Mikroorganizmalar ve Ürünleri

(1)

BİYOTEKNOLOJİ

 Biyoteknoloji, endüstriyel ya da ticari uygulamalar için gerekli kimyasal işlemlerin tamamlanmasında canlı organizmaların kullanımı olarak ya da

 canlının kendisinin, hücresinin ya da ürününün mal ve hizmete dönüştürülmesi olarak

tanımlanmaktadır.

 Biyoteknoloji ismini ilk kez 1917 yılında Karl Ereky adlı bir Macar mühendis kullanmıştır.

 Biyoteknolojiyi “ Canlılar kullanılarak çeşitli ham maddelerden ürün oluşturmak için

yapılan bütün işlemler” olarak tanımlamıştır.

 Uzun yıllar canlı mikroorganizmalar kullanılarak çeşitli ürünler elde edilmiştir. Bu çalışmalar

endüstriyel mikrobiyoloji adı altında toplanmıştır.

(2)

Endüstriyel

Mikroorganizmalar ve Ürünleri

Endüstriyel Mikrobiyoloji,

mikroorganizmalar kullanılarak genellikle büyük miktarlarda değerli kimyasal ürünler üretmek ya da önemli kimyasal

transformasyonlar gerçekleştirmektir.

Bu çalışmalar ilk olarak bira şarap yapımı gibi alkol fermentasyon işlemleriyle

başlamıştır. Daha sonra mikroorganizmalar kullanılarak büyük miktarlarda antibiyotikler gibi farmasötik maddeler, amino asitler gibi gıda katkı maddeleri, enzimler ve bütanol, sitrik asit gibi kimyasallar üretilmiştir.

(3)

Endüstriyel Mikroorganizmalar ve Ürünleri

Metabolik reaksiyonlar araştırılarak, istenilen ürünü yüksek kapasite ile üreten

mikroorganizmalar belirlenmiştir.

Endüstriyel biyokatalitik işlemlerde, ökaryot

mikroorganizma olan funguslar ve prokaryotlar (özellikle Streptomyces spp.) kullanılmaktadır.

Doğadan özel bir reaksiyonu gerçekleştirebilen bir mikroorganizma türü izole edilir ve bu

mikroorganizmanın büyük çapta üretiminde yüksek ürün verdiği koşullar belirlenir.

Bazı üretimlerde yüksek kapasite ile ürün veren mikroorganizmalar mutasyon gibi genetik

değişimlerle elde edilir.

(4)

Endüstriyel işlemlerde kullanılan bu

mikroorganizmalar doğadan ilk izole edildiği halinden oldukça farklı özellikler gösterir.

Bu mikrobiyel kültürler, kültür

koleksiyonlarında (Amerika’ da American

Type Culture Collection, ATCC ve Almanya’ da DSMZ adlı kültür koleksiyonu gibi) saklanır.

Mikroorganizmalar hızlı gelişmeli ve kısa sürede ürün üretmelidir.

Ayrıca pahalı olmayan bir besiyerinde ve hızlı bir şekilde çoğaltılabilmelidir. (süt endüstrisi atığı olan peynir altı suyu, laktoz ve mineralce zengin şeker fabrikası atığı melas ve mısır

ıslatma suyu)

(5)

Bu mikroorganizmalar özellikle insanlara, ekonomik değeri olan hayvan ve bitkilere

patojen değildir. Patojen mikroorganizmaların kullanımı durumunda, üretim esnasında bu

mikroorganizmaların çevreye yayılıp hastalık yapması mümkündür.

Ayrıca bu mikroorganizmaların genetik

müdahalelere ve düzenlemelere uygun da olması istenir.

Kullanılacak mikroorganizmalarda mutasyon ve seleksiyonla yüksek ürün veren suşlar elde edilebilmelidir.

(6)

İki tip mikrobiyel ürün kullanılır.

Mikrobiyel hücrenin kendisi (ekmek ya da bira yapımında kullanılan maya hücreleri) kullanılır.

Hücrelerin ürettiği substratlar (enzimler,

antibiyotikler gibi farmosötikler, gıda katkıları, alkol, sitrik asit ve özel kimyasallar) kullanılır.

Biyotransformasyonda ise mikrobiyel

hücrelerle özel bir kimyasal bir formdan diğerine çevrilir.

(7)

Color Type Area of Biotech Activities

Red Health, Medical, Diagnostics

Yellow Food Biotechnology, Nutrition Science Blue Aquaculture, Coastal and Marine Biotech

Green Agricultural, Environmental Biotechnology – Biofuels, Biofertilizers, Bioremediation, Geomicrobiology

Brown Arid Zone and Desert Biotechnology

Dark Bioterrorism, Biowarfare, Biocrimes, Anticrop warfare

Purple Patents, Publications, Inventions, IPRs White Gene-based Bioindustries

Gold Bioinformatics, Nanobiotechnology

Grey Classical Fermentation and Bioprocess Technology

BİYOTEKNOLOJİNİN RENKLERİ

(8)

Mikrobiyel gelişme ve ürün oluşumu

Ürünün, mikroorganizmanın gelişme döneminin hangi evresinde üretildiği endüstriyel üretimlerde önemlidir.

Logaritmik fazda üretilen alkol gibi

metabolitler, primer metabolit olarak, gelişmenin durmasına yakın ya da durduğu

zaman üretilenler ise (penisilin gibi)

sekonder metabolit olarak adlandırılır.

(9)

Sekonder metabolitler şu özelliklere sahiptir

 Gelişme ve çoğalma için gerekli değildirler.

 Oluşumları gelişme şartlarına ve besiyeri bileşimine bağlıdır.

 Tek bir bileşik olarak değil de birbirine

benzeyen bir grup bileşik olarak üretilirler.

Örneğin Streptomyces cinsine ait bir tek suş, birbirine benzer yapıda 30 farklı antibiyotik üretebilir.

 Primer metabolitler yüksek miktarda

üretilemezler, sekonder metabolitler ise genelde yüksek miktarda üretilebilirler.

 Biyosentezde primer metabolitlerden üretilirler ve sentezleri için çok sayıda özel reaksiyon

gereklidir.

(10)

Fermentör (Biyoreaktör)

Endüstriyel üretimlerde üretilecek substrata göre değişen hacimlerde (5-10 litre –

500.000 litre arasında) fermentörler

kullanılır. Moleküler biyolojik çalışmalarda kullanılan substratlar 1-20.000 litrelik

fermentörlerde, amino asit, şarap ve bira ise 200.000-500.000 litrelik fermentörlerde

üretilir.

Aerobik ve anaerobik fermentörler olmak üzere başlıca iki tip fermentör vardır.

Anaerobik fermentörlerde fermentasyon sonucu oluşan sıcaklığın düşürülmesi için soğutma yapılır. Aerobik fermentörlerde havalandırma ve karıştırma yapılır.

(11)

Scale up: Ölçek büyütme olarak da adlandırılan bu işlemde, küçük

ölçekteki laboratuvar üretiminden büyük ölçekteki üretime geçilir.

Büyük ölçekle yapılan üretimlerde oksijen aktarımı ve karıştırma

zordur. Anaerob üretimde ise büyük ölçekte ürün verimi azalır.

(12)

Önemli endüstriyel ürünler

1. Antibiyotikler

sekonder metabolitlerdir.

Ticari olarak ilk üretilen antibiyotikler filamentli funguslar ve bakterilerden (aktinomiset) elde edilmiştir.

Günümüzde büyük ölçekli fermentasyonlarla, streptomisin, tetrasiklin, siklohekzimid,

sikloserin, eritromisin, kanamisin, linkomisin, neomisin ve nistatin aktinomiset olan

Streptomyces cinsine ait türlerden;

penisilin antibiyotiği ise Penicillium

chrysogenum adlı filamentli fungusdan elde edilir.

(13)

 Yeni antibiyotikler  çoğu hayvan testlerinde

başarısız  çok az bir kısmının ticari üretimi yapılır.

 Ticari üretimlerde yüksek verimle çalışan mikrobiyel suşların bulunması zorunludur.

 Mikrobiyel suşların verimleri mutasyon ya da genetik mühendisliği teknikleriyle arttırılmaya çalışılmaktadır.

 Sekonder metabolit olan antibiyotik üretimine pek çok gen katıldığı için genetik mühendisliği

teknikleriyle verim arttırılması yapılamamaktadır.

Tetrasiklin üretiminde Streptomyces aureofaciens, 300’den fazla gene ihtiyaç duymaktadır.

(14)

Fermentasyon ortamından antibiyotiğin ekstraksiyonu ve saflaştırılması zordur.

Antibiyotik organik bir solventte

çözünebilirse kolay saflaştırılmaktadır.

Çözünemezse adsorbsiyon,

kimyasallarla çöktürme ya da iyon değişimi ile saflaştırılmaktadır.

(15)

2. Vitaminler ve amino asitler

Farmasötik ya da gıda katkısı olarak kullanılırlar.

Vitaminlerin çoğu kimyasal olarak sentezlenir.

Vitamin B₁₂ ve ribofilavin, kimyasal sentezleri zor ve pahalı olduğu için, mikrobiyel yolla üretilir.

Pek çok mikroorganizma tarafından üretilebilen Vitamin B₁₂, ticari olarak Propionibacterium ve Pseudomonas cinslerine ait türlerce üretilmektedir.

Oksidasyon redüksiyon reaksiyonlarında bir koenzim olarak görev gören riboflavin (B2), bir fungus olan Ashbya gossypii tarafından (7 g/l) üretilmektedir.

(16)

2. Vitaminler ve amino asitler

Brevibacterium flavum  lizin  aspartokinaz enzimi  feedback inhibisyonu

lizin analoğu  S-aminoetilsistein’ e (AEC) dirençli mutantlar

AEC gelişmeyi inhibe eder. Mutant suşta, aspartokinaz enziminin allosterik bölgesi değiştiği için bu madde ya da lizin,

enzime bağlanamamakta ve enzim

aktivitesine devam edip fazla miktarda (60 g/l) lizin üretmektedir.

(17)

3. Enzimler

Her organizma metabolik faaliyetlerinde

kullanmak için az miktarda da olsa pek çok enzimi üretebilir.

Ancak bazı organizmalar bazı enzimleri,

diğer organizmalardan daha fazla miktarda üretip besiyerine salgılarlar (ekzoenzimler).

Ticari olarak enzimler, hem fungus hem de bakteriler kullanılarak üretilir.

(18)

3. Enzimler

 Deterjan endüstrisinde, bakterilerden üretilen proteaz enzimi başta olmak üzere, amilaz, lipaz ve redüktaz gibi enzimler kullanılır.

 Yüksek fruktoz şurubu  mısır, buğday patates nişastasından üretilir  alkolsüz içeceklerde – dünyada yılda 10 milyar kg.

 fruktoz şurupları  %42 veya 55 fruktoz içerir

 GDO’ lu mısır nişastası glikozu  glukoz izomeraz enzimi  fruktoz  hızlı metabolize edilip direk yağa çevrilir

 Tabloda ticari anlamda üretilen mikrobiyel enzimler ve kullanım alanları verilmiştir.

(19)

3. Enzimler

 Endüstriyel kullanım için enzimlerin çoğu alkalofil Bacillus cinsine ait türlerden

üretilmektedir.

 Amilaz ve proteaz enzimlerinin üretiminde

filamentli bir fungus olan Aspergillus cinsine ait türlerde kullanılmaktadır.

 Ekstrem koşullarda gelişebilen (hipertermofil)

bakterilerden, ekstremozim olarak adlandırılan PCR’ da kullanılan enzimler üretilmektedir.

(20)

4. Sirke Üretimi

 Sirke, etil alkolün asetik asit bakterileri (Acetobacter, Gluconobacter spp.)

tarafından asetik asit çevrilmesiyle üretilir.

 Sirke üretimine, şarap ve bira gibi alkol içeren bir substratla başlanır.

 Aside toleranslı ve zorunlu aerob asetik asit bakterileri bu ortamda üretilerek sirke elde edilir.

(21)

5. Organik bileşikler

Organik bileşiklerin çoğu endüstride mikrobiyel fermentasyonlarla üretilir.

Filamentli bir fungus olan Aspergillus niger tarafından üretilen sitrik asit, gıda ve ilaç endüstrisinde geniş bir şekilde

kullanılmaktadır.

Gıda endüstrisinde kullanılan laktik asit Lactobacillus, Rhizopus türlerinden,

malik asit ise Brevibacterium flavum tarafından üretilir.

İlaç endüstrisinde kullanılan Glukonik asit, Aspergillus niger ve Penicillum türleri

tarafından üretilmektedir.

(22)

6. Şarap ve bira gibi alkollü içkilerin üretimi

Pek çok bakteri etanol üretse de,

endüstride alkolik fermentasyonlarda, arzu edilen aromatik bileşikleri ve CO2’ i

üreten, mayalar özellikle Saccharomyces cerevisiae kullanılmaktadır.

Siyah ve beyaz üzüm çeşitlerinin

kullanıldığı şarap üretiminde iki tip maya kullanılır. Şekilde görüldüğü gibi birinci tip maya üzümde doğal olarak bulunan

yüksek alkol konsantrasyonlarına hassas mayalardır. Yabani tip bu mayalar kükürt dioksit ortama ilave edildiğinde ölür. İkinci tip maya, fermentasyonun başlangıcında üzüm suyuna ilave edilen, kültüre alınmış Saccharomyces ellipsoideus mayasıdır.

Alkol % 6-15 arasında

(23)

6. Şarap ve bira gibi alkollü içkilerin üretimi

 Substrat olarak arpa tohumlarından

hazırlanan maltın kullanıldığı bira üretiminde, üst ve alt fermentasyon olmak üzere başlıca iki tip üretim yapılmaktadır.

 S. cerevisiae’ nın kullanıldığı üst

fermentasyonla bira üretiminde, daha yüksek sıcaklıklarda ve daha kısa sürede

fermentasyon tamamlanmaktadır.

 Ülkemizde de kullanılan alt fermentasyonla S. carlsbergensis mayasının kullanıldığı bira üretiminde ise daha düşük sıcaklıklar

kullanılarak uzun sürede ürün oluşmaktadır.

 Daha önceleri alt fermentasyon yapan bu maya S. cerevisiae olarak

biliniyordu.

(24)

7. Maya üretimi

 Gıda ve gıda katkı maddesi olarak, B vitamini ve proteince zengin, S. cerevisiae mayasının

büyük ölçekte üretimi yapılmaktadır.

 Melaslı besiyerlerinde şekilde görüldüğü gibi üretilen maya hücreleri, farklı kullanımlar için farklı şekilde paketlenmektedir.

 Üretimden sonra santrifüjle ortamdan ayrılan canlı maya hücreleri %70 nem içerecek şekilde yaş (maya kekleri) olarak piyasaya

sürülmektedir.

 Aktif kuru mayalar ise nem oranları % 8’ e kadar düşürülecek şekilde vakum altında kurutularak elde edilir.

 Gıda olarak direk tüketilecek mayalar ise ısıl

işlem ile öldürüldükten sonra kurutularak tablet ya da diğer şekillerde piyasaya sunulmaktadır.

(25)

8. Mantar üretimi

 İnsan gıdası olarak tüketilen en önemli fungus mantardır.

 Bu amaçla kültüre alınmış Agaricus

bisporus dünyada ve ülkemizde yaygın bir şekilde üretilmektedir.

 Bitkisel materyalin mikroorganizmalarca parçalanması sonucu elde edilen kompost içinde bu fungus üretilmektedir.

 Mantarın zengin besin değeri nedeniyle ülkemizde pek çok işletmede kültür

mantarcılığı yapılmaktadır.

(26)

8. Biyotransformasyonla üretilen ürünler

 Bir hayvan hormonu olan steroidler, organizmada çeşitli metabilik yolları düzenlerler.

 Ticari üretimlerinde şekilde görüldüğü gibi en az bir aşaması mikroorganizmalar tarafından biyotransformasyonla yapılır.

 Progesterondan kortizon üretiminde

biyotransformasyon yapabilen Rhizopus nigricans filamentli fungusu kullanılır.

 Steroid üretimi oldukça büyük bir endüstridir.

Dünyada dört önemli korikosteroidin (hidrokortizon, kortizon, prednizon ve

prednizolon) üretimi yılda 800 tondan fazladır.

(27)

 Dünyada yıllık üretimi yaklaşık 40.000 ton olan askorbik asit (C vitamini) üretiminde de kimyasal reaksiyonlar yanında Acetobacter suboxydans bakterisi tarafından

gerçekleştirilen bir mikrobiyel biyotransformasyon basamağı kullanılmaktadır.

 Kimyasal A. suboxydans Kimyasal

 D-Glikoz  D-Sorbitol  L-Sorboz  L-Askorbik asit

 Biyotransformasyon