2. LİTERATÜR ÖZETİ
2.7. Alglerin Lipit Üretim Mekanizmaları ve Lipit Kompozisyonu
Mikroalglerde fotosentez, bitkilere çok benzerdir ancak mikroalglerin daha yüksek fotosentez hızı ve daha hızlı büyüme oranları vardır. Buna bağlı olarak bitkilere göre daha yüksek miktarlarda lipit biriktirilebilirler (Gour, vd., 2016). Mikroalglerde üretilen lipitler, temel olarak doymuş yağ asitlerinden oluşan polar olmayan lipitler ve yapısal polar lipitler olmak üzere iki kategoride incelenebilmektedir (Luna, 2016). Besin yoksunluğu gibi stres koşulları altında birçok mikroalg türü, önceden oluşturulmuş membran lipitlerini ve yağ asitlerini, membran lipitlerinden, triaçilgliserollere dönüştürerek büyük miktarda lipit birikimini sağlayabilmektedir. Çoğu ökaryotik hücrede, depolanmış lipitler, basit yağ damlacıkları olarak depolanır (Xu, vd., 2016). Depolanan lipitler, ağırlıklı olarak doymuş yağ asitlerinden ve biyodizel yapımında transesterifikasyon işlemine tabi tutulabilen bazı doymamış yağ asitlerinden (TAG) oluşur. Yapısal lipitler ise suda yaşayan hayvanlar ve insanlar için gerekli olan doymamış yağ asitleri içeren lipitlerdir. Polar lipitler ve steroller, hücre ve organeller için seçici geçirgen özellik gösteren zarın yapısına katılırlar (Sharma, vd., 2012).
Mikroalglerin birçoğu, ortam koşullarının değişikliliğine cevap olarak lipit metabolizmasını etkili bir şekilde değiştirebilmektedir. Olumsuz çevre koşulları ya da stres altındayken mikroalgler kuru ağırlıklarının yaklaşık %20-50 kadarında triaçilgliserol formunda nötral lipit biriktirerek, bu koşullara dayanıklılığını arttırmaktadır. Stres koşullarında üretilen bu lipitler, biyodizel üretimi için uygundur. TAG’ ların oluşumu ve içeriği, mikroalglerin türüne özgüdür (Sharma, vd., 2012).
Çoğu mikroalgde lipit, çoğunlukla doymuş ve tekli doymamış C14-C20 yağ asitlerinden oluşur, bu nedenle lipit bazlı biyodizel üretimi için umut verici bir alternatif kaynak olarak kabul edilmektedir. Mikroalglerde biyodizel üretiminde kullanılan lipitlerin sentez yolları, yağ asidi sentaz (FAS) ve triasilgliserol (TAG) biyosentez yoluna dayanır. Genel olarak, yağ asidi sentaz enzim kompleksi, lipit bazlı biyodizel üretimi için doymuş yağ asitlerini (SFA) sentezler. Son yıllarda, yağ asidi ve TAG biyosentezi yolunda yer alan çeşitli anahtar enzimler ve fonksiyonel alanlar tanımlanmış ve spesifik lipit içeriğini arttırmak için genetik mühendisliğin yaklaşımlarıyla lipit üretimin indüklenebilmesi için bir potansiyel olarak görülmeye başlanmıştır. Bu nedenle, herhangi bir metabolik mühendislik stratejisi tasarlanmadan önce, belirli mikroalg türlerinde aktif olan biyosentetik yolun tipini belirlemek gereklidir (Sun, vd., 2018).
Doymuş ve tekli doymamış yağ asitleri (C12: 0, C14: 0, C16: 0, C16: 1, C18: 0 ve C18: 1) biyodizel üretimi için en uygun yağ asitleridir. Mikroalgler C14: 0, C16: 0 ve C18: 0 da dâhil olmak üzere doymuş yağ asitlerini sentezlemek için asetil-CoA karboksilaz (ACCase) ve tip II yağ asidi sentazı kullanabilmektedir (Sun, vd., 2018). Alglerin kloroplastlarındaki yağ asitleri, tip II yağ asidi sentaz tarafından sentezlenir. Malonil CoA, yağ asidi biyosentezi sırasında metabolik bir iskele görevi gören açil taşıyıcı protein (ACP) üzerine yüklenir ve ve ilk önce apo-ACP’ yi holo formuna dönüştüren bir fosfopantetiniltransferaz (PPTase) tarafından translasyon sonrası modifikasyona tabi tutulur. Bu modifikasyonun sonucunda oluşan “kol” yağ asidi biyosentezi boyunca büyüyen yağ asidini tioester bağı ile bağlar. ß-ketoaçil –ACP sentaz III, açil-ACP üzerinde, ß-keton uzatılmış 2-karbon birimi oluşturabilmek için asetil-CoA’ yı malonil-ACP ile yoğunlaştırır. Bu daha sonra ketoredüktaz (KR), dehidrataz (DH) ve enoilredüktaz (ER) enzimleriyle doymuş metilen birimlerine tamamen indirgenir. Bu döngü C4- C16’ yı uzatan KASI ve C16’ dan C18’ i oluşturan KASII ile yedi kez tekrar eder. Olgun bir yağ asidi istenilen uzunluğuna ulaştığında, ya membran lipitlerine aktarılmak üzere açil- transferaz (AT) üzerindeki gliserol-3-fosfat’ a prokaryotik yol vasıtasıyla iletilir ya da ökaryotik yol vasıtasıyla yağ asidini FAS’ tan plastide göndermek için tioesteraz bölgesinin etkisiyle sitozole aktarılırlar. Bitkilerde, yağ asitleri tioesterazlar tarafından ACP’ den hidrolize edildikten sonra, plastid zarfın içine yayılırlar ve bir CoA ligaz enzimi tarafından koenzim A ile esterlenirler, buradaki yağ açil-CoA, membran fosfolipidleri ve depolama trigliseritleri içeren hücresel lipitlere dâhil olmak için kloroplasttan ayrılır (Blatti, vd., 2013).
Yağ asitleri kloroplastın dışına taşındıktan sonra bir açil-CoA sentetaz tarafından tekrar CoA’ ya transfer edilir ve endoplazmik retikuluma girer. Burada TAG, fosfatidilkolin ve
fosfatidiletanolamin de dâhil olmak üzere gliserollü lipitlerinin biyosentezi için merkezi metabolit olan fosfatidik asidi vermek üzere gliserol-3-fosfata aktarılmadan önce, daha fazla uzama ve desatürasyon gibi çeşitli modifikasyonlara maruz kalabilirler. Bu ürünler, açil transferazların etkisiyle açil kısımlarını değiştirebilir, böylece gliserollü lipitlerin çeşitliliğini arttırabilir ve hücrenin yağ asitlerini depo lipitlerinin üretimi için membranlardan geri dönüştürmesini sağlayabilir. Triaçilgliseroller hücre tarafından ihtiyaç duyulana kadar bir enerji ve yağ asidi kaynağı olarak depolandıkları lipit cisimlerine veya damlacıklarına taşınırlar (Şekil 2.6) (Schuhmann, vd., 2014).
Bitkilerdeki tioesterazlar (TE), prokaryotik ve ökaryotik lipit sonlandırma yolları arasındaki karbon akışını belirler ve lipit biyosentezinde metabolik bir bekçi görevi görür. Bitkilerdeki bu enzimlerin benzerleri mikroalglerde de tanımlanmıştır ve bu nedenle mikroalglerin de iki yol arasında yaptıkları ayrımın, bitkiler ile benzer bir mekanizma olması muhtemeldir. TE, fonksiyonel olarak yağ asidi kimliğini belirlediğinden ve bitkilerde yağ asidi bileşimini modifiye etmek için kullanıldığından, alg suşlarında gelişmiş biyodizel kalitesi için algal yağ asidi zincir uzunluğunu tasarlama çabalarında ön plandadır (Blatti, vd., 2013).
Laboratuar koşullarında veya dış ortamda mikroalg yetiştirebilmek ve yüksek lipit içeriği elde edebilmek için, dış stres koşullarına ve lipit indüksiyon tekniklerinin uygulanmasına ihtiyaç vardır. Lipit ve yağ asitleri bileşimindeki önemli değişikliklerin eşlik ettiği büyük miktarlarda TAG’ ların sentezi ve birikmesi, tek tek veya kombinasyon halinde tasarlanan kimyasal veya fiziksel çevresel uyaranların dayattığı stres koşulları altında gerçekleşebilmektedir. Mikroalglerde lipit indüksiyon teknikleri üzerinde azot veya fosfor açlığı, ışık, pH, sıcaklık, ağır metaller ve diğer kimyasallar dâhil olmak üzere besin stresinin kullanılması gibi çok çeşitli çalışmalar yapılmıştır (Sharma, vd., 2012).
Şekil 2.6. Mikroalglerde lipit biyosentezinin basit bir şeması (https://www.research gate.net/figure/A-simplified-scheme-proposed-for-the-lipid-biosynthesis-pathway-in-themicro algae_fig4_235396878).