UTILIZAREA DROJDIILOR IN BIOTEHNOLOGII

Biotehnologia este stiinta de aplicare integrata a stiintelor naturii si a celor ingineresti, in scopul utilizarii orientate si economice a microorganismelor, celulelor sau a partilor acestora in vederea producerii de bunuri sau servicii.

Drojdiile sunt, fara indoiala, cel mai important grup de microorganisme folosite de om de la inceputurile istoriei sale ca fiinta sociala si pana in prezent. Din acest punct de vedere, biotehnologia a fost mereu contemporana cu istoria umana, la inceput prin aspectele sale - acum numite traditionale - de fabricare a painii sau a vinului, pana in prezent, cand dezvoltarea geneticii si a biologiei moleculare a dus la dezvoltarea biotehnologiilor moderne.

Drojdiile sunt ciuperci unicelulare care se inmultesc prin inmugurire, mai rar prin scindare si care formeaza ascospori (sunt si drojdii care nu formeaza spori, acestea denumindu-se drojdii sau false torule si micoderme).

Se prezinta sub forma de celule rotunde sau ovoide (Saccharomyces cerevisiae), eliptice (Saccharomyces elipsoideus), foarte alungite (Saccharomyces pasteurianus), de forma unei sticle (Saccharomyces ludwigii) sau sub forma de cilindru (Pichia).

La unele specii, ca rezultat al inmuguririi, celulele de inmugurire raman atasate de celula-mama si, inmugurind la randul lor, formeaza un pseudomiceliu, asemanator ca structura cu amilopectina-componenta a amidonului. Desigur, forma drojdiilor depinde de varsta acestora si de conditiile de cultura. Pe medii solide, drojdiile formeaza colonii caracteristice speciei in conditii de cultura constante, sub aspectul formei si culorii.[7]

Celula de Saccharomyces cerevisiae[7]

Ciclul de viata al drojdiei, ca al tuturor organismelor evoluate, include o faza denumita 'Meiosis',, in care perechi de cromozomi se separa pentru a forma noi combinatii ale trasaturilor genetice.

Morfologia tipurilor de celule de drojdie[7]

A. Procesul de " inmugurire" al celulelor de drojdie haploide.

B. Celulele de drojdie haploide, avand forma de zigoti.

C. Procesul de inmugurire al celulelor diploide zigote.

D. Procesul de inmugurire al celulelor diploide.

E. Celule diploide formand asci sau ascospori, eliberand spori haploizi

Usurinta cu care drojdia de panificatie poate fi mentinuta sub forma de celule haploide sau de celule diploide este o caracteristica a acesteia care o face deosebit de atractiva pentru geneticieni. Drojdiile pot fi si germeni patogeni.

Atat celulele haploide cat si cele diploide se divid prin inmugurire. Ciclul de diviziune celulara incepe de la o celula singura, neinmugurita. Aceasta celula inmugureste, mugurele creste pana la o dimensiune asemanatoare cu cea a celulei parinte, nucleul celulei parinte se divide si se cele doua celule se separa in doua celule neinmugurite.

Acest ciclu se repeta pentru majoritatea celulelor. Rezultatul este o crestere exponentiala a numarului de celule cu perioada de timp de dublare, egala cu media perioadei ciclului de divizare celulara. Perioada de dublare variaza in functie de specie, cresterea medie si de temperatura, dar nu poate fi mai mica de o ora. La aceasta rata de crestere, o singura celula se poate inmulti pana la o colonie vizibila, sub forma de bare, intr-o zi.

Procesul de inmugurire al drojdiei[7]

Comportamentul de crestere al culturilor de drojdie este asemanator cu cel al bacteriilor. Atunci cand un mediu de cultura este inoculat, celulele necesita o perioada de pregatire (faza de lag) pana sa inceapa sa se divida.

Dupa perioada de lag, care poate dura pana la cateva ore, celulele intra intr-o faza de multiplicare (crestere) exponentiala, care dureaza pana cand numarul si masa acestora se dubleaza la intervale egale de timp.

Dupa o perioada de crestere cu o rata exponentiala relativ constanta, anumite conditii de mediu limiteaza cresterea, astfel incat rata exponentiala incepe sa scada iar cresterea poate eventual sa se opreasca. In acest caz, populatia si masa culturii devin constante. Cultura devine stationara si celulele se mentin viabile pentru cateva ore, iar daca cultura este refrigerata atunci celulele se mentin viabile timp de mai multe luni.

Eventual celulele mor, si la temperatura camerei sau la temperaturi mai mari vor suferi autoliza, in care propriile lor enzime digestive devin active, si pur si simplu se vor autodistruge prin reducerea propriilor proteine si acizi nucleici la componentele elementare, acest proces producand un miros particular, foarte neplacut.

Curba de crestere celulara[7]

Drojdiile cresc la fel in mediu lichid sau pe o suprafata cu mediu nutritiv, cum ar fi o placa cu agar sau o suprafata expusa, acoperita cu un nutrient. In mediu lichid drojdiile trebuie agitate sau zguduite, daca procesul trebuie pastrat aerobic, altfel acestea se sedimenteaza pe fundul containerului, consuma oxigenul dizolvat, iar cresterea devine anaeroba. Pe o suprafata cu nutrient, situata intr-un container ventilat, cresterea este aeroba, fiecare celula formand o colonie vizibila de mai mult de 100 milioane de celule intr-o perioada de 2 sau 3 zile.

Compozitia chimica a drojdiei de panificatie

Biomasa unui gram de drojdie comprimata contine aproximativ 10 miliarde de celule.

Un lucru foarte important este ca drojdiile, indiferent pentru ce sunt utilizate ulterior, ca orice alt microorganism utilizat in biotehnologie, se multiplica in bioreactoare.

Bioreactor de capacitate mica pentru multiplicarea celulelor de drojdii

Biotehnologii care folosesc drojdia

v         Cercetare medicala

Sindromul Parkinson inteles mai bine datorita drojdiei

In incercarea de a intelege mai bine sindromul Parkinson, cercetatorii au un nou aliat: drojdia. Cu ajutorul acesteia cercetatorii au reusit sa afle noi informatii despre felul in care aceasta boala se manifesta la inceput.[4]

Vacuole din celula de drojdie in interiorul carora proteina YPK9 (echivalentul genei umane PARK9 la drojdie) este pusa in evidenta cu ajutorul unui material fluorescent.

Sindromul Parkinson este o boala degenerativa a creierului, caracterizata prin aparitia rigiditatii la nivelul muschilor, prin incetinirea miscarilor sau chiar prin pierderea capacitatii motorii a anumitor membre. Pana in momentul de fata nu este clar daca acest sindrom se mosteneste genetic sau daca apare datorita unui grup factori externi. Cercetatorii din domeniul medical au avut pana acum ca material de studiu doar creierul persoanelor decedate ce au suferit de aceasta boala, fapt ce nu le-a permis sa formuleze ipoteze despre stadiile incipiente ale bolii.

Acest neajuns poate fi astazi depasit datorita descoperirii posibilitatii de a testa presupusii factori de imbolnavire pe culturi de drojdie. Drojdiile sunt folosite si in studii de cercetare in biologie si medicina, datorita asemanarii structurii lor  cu cea a celulelor animale si umane. Drojdiile poseda o multime de gene ce au functionalitati asemanatoare cu cele ale celulelor corpului nostru, fapt ce ofera medicilor cercetatori o metoda eficienta de a prezice efectul anumitor substante asupra genomului uman.

Cei mai cunoscuti factori ce sunt asociati cu sindromul Parkinson sunt genele de alfa-sinucleina si PARK9 si otravirea cu mangan (ce poate surveni la persoanele care lucreaza in mine, la sudori sau muncitori in industria otelului). Daca exista vreo interactiune intre cele trei elemente in cadrul dezvoltarii bolii este intrebarea la care pana acum medicii nu puteau oferi un raspuns.

Ce legatura au cei trei factori enumerati mai sus cu sindromul Parkinson? Cercetarile in cadrul autopsiilor au aratat ca proteinele de alfa-sinucleina se afla in cantitati considerabile la nivelul zonelor creierului afectate de sindrom, fapt ce demonstreaza ca supraexpunerea la aceasta substan a este toxica. Pe de alta parte, s-a descoperit ca in cazul formelor sporadice (nemostenite genetic) de Parkinson exista neuroni care au supravietuit in zonele cerebrale afectate. Cantitatea acestora pare a fi in stransa legatura cu cantitatea de proteine PARK9, indiciu ce ii face pe medici sa creada ca PARK9 are un rol in protectia celulelor nervoase.

Despre gena PARK9 si functia ei se cunosteau putine pana acum. Faptul ca drojdia poseda o gena echivalenta a permis cercetatorilor sa afle mai multe despre efectele acesteia. Acestia au demonstrat ca nivelul ridicat de YPK9 (echivalentul genei PARK9 la drojdie) diminueaza efectul toxic al alfa-sinucleinei.Urmatorul pas a fost testarea proteinei PARK9 pe neuroni. Studiile au confirmat presupunerile.

Mai mult, prin expunerea unor celule de drojdie, avand o concentratie de YPK9 sub limita, la diferite cantitati de metale, s-a observat ca excesul de mangan afecteaza drastic dezvoltarea acestora. Astfel s-a demonstrat ca PARK9 are un rol important in reglarea cantita ii de mangan la nivelul neuronilor. Intoxicatia cu mangan este una dintre cele mai importante cauze ale aparitiei sporadice a Parkinsonului.

Cercetatorii subliniaza faptul ca in domeniul studiului bolii Parkinson este cruciala intelegerea mecanismelor ce au legatura cu declansarea bolii. Cercetarea cu ajutorul drojdiei va permite studiul stadiilor incipiente de degenerarea a celulelor nervoase.

Drojdia de bere si cancerul

Ciupercile Saccharomyces cerevisiae vazute la microscop

Studiile facute in Occident, mai ales in Germania, au aratat fara dubiu ca asemenea altor remedii naturale, drojdia de bere este foarte utila in tratamentul bolilor tumorale maligne. Drojdia de bere este un extraordinar ajutor pentru bolnavii de cancer care au recurs sau recurg la iradiere (cobaltoterapie). Iata mai multe elemente in acest sens:

Iradierea are mai putine efecte adverse atunci cand este asociata cu consumul zilnic de drojdie de bere (minimum 6 lingurite pe zi). Aceasta este concluzia unei echipe de medici din Munchen, care a studiat vreme de 15 ani evolutia bolnavilor de cancer, carora li s-a administrat acest produs. La pacientii tratati prin iradiere care au primit simultan drojdie de bere s-a observat o stare de sanatate mult mai buna fata de pacientii tratati numai prin iradieri. Drojdia de bere stimuleaza apetitul, ajuta somnul si peristaltismul intestinal. De asemenea, protejeaza mucoasele - aspect important, mai ales in cancerul de gat si esofag. Efectele negative ale radioterapiei sunt indepartate si in ceea ce priveste manifestarile externe: formarea de ragade cu infectii, deformarea unghiilor si inflamarea lor, hipercheratozele, atrofiile pielii. Profesorul doctor Ries, de la Bayerische Krebsgesellschaft (Asociatia Oncologica Bavareza), a stabilit, in urma studiilor realizate la departamentul de oncologie de la Munchen, ca: 'Afectarea datorata iradierii a scazut in proportie considerabila, inflamatiile au disparut, la fel si atrofiile pielii, care au fost inlocuite de epiteliu normal. Pana astazi nici una dintre metodele clasice de tratament nu a dat astfel de rezultate benefice ca administrarea de drojdie de bere'. Asociatia Oncologica Bavareza mentioneaza in scris, pentru suferinzii de cancer, recomandarea de a utiliza drojdia de bere impotriva acestei boli.

Efectele directe ale tratamentului cu drojdie in boala canceroasa sunt in curs de cercetare, existand indicii serioase ca in cazul majoritatii formelor de cancer, consumul de drojdie de bere determina stagnarea si apoi remisia formatiunilor tumorale maligne. Prof. dr. Gottschalk observa la animalele de experienta tratate cu drojdie de bere faptul ca, in mai putin de trei luni, cancerul de prostata, de piele sau al ficatului era oprit de ingerarea zilnica a acestui produs natural.

v         Sanatate

Drojdia de bere in tratamentul bolilor

Anemia, tulburarile de asimilare a mineralelor (in special a calciului si a magneziului) - se face o cura de 21 de zile cu drojdie de bere. Este un remediu nu doar foarte bogat in minerale si vitamine, dar care si ajuta la metabolizarea corecta a acestora. Mai mult, s-a demonstrat faptul ca administrarea de drojdie de bere stimuleaza producerea de catre organism a elementelor figurate ale sangelui, ceea ce deschide noi perspective in tratarea anemiei, dar si a tulburarilor de coagulare, precum si a altor boli ale sangelui.

Hepatita virala A, B si C - doctorul german A. Schrauzer a studiat vreme de 18 ani felul in care organismul uman se apara in fata infectiilor cu virusuri hepatice. El a observat in studiile pe animale de laborator ca rezistenta in fata acestor virusuri creste foarte mult atunci cand se administreaza drojdie de bere. 'De vina' pentru aceasta imunitate sporita sunt niste compusi pe baza de seleniu, care ajuta activitatea unor celule ale sistemului imunitar.

Raceli si boli infectioase in general, deficiente imunitare - se administreaza vreme de 2-3 saptamani cate trei lingurite de drojdie proaspata pe zi. Seleniul, precum si anumite vitamine continute de acest produs natural, maresc foarte mult rezistenta organismului la orice gen de infectie.

Supragreutate, obezitate - studiile americane arata ca tratamentele de 20 de zile cu drojdie de bere, repetate de mai multe ori la rand, ajuta la scaderea in greutate. Aceasta remarcabila proprietate se datoreaza cromului continut din belsug de drojdia de bere, oligoelement important si intr-o alta maladie in care acelasi remediu ajuta foarte mult, si anume diabetul.

Boli cardiovasculare cronice - consumul de drojdie de bere regleaza nivelul colesterolului in sange, aduce la valorile normale tensiunea si favorizeaza activitatea miocardului. Studiile comparative efectuate au aratat ca persoanele cu boli cardiace care consuma sistematic acest supliment alimentar au cu 30% mai putine probleme decat cardiacii din loturile martor.

Datorita continutului bogat de vitamine si minerale, drojdia de bere mai este folosita in diete de slabire si in tratamente cosmetice.

100 grame de drojdie de bere contin:

* de 10 ori mai multa vitamina B1 decat painea integrala;

* de 2 ori mai multa vitamina B2 decat ficatul;

* de 10-20 de ori mai multa vitamina PP;

* de 10 ori mai multa vitamina B6 decat carnea;

* de 5-10 ori mai mult acid pantotenic decat cerealele;

* de 20 de ori mai mult acid folic decat taratele de grau.

Drojdia de bere este recomandata in avitaminozele (lipsa vitaminelor) complexe sau simple ale grupului B, in afectiuni neurologice si neuromusculare, precum si in manifestarile nervoase ale alcoolismului.

Prin activitatea sa hepatoprotectoare, este indicata si in starile precirotice. Studiile au aratat ca drojdia de bere este indicata in toate afectiunile intestinale si in prevenirea accidentelor survenite in urma administrarii de antibiotice.

Consumul de drojdie de bere regleaza nivelul colesterolului in sange, aduce la valorile normale tensiunea si favorizeaza activitatea miocardului. Studii comparative efectuate au aratat ca persoanele cu boli cardiace care consuma sistematic acest supliment alimentar au cu 30% mai putine probleme decat cardiacii care nu il consuma.

Drojdia de bere contine vitaminele:

• B1 - eficienta in combaterea tulburarilor digestive, cardiace, pentru tratarea depresiilor, nevralgiilor si oboselii;
• * B2 - utila in combaterea eczemelor, a imbatranirii pielii;
• * B3 - implicata in procese ce tin de echilibrarea sistemului nervos;
• * B5 - stimulent natural al glandelor corticosuprarenale, remediu antistres, mareste rezistenta la infectii;

• * B7 - care neutralizeaza colesterolul, fiind indicata in obezitate; previne caderea parului;
• * B8 - utila pentru reglarea metabolismului proteinelor si grasimilor;
• * B9 - are efect antianemic, ajuta la mentinerea echilibrului hormonal;
• * B12 - care actioneaza asupra sistemului nervos, marind puterea de concentrare, ameliorand cefaleele; contribuie la mentinerea echilibrului hormonal;
• * B15 - amelioreaza oxigenarea tisulara, este un remediu minune impotriva imbatranirii, ajuta la dezintoxicarea ficatului;
• *K-intervine in procesul de coagulare a sangelui si
  contribuie la formarea osoasa, fiind un factor esential in procesul de mineralizare (fixare a calciului);
• * E - mareste rezistenta la infectii si intervine in metabolismul si functiile diferitelor tesuturi, organe si sisteme (organe de reproducere, glande endocrine, muschi, sistem nervos), in procesul cresterii si in procesul de coagulare.

Revitalizant natural

Drojdia de bere este un excelent revitalizant si, consumata cu regularitate, ajuta la intarzierea procesului de imbatranire, sustin nutritionistii. Nu trebuie, insa, consumata ca atare, in stare vie, ci sub forma de extracte in care drojdia este inactivata. Pe piata farmaceutica exista diverse complexe vitaminice care contin drojdie de bere. Variantele in care acest produs poate fi fabricat sunt multiple: de la granule sau pulbere, preparate care se pot adauga in orice mancare pe care o consumam, pana la tablete sau capsule care se iau ca atare.

Levurile de bere contin aproape toate elementele de care organismul uman are nevoie: 16 acizi aminati, glicogen, lipide, 14 saruri si substante minerale, enzime, sisteme de oxidoreducere (citocrom si glutation - principale sisteme de oxidoreducere), factori de crestere (inozitol, acid pantotenic, acid paraaminobenzoic, coline), vitamine (B1, B2, B6, biotina - denumita si B8 sau H, B12, provitamina vitaminei D, vitamina E; niacina - denumita si vitamina B3 sau PP).

O directie noua de utilizare a biomasei obtinuta prin cultivarea drojdiilor este in terapeutica, sub forma de medicament-aliment, destinat prevenirii si tratamentului unor afectiuni cu incidenta crescuta.

           Comparativ cu medicamentele clasice, medicamentul aliment prezinta o serie de avantaje notabile:

pot fi utilizate timp indelungat fara a provoca reactii secundare;

sunt acceptate de bolnavi fara a induce reactii psihologice adverse;

au un rol deosebit in reglarea metabolismului perturbat in bolile de nutritie (in special in cazul dereglarilor aparute in urma tratamentelor indelungate cu antibiotice).

           Drojdia-medicament se poate administra sub doua forme:

drojdie viabila, obtinuta prin liofilizare, care isi pastreaza toate principiile active;

- drojdie inactivata, obtinuta prin plasmoliza sau autoliza al carei principal atuu il reprezinta valoarea nutritiva, aportul de vitamine si microelemente furnizate organismului uman sub o forma usor asimilabila.

Printre recomandarile terapeutice ale drojdiei medicament se numara:

prevenirea si tratamentul accidentelor digestive (diaree, candidoze) ce apar in urma tratamentului cu antibiotice;

tratamentul gastroenteritelor acute;

tratamentul diareelor ce apar datorita colonului iritabil.

Explicatia exacta a modului de actiune a drojdiei-medicament nu este inca cunoscuta, fiind propuse mai multe modele de actiune:

o       efectul de antagonism ``in vivo`` a fost demonstrat de Ducluzean pentru tulpini din genul Saccharomyces contra unor tulpini din genul Candida (albicans, krusei, pseudotropicalis). Procesul a fost descris ca:``primul exemplu al unui antagonism microbian exercitat "in vivo" de microorganisme care nu fac parte integranta din ecosistemul tubului digestiv, dar pe care il tranziteaza in numar ridicat fara a-si pierde viabilitatea [1]

o       modularea efectului de producere a toxinelor bacteriene: la administrarea preventiva de probiotic obtinut cu tulpini de Saccharomyces se observa reducerea mortalitatii soarecilor infectati cu Clostridium difficile, la soarecii supravietuitori constatandu-se diminuarea citotoxinei si scaderea numarului de Cl. Difficile;

o       activitatea imunomodulatoare datorata prezentei in peretele celulelor de drojdie a unui glucan denumit ``stimulent cu larg spectru al mecanismelor de aparare``;

v         Industria fermentativa

Industria fermentativa ocupa un loc important in industria alimentara si contribuie, prin procesele sale specifice la obtinerea unei game largi de produse, cum ar fi: berea, alcoolul, vinul, bauturile alcoolice, drojdia de panificatie, drojdia furajera, cidrul etc.

Pe langa celelalte procese (fizice, chimice, fizico-chimice) care stau la baza multor ramuri (tehnologii) din industria alimentara, in industria fermentativa, ponderea revine proceselor biochimice, caracteristice activitatii microorganismelor.

Drojdia comprimata se defineste ca o biomasa de celule din genul Saccharomyces cerevisiae - drojdie de fermentatie superioara, adaptata sa produca fermentarea glucidelor din aluat, folosita ca afanator biologic la fabricarea painii si a produselor de panificatie.

Procedeul tehnologic aplicat pentru obtinerea drojdiei de panificatie de calitate este cel clasic, discontinuu, cu plamezi diluate, in cinci trepte de multiplicare.

Pentru fermentatia alcoolica se utilizeaza diferite specii de drojdii specifice substratului folosit. Astfel, pentru fermentatia hexozelor se utilizeaza Saccharomyces cerevisiae, iar pentru pentoze sau lactoza Kluyveromyces fragilis si Candida sp. In conditii optime, dupa aproximativ 120 de ore s-a obtinut o concentratie a alcoolului etilic in mediu de 11,5 %. Cu tulpini selectionate de drojdie, dupa luni de fermentatie pot fi atinse concentratii duble.

Agentii tipici ai fermentatiei alcoolice sunt drojdiile genului Saccharomyces care pot sa produca prin fermentarea glucidelor mai mult de 8 alcool etilic.

Pentru a putea fi folosite in practica drojdiile genului Saccharomyces sunt studiate si selectionate in functie de unele proprietati care le recomanda pentru utilizarea industriala, cum ar fi: puterea alcooligena; alcoolorezistenta; capacitatea de floculare si pulverulenta; osmotoleranta; frigofilia; caracterul killer.

v   Industria alimentara

Drojdia de panificatie (Saccharomyces cerevisiae) si cea de bere (Saccharomyces carlsbergensis) sunt microorganisme industriale produse in industria alimentara in cantitati mari. Drojdiile au jucat un rol foarte important in dezvoltarea biocatalizei in ultimii 30 de ani. Multi chimisti organicieni au incercat sa obtina molecule chirale cu ajutorul drojdiilor. De aceea se poate afirma ca biotransformarile mediate de drojdii au avut un rol formativ extrem de important. Alaturi de numeroasele reactii de interes academic, drojdiile sunt utilizate, de asemenea, in procese tehnologice industriale. Desi metabolismul drojdiei S. cerevisiae a fost unul din domeniile investigate intens, motiv pentru care producerea si reglarea enzimelor implicate in metabolismul carbohidratilor in timpul cresterii si fermentatiei este relativ bine cunoscuta, despre biotransformarile substraturilor neconventionale exista foarte putine informatii sistematice. Incercarile de rationalizare si sistematizare a acestui tip de informatii nu au fost inca incununate de succes datorita complexitatii interactiunilor dintre aceste substraturi si celule.

Afanarea semifabricatelor se poate face pe cale mecanica, chimica si biologica. Cea mai importanta si practicata metoda de afanare o reprezinta afanarea biologica, ce se realizeaza prin fermentarea semifabricatelor cu ajutorul drojdiei de panificasie, care metabolizeaza zaharurile fermentescibile in conditii de inmultire, respectiv 25 - 30C temperatura, mediu apos, slab acid, aerat, cu o concentratie alcoolica de maximum 2%, cu formare de alcool etilic si bioxid de carbon.

Ca orice alt agent de afanare, si drojdia de panificatie trebuie sa indeplineasca o serie de conditii, printre care, mai importante sunt:

sa produca o cantitate cat mai mare de gaze raportat la masa respectiva;

- sa nu imprime produsului finit gust, miros si culoare straine;

- sa nu fie toxica si sa nu lase reziduu toxic in produs;

- viteza reactiei sa fie controlata;

- sa-si pastreze indicii de calitate in conditii de pastrare prescrise si sa fie avantajoasa din punct de vedere al pretului.

In industria de panificatie drojdia se poate utiliza sub forma comprimata, lichida sau uscata. Drojdia de panificatie se prepara din culturi tehnice pure de ciuperci unicelulare, din familia Saharomicetelor, care se inmultesc prin inmugurire, mai rar prin sciziparitate si care formeaza ascospori.

In epoca de maturitate a fructelor, drojdiile se gasesc pe suprafata acestora. De asemenea, drojdiile traiesc in pamant mult timp, acesta constituind de altfel, un rezervor natural.

v  Genetica si Biologie moleculara

Ingineria genetica, sau in sens strict tehnologia ADN recombinant a revolutionat rapid cateva domenii de baza in genetica si biologia aplicata. In ultimii ani drojdia Saccharomyces cerevisiae a fost utilizata ca model experimental pe care s-a studiat expresia genelor din eucariotele superioare. In figura de mai jos sunt prezentate schematic procedeele de baza in tehnologia ADN recombinant la drojdii.

La tulpinile de drojdii industriale aspectele de genetica moleculara se refera la alegerea vectorilor, promotorilor, la selectia markerilor si la semnalele de secretie. Aplicatiile biotehnologice sunt dependente de clonarea genelor heteroloage pentru drojdii, izolate din ADN viral, procariote sau eucariote.

Procedeele de baza in ingineria genetica la drojdii.

Alcaloizi produsi de drojdii obtinute prin inginerie genetica

Accesul la compusi chimici complecsi va permite noi studii farmacologice asupra unor potentiale analgezice. Celulele drojdiilor au fost transformate in adevarate fabrici biologice care produc o gama larga de alcaloizi - compusi chimici naturali, precum morfina, care contin atomi de azot, compusi care deseori au propietati farmacologice. Alcaloizii sunt substante organice heterociclice cu azot, de origine vegetala, cu caracter bazic, rezultate in urma metabolismului secundar al plantelor, care dau reactii caracteristice si au actiune asupra organismelor animale, de cele mai multe ori de natura toxica.

Mii de alcaloizi diferiti sunt cunoscuti, dar numai o parte dintre ei pot fi obtinuti in cantitati suficiente, de obicei prin extragerea lor din plante, cum ar fi opiumul din mac. Alcaloizii sunt sintetizati prin diferite secvente de reactii biochimice, care implica multe enzime si multe mecanisme reglatoare complexe. Unele molecule intermediare care ar putea avea aplicatii importante sunt obtinute prin aceasta metoda, dar complexitatea acestor substante chimice si faptul ca se gasesc in cantitati mici, face extragerea si sinteza lor atat dificila cat si scumpa.

"Cea mai buna abordare pentru a obtine cantitati mai mari din acesti compusi ar fi prin inginerie genetica aplicata plantelor producatoare, astfel incat acestea sa se opreasca din biosinteza alcaloizilor la un anumit produs intermediar, si astfel acesta sa se acumuleze la nivelul plantelor," spune Christina Smolke, chimist la California Institute of Technology in Pasadena. "Oamenii au incercat aceasta metoda, insa nu s-au obtinut rezultate convingatoare - daca distrugi enzima ajungi sa distrugi si o mare parte din metoda de biosinteza," adauga ea.

Alti cercetatori au folosit deja drojdiile pentru a produce compusi cu aplicatii farmaceutice, cum ar fi hidrocortizon si precursorul medicamentului antimalaric artemisina, acidul artemisinic. Smolke si K. Hawkins au reusit sa refaca cu succes in celule de drojdii majoritatea elementelor cheie a cailor de sinteza a alcaloizilor. Rezultatele cercetarilor au fost publicate in Nature Chemical Biology

Hawkins si Smolke s-au axat pe alcaloizii benzilizochinolinici (BIAs), care includ analgezice ca morfina si codeina. Astfel, ei au inserat in celulele drojdiilor genele de la trei plante: Papaver somniferum, Thalictrum flavum, Arabidopsis thaliana. Aceste gene sunt raspunzatoare de enzimele care ajuta la sinteza alcaloizilor benzilizochinolinici, din subtante chimice mai simple. De asemenea, ei au mai adaugat si gena pentru o enzima umana, P450, care actioneaza asupra mai multor alcaloizi.

Prin amestecarea si combinarea mai multor combinatii de enzime, cercetatorii au reusit sa produca cantitati importante a sapte alcaloizi diferiti, de tip BIAs. "Acum ca avem acces la intermediari, lucru care inainte nu era posibil, oamenii de stiinta vor putea sa realizeze studii asupra activitatii farmacologice a acestor intermediari," spune Smolke. "Noi obtinem 100 pana la 200 miligrame/litru de drojdii, cantitate importanta pentru molecule potential active. Cu o simpla optimizare a fermentatiei am putea sa obtinem o cantitate de 10 pana la 100 de ori mai mare," adauga el.

Hawkins si Smolke au reusit sa adapteze sistemul pentru ca drojdiile sa produca cantitatea optima din fiecare enzima, necesara sintezei oricarui alcaloid dorit.

Sarah O'Connor, de la Massachusetts Institute of Technology - Cambridge - expert in biosinteza produsilor chimici naturali, afirma ca:    "Este foarte promitator faptul ca metodele de biosinteza ale alcaloizilor intalnite la plante sunt reproduse acum la nivelul unor fiinte vii microscopice. Ceea ce este foarte important este faptul ca Smolke a aratat cum aceasta metoda poate fi folosita pentru a descoperi noi enzime care catalizeaza transformarile biosintetice," adauga O'Connor.

Astfel, se spera extinderea metodei in ambele directii, atat in obtinerea unei game mai largi de intermediari, chiar si de produsi finali, dar in acelasi timp in pornirea de la substrate cat mai simple. Acest sistem va permite producerea de alcaloizi care nu sunt naturali, prin folosirea de enzime din surse diferite si in combinatii care nu se gasesc in natura.

v  Tehnologii de mediu

Dupa cum se stie, microorganismele sunt responsabile in natura de mineralizarea celei mai mari parti din materialul organic pe care il transforma pana la CO₂ .Produsul organic ramas si care nu este usor mineralizat este incorporat in humus (acest principiu poate fi utilizat pentru bioremediere ). Avand in vedere transformarile mentionate se pot dezvolta numeroase procese bazate pe actiunea microorganismelor implicate in procesul natural de reciclare a carbonului. Acestea trebuie sa tina seama de natura macromoleculara a componentilor chimici principali din materialul vegetal, care nu pot penetra in celulele microorganismelorDe aceea este necesar sa se parcurga urmatoarele etape: eliberare de enzime, transport la substrat si adsorbtie, transformarea substratului in produse micromoleculare. Acest ansamblu de transformari este explicabil daca se au in vedere varietatea si numarul mare de microorganisme care se afla in sol si evolutia acestora, precum si stabilitatea biologica a componentilor chimici din fitomasa.

Numarul aproximativ al microorganismelor din sol:

CONCLUZIE:

Conceperea, elaborarea si aplicarea biotehnologiilor, domeniu interdisciplinar prin excelenta, se poate realiza numai printr-o colaborare stransa intre microbiologi, geneticieni, biochimisti, ingineri biochimisti, ingineri automatisti si specialisti in conducerea computerizata a proceselor industriale. Rolul fiecaruia este bine determinat, iar implicarea se face intr-o anumita etapa.

Bibliografie:

1. Szczebara, F. M. et al. Nature Biotechnol. 21, 143-149 (2003).

2. Ro, D. K. et al. Nature 440, 940-943 (2006).

3. Hawkins K. M. and Smolke C.D. Nature Chem. Biol. doi: 10.1038/nchembio.105 (2008).

4. www.nature.com

5. Wikipedia - enciclopedia libera

6. www.eurekalert.org

Anghel, I., et al., 1989 - Biologia si tehnologia drojdiilor, Editura Tehnica, Bucuresti