BİYOTEKNOLOJİDE ENZİMLER

Enzimler canlı organizmalarda substratların kimyasal değişimini katalizleyen kompleks moleküllerdir. Enzimler in vitro koşullarda da katalitik aktivite gösterdiklerinden, mikroorganizmaların bu proteinleri bol miktarda üretmeleri sonucu izole edilerek çeşitli endüstriyel alanlarda kullanılabilirler.

Günümüzde enzimler: süt ürünlerinin üretiminde, biracılıkta, etlerin işlenmesinde, meyve sularının berraklaştırılmasında, früktoz şurubu üretiminde kullanılmalarıyla gıda sektöründe, protein ve yağ artıklarını parçalamak üzere deterjan endüstrisinde, deri ve dokuma ipliklerinin işlenmesini kolaylaştırarak tekstilde, teşhis ve tedavi amacıyla tıpta kullanılmaktadırlar (Tablo 6.1).

Tablo 6.1. Bazı enzimleri kullanım alanları ve elde edildikleri mikroorganizmalar

ENZİM	KULLANIM ALANI	MİKROORGANİZMA
α-amilaz	Maltoz ve dekstrinin yıkılması Leke çıkarıcı Unun zenginleştirilmesi Glikoz şurubu	Bacillus subtilis Aspergillus oryzae B. licheniformis
β-glucanaz	β-glukanın parçalanması yoluyla biranın berraklaştırılması.	A. oryzae B.subtilis
Katalaz	İçeceklerin bozulmasını önlemek için	A. Niger
Selülaz	Deterjan katkı maddesi Atıkların değerlendirilmesi	Penicillum spp.
Glikoz izomeraz	Glikoz, Fruktoz dönüşümü	Aspergillus spp. Streptomycetes spp.
Glikoz oksidaz	Biyosensor	A.niger
Laktaz	Laktoz Glukoz+Galaktoz (Peynir altı suyu) laktozsus gıda üretimi	Kluyveromyces laktis
Lipaz	Deterjan katkı maddesi Yağların parçalanması Peynir Endüstrisi	A. oryzae
Pektinaz	Meyve suyu ekstraksiyonu Şarap ve meyve suyu berraklaştırılması	Erwinia spp
Proteaz	Deterjan katkı maddesi Deri Endüstrisi, et ekstraksiyonu Sindirime yardımcı	B. Subtilis
Renin	Peynir Endüstrisi	Kluyveromyces lactis Mucor spp.
Sukraz (invertaz)	Şekerleme Endüstrisi	Saccharomyces spp.

Enzimlerin bu şekilde endüstriyel süreçlerde kullanılmaları işlemlerine “enzim teknolojisi” denir. Enzim teknolojisi, mikrobiyal işlemler (üretici suşların seçimi, geliştirilmesi vb.), enzimlerin fermentasyon yoluyla üretimleri (büyük ölçekte üretimi için yapılan besiyeri, ortam koşulları vb. düzeylerdeki optimizasyonlar), katalitik etkinliğin arttırılması için enzimlerin üç boyutlu yapılarının değiştirilmesi (protein mühendisliği), izolasyonları ve immobilizasyonları (enzimlerin çözünmeyen destek materyaller yardımıyla suda çözünmeyen hale getirilmesi) çalışmalarını kapsar.

Enzimler bitkisel, hayvansal veya mikrobiyal kaynaklardan üretilmektedir. Bazı özel uygulamalar için bitkisel ve hayvansal kaynaklı enzimler özel önemlerini korumakla birlikte son 30 yıldan beri teknik uygulamalar için mikrobiyal kaynaklar ağırlık kazanmaya başlamıştır. Enzimlerin mikrobiyolojik yolla üretilmesinde genellikle derin kültür tekniği ve aerobik karıştırmalı tank tipi biyoreaktörler kullanılır.

Mikroorganizmalar yardımı ile enzim üretimi birçok faktör tarafından etkilenir. Besi ortamının kompleks kimyasal bileşimi, indüksiyon ve represyon gibi iç faktörler yanında pH ve oksijen temini gibi dış faktörler de enzim verimi için önemlidir. Mikroorganizma seçimi bir başka önemli konudur. Seçilen mikroorganizma kısa sürede yüksek verimle enzim üretebilmeli, toksik madde ve antibiyotik üretmemeli, ucuz besi ortamında rahatlıkla çoğalabilmeli, gerek enzim üretimi sırasında gerekse izolasyon ve saflaştırma işlemleri sırasında problem oluşturacak yan ürünler üretmemelidir.

Enzimlerin üretiminde yararlanılan besin ortamları genellikle kompleks karbon ve azot maddelerinin karışımıdır. Besin ortamı karbon ve enerji kaynağı içermek zorundadır. Çoğu kez ortama mineraller ve bazı büyüme faktörleri de eklenir. Eğer indüklenen bir enzim üretilecekse ortamda indüktör bulunmalı fakat repressör bulunmamalıdır. Substratlar genellikle indüktör etkiye sahiptir.

Örneğin amilaz için nişasta, üreaz için üre indüktör etkiye sahiptir. Bazı substratlar düşük konsantrasyonda indüktör, yüksek konsantrasyonda repressor olarak etki gösterebilir. Substratların çok yavaş parçalanabilen türevleri güçlü bir indüktif etkiye sahiptir(invertaz için sakkarozpalmitat). Koenzimlerde indüktör olarak etki gösterebilirler. Örneğin tiamin, piruvat-karboksilaz verimini artırmaktadır. Bazı durumlarda üretilecek enzimin katalizlediği reaksiyonun ürünü enzim için indüktör etkiye sahip olabilmektedir (Beta- amilaz üretiminde maltodekstrin ve pullanaz üretiminde maltoz). Bazı enzimler için ise tamamen ters bir etki söz konusu olup ürünler repressör etki gösterirler. Katabolik represyon olarak adlandırılan bu etkiyi ortadan kaldırmak için şu önlemler alınabilir.

1. Glikoz gibi kolay değerlendirilen substratlarca zengin besi ortamlarından kaçınmalıdır.

2. Represif etkili maddenin besi ortamındaki konsantrasyonunu düşürmek gerekir.

3. Büyüme faktörlerinin konsantrasyonu ve sıcaklık düşürülerek veya zayıf toksik etkili maddelerin ilavesi ile büyüme hızının düşürülmesi.

Katabolik represyon durumunda  karbon kaynağı seçimi çok kritiktir. Glikoz gibi kolay değerlendirilebilen madde durumunda, fermentör ortamındaki glikoz konsantrasyonu düşük tutulmalıdır. Bu ise azar azar ama sürekli glikoz ilavesiyle sağlanır. Enzim veriminde azot kaynağının (amonyak nitrat veya organik azot bileşikleri) doğru seçilmesi ve mineral ve iz elementler arasındaki oran da önemlidir. Besi ortamının optimizasyonunda ortam bileşenleri, üretimden sonra enzimin saflaştırılmasını en az etkilemeli ve fermentasyon sonunda büyük ölçüde tüketilmelidir. Enzim üretiminde kullanılan besi ortamlarına karbon kaynağı olarak, tahıl küspesi, soya küspesi, buğday ve pirinç kepeği, melas ve patates nişastası örnek olarak verilebilir. Azot kaynağı olarak ise balık unu, jelatin, kazein, kepek, peptonlar ve soya küspesi örnek olarak verilebilir. Büyüme maddeleri ve iz element içeriği olarak ise maya ekstraktı, bitkisel yağlar, yağlı tohum küspesi ve kepek kullanılabilir.

Araştırma laboratuarlarında kullanılan besin ortamları çok iyi formüle edildiği için tipik bir kesikli kültürde mikroorganizmanın üremesi, besin sınırlaması, enzim üretimi gibi parametreler çok net gözlemlenir. Ancak büyük ölçekli üretimlerde durum böyle değildir. Çünkü ticari uygulamalarda daha ucuz ve kolay elde edilebilir substratlar kullanılır. Bu substratların içeriği komplekstir. Bu yüzden mikroorganizma üremesi,  enzim kapasitesi ve besin elementlerinin etkisini net görmek zordur.

Enzim üretiminde yeni bir mikroorganizma ile çalışılacaksa ilk çalışma katı besiyerinde küçük ölçekli daldırmalı kültür üzerinde (çalkalamalı erlen denemeleri) yapılmalıdır. Daha sonraki aşamada küçük ölçekli enstrümantal donanıma sahip parametrelerin ölçülebildiği bir karıştırmalı biyoreaktörde devam edilmelidir. Her aşamada oksijen çok iyi ayarlanmalı ve öncelikle enzimin stabilitesi düşünülmelidir. Tablo 6.2’de büyük ölçekli enzim üretiminde kullanılan besin ortamları ve çevresel faktörler verilmiştir.

…