisacharydy (egzopolisacharydy, EPS)

)

Możliwe wykorzystanie:

• w przemyśle tekstylnym, detergentów, środków adhezyjnych

• w uzdatnianiu wody, w procesach izolacji i oczyszczania różnych

substancji

• w kosmetologii i w farmakologii

• jako dodatek do żywności

• w indukcji syntezy interferonu

• aktywności: przeciwrakowe, antywirusowe, przeciwzapalne

Przykład:

polisacharyd z haloalkalofila Bacillus sp. I-450

– kwaśny heteroglikan

(52,4% - cukry obojętne, 17,2% - kwasy uronowe , 2,4% - aminocukry)

dr inż. Aneta Białkowska

INNE BIOPOLIMERY I BIOCZĄSTECZKI

INNE BIOPOLIMERY I BIOCZĄSTECZKI

• kwas poli (

γγγγ

-glutaminowy), PGA

Producent

: halofilny archeon Natrialba sp. (470 mg PGA/l).

Wykorzystanie

: zagęstnik, nośnik leków (farmakologia), prebiotyków,

nutraceutyków (przemysł spożywczy)

• polihydroksyalkanoaty, PHA

np. kwas poli (

ββββ

-hydroksymasłowy) (PHB) o właściwościach

zbliżonych do polietylenu i polipropylenu

Producent

: Haloferax mediterranei (60% s.m. komórek, tj. ok.. 6 g/l)

• lipidy z wiązaniami eterowymi – tzw. liposomy, otrzymywane

z

całkowitej frakcji polarnych eterów lipidów

Halobacterium cutirubrum

.

Odporne na atak fosfolipaz i esteraz, poszukiwane w medycynie i
kosmetologii.

dr inż. Aneta Białkowska

kwas

kwas

αααα

αααα

-

-

linolenowy

linolenowy

-

-

18:3

∆∆∆∆

9,12,15,

ALA

n-3

-składnik fosfolipidów błon komórkowych

(wpływa na ich płynność)

-prekursor EPA i DHA

kwas

kwas

eikozapentaenowy

eikozapentaenowy –

20:5

∆∆∆∆

5,8,11,14,17,

EPA n-3

-

prekursor prostanoidów: PG

3

i TxA

3

- obniża zawartość cholesterolu

i ciśnienie tętnicze

kwas

kwas

dokozaheksaenowy

dokozaheksaenowy

–

–

22:6

∆∆∆∆

4,7,10,13,16,19,

DHA n-3

- składnik osłonek nerwowych,

- wpływa na ogólną odporność organizmu.

KWASY POLIENOWE n-3

KWASY POLIENOWE n-3

dr inż. Aneta Białkowska

•

karotenoidy (

β

-karoten, kantaksantyna) i melaniny;

produkują je głównie halofile

•

inne barwniki, np. fioletowe barwniki psychrotrofowego
szczepu Janthinobacterium lividum wykazujące aktywność
antybakteryjną względem B. subtilis, B. megaterium, S.
aureus i P. aeruginosa

BARWNIKI OCHRONNE

BARWNIKI OCHRONNE

Wiolaceina (M

w

– 343,3) Deoksywiolaceina (M

w

– 329)

ββββ

-karoten

dr inż. Aneta Białkowska

BARWNIKI PRODUKOWANE PRZEZ ANTARKTYCZNE

GRZYBY STRZĘPKOWE Z KOLEKCJI IBT PŁ

BARWNIKI PRODUKOWANE PRZEZ ANTARKTYCZNE

GRZYBY STRZĘPKOWE Z KOLEKCJI IBT PŁ

dr inż. Aneta Białkowska

ARCHEOCYNY

ARCHEOCYNY

Peptydowo-białkowe bakteriocynopodobne

substancje o właściwościach antybiotycznych

wytwarzane przez halofilne i hipertermofilne

archeony:

• halocyny

(do 35 kDa) i

mikrohalocyny

(od 3,6 kDa)

z ekstremalnych halofili z rodziny

Halobacteriaceae,

• sulfolobicyny

(ok. 20 kDa) z ekstremalnych

termofili rodzaju Sulfolobus

dr inż. Aneta Białkowska