Mikroplar nasıl enerji üretirler ve ürettikleri enerjiyi gelişirken nasıl kullanırlar?

Özet: Araştırmacılar bakterilerin ve ekmek mayalarının nasıl enerji ürettiklerine ve ürettikleri enerjiyi gelişirken nasıl kullandıklarına ışık tutuyor. Hücrelerin enerji kullanımı hakkında bilgi sahibi olmak, endüstriyel biyoteknoloji işlemleri için çok önemlidir.

Hücreler nasıl enerji üretir ve kullanırlar?

Mikroplar nasıl enerji üretirler ve ürettikleri enerjiyi gelişirken nasıl kullanırlar?

Bu soru basit görünebilir, ancak cevap basit olmaktan uzak. Dahası, mikrobiyal hücre fabrikalarının nasıl enerji tükettiğini ve proteinlerin bunun için nasıl tahsis edildiğini bilmek, endüstriyel fermantasyonlar üzerine çalışmalar yürütürken büyük önem arz eder.
An itibariyle araştırmacılar, fermantasyon koşullarını optimize ederek metabolizmada fermantasyondan E. coli bakterisi ve ekmek mayasının solunumuna geçişin mümkün olduğunu göstermiştir. Bu geçiş, hücrelerin daha fazla iç enerji üretmeye yönelebileceği anlamını taşır.
Çalışmanın sorumlu yazarı İsveç Chalmers Teknoloji Üniversitesi’nde profesör ve Danimarka Teknik Üniversitesi ’ndeki Novo Nordisk Biyo-Sürdürülebilirlik Vakfı Merkezi Bilimsel Direktörü Jens Nielsen, “Bu bilgiler, yeni ve geliştirilmiş hücre fabrikalarını tasarlamak için kullanılabilir.” diye konuştu.
Chalmers Biyoloji ve Biyoloji Mühendisliği Bölümünden ilk yazar olan doktora sonrası araştırmacı Yu Chen ile birlikte Jens Nielsen; E. coli ve ekmek mayasının metabolizmasını matematiksel modeller ve biyolojik deneyler kullanarak incelemiştir. Araştırma şu anda Ulusal Bilimler Akademisi Bildirilerinde (PNAS) yayımlanmış durumda.

Hücreler sürekli olarak, glikoz şekerinden ATP adı verilen yüksek enerjili moleküller üretir. ATP, hücrelerdeki işçiler olan enzimler tarafından tüketilen hücresel besindir.Enzimler bu enerjiyi biyokütle oluşturmak veya başka hücresel işler yapmak için kullanırlar.
ATP ne kadar fazla olursa, mikrobiyal işgücü fermantasyonlarda o kadar iyi performans gösterir; en azından prensipte bu böyledir -bunun yanında diğer birçok özellik de rol oynar.

ATP İki Yoldan Biriyle Üretilebilir

Araştırmacılar hesaplamalı bir yaklaşım kullanarak, ATP ‘nin şu iki yoldan biriyle üretilebileceğini keşfetti: bir glikoz molekülü başına 23.5 ATP üretilen yüksek verimli bir solunum yolu veya glikoz molekülü başına yalnızca 11 ATP üretilen düşük verimli bir fermantasyon yolu.
İki yol birbirini tamamlar, ancak araştırmacılar, fermantasyon koşulları ile mevcut şeker ve protein miktarını değiştirerek bu iki yol arasındaki doğal dengeyi değiştirmeyi başardılar. Ayrıca, yüksek verimli yolun, aynı oranda glikoz tüketmek için düşük verimli yoldan daha fazla protein kütlesine ihtiyacı olduğunu ortaya koydular.
Ayrıca bilim insanları, bazı anahtar enzimlerin daha iyi performans göstermesinin, hücrelerin düşük verimli fermantatif metabolizma halinden, yüksek verimli solunumsal metabolizma halinegeçmesinin önünü açtığını gösterdiler.

Bu geçiş her iki yolda da daha fazla hücre içi ATP ile sonuçlanır, ancak fermantatif yan ürünlerin birikmesini de önler; ki bunlar ekmek mayasında asetat ve E. coli’deetanoldür.
Jens Nielsen, “Bu yan ürünler istenmeyen moleküllerdir ve hücre fabrikanızda üretmek istediğiniz “aranan” moleküllerin verimini azaltır.” diyor.
Ayrıca, araştırmacılar, enerji üretmek noktasında kapasitelerinden tümüyle istifade eden hücrelerin, sadece yüksek verimli olan yolu değil, her iki yolu da kullandıklarını ve daha fazla mevcut proteinin belirli bir yolda daha fazla verimliliği beraberinde getirdiğini gösterdi.
Bu nedenle, fermantasyonlardaki hücrelerin daha iyi performans göstermesinin çözümü, fermantatif yolu bloke etmek değil, yüksek verimli yola daha fazla protein tahsis etmekten geçiyor.
Araştırmacılar mikropları tek başına farklı fermantasyon koşullarına maruz bıraktılar ve bu değişiklikleri meydana getirmek için genom mühendisliğinden faydalanmadılar.
Ancak aynı zamanda bilim insanlarının bu çalışmaları, genom mühendisliği tarafından hücrelerin metabolizmasının gelecekteki deneylerde daha etkili hale getirilmek üzere nasıl değiştirilebileceğinin habercisi.