Άλλα προϊόντα μικροβιακών ζυμώσεων 🧪
Ποικιλία βιομηχανικών προϊόντων 🏭
Εκτός από την παραγωγή βιομάζας, τροφίμων και αιθανόλης, οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούνται για την παραγωγή και άλλων προϊόντων, όπως ενζύμων, αντιβιοτικών, προσθέτων τροφίμων κτλ., τα οποία έχουν εφαρμογές στη βιομηχανία των τροφίμων, στην Ιατρική, στην Αναλυτική Χημεία και στην έρευνα.
Τα προϊόντα που παράγονται κατά τη ζύμωση εξαρτώνται από:
- 🦠 Τον συγκεκριμένο οργανισμό.
- 🌡️ Τις συνθήκες της ζύμωσης (θρεπτικό υλικό, θερμοκρασία, pH, ).
- 📊 Τη φάση ανάπτυξης της καλλιέργειας.
Το σύνολο των προϊόντων που παράγονται από τους οργανισμούς φυσικού τύπου είναι σε μικρές συνήθως ποσότητες, που όμως επαρκούν για να καλύψουν τις μεταβολικές ανάγκες τους. Είναι όμως προφανές ότι για να είναι πρακτικά χρήσιμος ένας μικροοργανισμός, πρέπει να παράγει προϊόντα, όπως ένζυμα ή αντιβιοτικά, σε μεγάλες ποσότητες. Αυτό επιτυγχάνεται με δύο κυρίως τρόπους:
- ⚗️ Με τη ρύθμιση των συνθηκών της καλλιέργειας.
- 🧬 Με τη γενετική τροποποίηση των οργανισμών.
Παραγωγή ενζύμων 🔬
Εκτός από μικρό αριθμό ενζύμων που παράγονται από ζωικά και φυτικά κύτταρα, τα περισσότερα ένζυμα παράγονται από μικροοργανισμούς. Οι μικροοργανισμοί έχουν τη δυνατότητα παραγωγής μεγάλων ποσοτήτων ενζύμων.
1000 L καλλιέργειας Bacillus subtilis παράγουν σε 12 ώρες 20 Kg ενζύμου.
Τα περισσότερα από τα ένζυμα που παράγουν οι μικροοργανισμοί είναι εξωκυτταρικά, δηλαδή εκκρίνονται έξω από το κύτταρο. Το γεγονός αυτό είναι σημαντικό, γιατί απλοποιεί τη διαδικασία και μειώνει κατά συνέπεια το κόστος απομόνωσης και καθαρισμού των ενζύμων.
Επιπρόσθετα, επειδή οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται σε ποικιλία περιβαλλοντικών συνθηκών, είναι δυνατή η παραγωγή ενζύμων που παραμένουν λειτουργικά σε ακραίες συνθήκες, όπως σε υψηλή θερμοκρασία.
Τα υπερώριμα ή «χαλασμένα» μήλα είναι πολύ μαλακά. Αυτό οφείλεται στη δράση του ενζύμου πεκτινάση, το οποίο παράγεται από μικροοργανισμούς που βρίσκονται στο μήλο. Το ένζυμο αυτό διασπά την πηκτίνη, που είναι συστατικό του κυτταρικού τοιχώματος των φυτικών κυττάρων, διευκολύνοντας την έξοδο του χυμού από το κύτταρο. Επιπρόσθετα, η πηκτίνη συγκρατεί σαν είδος κόλλας τα κύτταρα μεταξύ τους.
Η πεκτινάση που παράγεται με μεθόδους βιοτεχνολογίας χρησιμοποιείται για να ξεχωρίζει τα κύτταρα και να διασπά το τοίχωμά τους. Με αυτό τον τρόπο απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα χυμού από τα κύτταρα του μήλου.
Ένζυμα και απορρυπαντικά 🧼
Η πρώτη «βιολογική» σκόνη πλυσίματος παρασκευάστηκε το 1913. Τα εμπορικά προϊόντα που κυκλοφορούν σήμερα περιέχουν μικρά ποσά ενζύμων (2–3% σε σύνολο 10% πρωτεΐνης). Τα ένζυμα που περιέχονται, κατά κανόνα πρωτεάσες και λιπάσες, χρησιμεύουν για τη διάσπαση πρωτεϊνικών (π.χ. αίμα) ή λιπαρών (π.χ. λάδι) λεκέδων αντίστοιχα. Η αγορά των απορρυπαντικών απορροφά ένα μεγάλο ποσοστό των παραγόμενων ενζύμων γενικής δράσης.
Ένζυμα όπως κυτταρινάση και αμυλάση χρησιμοποιούνται για το «πετροπλύσιμο» των jeans, με αποτέλεσμα τα τελευταία να ξεβάφουν και να μαλακώνουν.
Η σουπτιλισίνη είναι μια πρωτεάση που παράγεται από βακτήρια του γένους Bacillus και χρησιμοποιείται ως ένζυμο στις σκόνες πλυσίματος ρούχων. Στα αρχικά στάδια της χρησιμοποίησής της παρατηρήθηκε αναστολή δράσης του ενζύμου παρουσία λευκαντικών. Βρέθηκε ότι το που απελευθερωνόταν από τα λευκαντικά οξείδωνε το αμινοξύ μεθειονίνη στη θέση 222 της πολυπεπτιδικής αλυσίδας του ενζύμου. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα την παρεμπόδιση δέσμευσης του υποστρώματος στο ενεργό κέντρο του ενζύμου και συνεπώς την αδρανοποίησή του.
Με τοποκατευθυνόμενη μετάλλαξη δημιουργήθηκαν 19 τροποποιημένα γονίδια για την παραγωγή σουπτιλισίνης. Στην περίπτωση που η μεθειονίνη στη θέση 222 είχε αντικατασταθεί από κυστεΐνη, το ένζυμο ήταν περισσότερο δραστικό, 138% σε σχέση με το αρχικό, αλλά η δράση του αναστελλόταν από τα λευκαντικά. Στην περίπτωση που στη θέση της μεθειονίνης υπήρχε αλανίνη ή σερίνη, παρατηρήθηκε μείωση της δραστικότητας του ενζύμου, 53% και 35% αντίστοιχα σε σχέση με το αρχικό, αλλά εξακολουθούσε να είναι δραστικό παρουσία λευκαντικών.
Με αντίστοιχη μεθοδολογία έγινε δυνατό να «προστεθούν» στο μόριο του ενζύμου δύο δεσμοί, που αυξάνουν τη θερμοσταθερότητά του. Το ένζυμο λοιπόν που παράγεται σήμερα είναι δραστικό σε υψηλή θερμοκρασία παρουσία λευκαντικών.
Διάφορα ασιατικά είδη του φυτού γένους Indigo περιέχουν το γλυκοζίδιο ινδικάνη. Όταν αυτή η ένωση οξειδωθεί, παράγει τη βαφική ύλη ινδικό (λουλάκι), που χρησιμοποιείται σήμερα κυρίως στη βαφή των υφασμάτων jean. Το ινδικό, το οποίο έχει βαθύ κυανό χρώμα που διαρκεί, χρησιμοποιήθηκε στην αρχαιότητα από τους Αιγυπτίους και τους Ρωμαίους για τη βαφή των ενδυμάτων. Στην Ευρώπη χρησιμοποιήθηκε ευρέως τον 16ο αιώνα. Η ανακάλυψη της χημικής δομής του ινδικού το 1883 έδωσε τη δυνατότητα σύνθεσης της βαφικής ύλης με χημικές μεθόδους.
Το 1993 επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η Escherichia coli μπορεί να μετατρέψει τη γλυκόζη αρχικά στο αμινοξύ τρυπτοφάνη και στη συνέχεια σε ινδόλη, ουσία πρόδρομη του ινδικού. Με την ενσωμάτωση στο γενετικό υλικό της Escherichia coli γονιδίων από άλλα βακτήρια έγινε δυνατή η παραγωγή ινδικού από γλυκόζη. Ο τρόπος αυτός παραγωγής βοηθά στο να αποφευχθούν τα προβλήματα από τη συνθετική παρασκευή του ινδικού.
Βιομεταλλουργία ⛏️
Τα μέταλλα εξορύσσονται από τα μεταλλεύματα με τη χρήση ειδικών φυσικών και χημικών μεθόδων. Η εκμετάλλευση ενός μεταλλεύματος είναι αποδοτική, εάν το μετάλλευμα περιέχει σε μεγάλη συγκέντρωση το μέταλλο που παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον και η διαδικασία εξόρυξης και απομόνωσης του μετάλλου είναι οικονομικά συμφέρουσα.
Υπάρχουν βακτήρια που χρησιμοποιούνται για να αυξήσουν την αποδοτικότητα της εκμετάλλευσης ορυκτών, τα οποία έχουν χαμηλή συγκέντρωση μετάλλου.
Το βακτήριο Thiobacillus ferrooxidans, για παράδειγμα, χρησιμοποιείται για την εξαγωγή χαλκού από μεταλλεύματα όπως ο χαλκοπυρίτης (). Μικροοργανισμοί χρησιμοποιούνται επίσης και για την εξαγωγή άλλων μετάλλων, όπως του ουρανίου, του κοβαλτίου και του μολύβδου.
Η χρησιμοποίηση βακτηρίων για την εξόρυξη μετάλλων προσφέρει μια σειρά από πλεονεκτήματα, όπως:
- Επιτρέπει την εκμετάλλευση μεταλλευμάτων με χαμηλή περιεκτικότητα σε μέταλλα.
- Αποφεύγεται η εξόρυξη σε βάθος, διότι γίνεται δυνατή η έκπλυση των μετάλλων από επιφανειακά στρώματα του κοιτάσματος.
- Συνεισφέρει στην προστασία του περιβάλλοντος, επειδή γίνεται σημαντική οικονομία σε ενέργεια. Δίχως τους μικροοργανισμούς είναι απαραίτητη η θέρμανση σε υψηλή θερμοκρασία του ορυκτού και συνεπώς η αύξηση της εκπομπής ρύπων στην ατμόσφαιρα.
Νερό εμπλουτισμένο με διοχετεύεται από την κορυφή σωρού μεταλλεύματος χαμηλής περιεκτικότητας σε Cu. Καθώς διαπερνά τον σωρό, το βακτήριο διευκολύνει τη διάλυση του μετάλλου, και στο τέλος της διαδρομής συλλέγεται διάλυμα πλούσιο σε χαλκό — χωρίς να απαιτείται εξόρυξη σε βάθος ή θέρμανση σε υψηλή θερμοκρασία.