نوع مقاله : پژوهشی- فارسی
نویسندگان
1 دانشیار میکروبیولوژی، دانشگاه مراغه، ایران
2 کارشناسی ارشد بیوتکنولوژی میکروبی، دانشگاه مراغه، ایران
چکیده
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Introduction: Lipase of the yeast Yarrowia lipolytica used in detergents, cosmetics, pharmaceuticals and food industries. This enzyme production depends on medium composition, especially carbon source. The purpose of this study was to investigate the effect of olive oil different feeding strategies on Y. lipolytica lipase production.
Materials and methods: The yeast strains Y. lipolytica FDY1390 was cultured in media with different feeding strategies. Three different models were used to fed-batch feeding method. The yeast growth is monitored by direct counting method with neubauer chamber. Lipase activity was measured using titration method.
Results: All three models of fed-batch feeding increased lipase toward the batch culture. Fed3 was the best model of fed-batch feeding, in which the model leads to the production of lipase activity with 526 U/ml after 120 hours and the productivity reached to 4.38 U/ h.
Discussion and conclusion: The results showed that feeding patterns of fed-batch culture increase production rate of lipase production towards batch culture. The best strategy is to add olive oil as the carbon source induction substrate in medium after 48 hours of inoculation.
کلیدواژهها [English]
مقدمه.
لیپاز (EC 3. 1. 1. 3) جزو هیدرولازهاست که در درجه اول مسؤول هیدرولیزآسیل گلیسرولها میباشد. لیپاز برای تجزیه و زیست تبدیلی لیپیدها به ویژه تریآسیلگلیسرولها در طبیعت ضروری هستند. علاوه بر اهمیت زیستی، لیپازها توانایی بالقوهای برای بهرهبرداری در بیوتکنولوژی دارند (1 و 2). لیپاز توسط حیوانات، گیاهان و میکروارگانیسمها تولید میشود. لیپازهای میکروبی به علت ثبات در عمل، گزینش و استفاده از سوبستراهای متنوع مورد توجه صنایع مختلف هستند. بسیاری از میکروارگانیسمها از جمله باکتریها، مخمرها و قارچها به عنوان تولید کنندگان لیپاز خارج سلولی شناخته شدند (3- 5).
مخمر lipolytica Yarrowiaجزو گروه مخمرهای غیر معمول است که در دهههای گذشته در پژوهشهای بنیادی و بیوتکنولوژی مورد توجه قرارگرفته است. این مخمر برای انسان غیر بیماریزا و برای چند فرآیند صنعتی ایمن شناخته شده است (6).
آنزیم لیپاز Y. lipolyticaبا ایجاد آرایش فضایی اختصاصی و دارا بودن فعالیت آنزیمی بالا برای آبکافت، ساخت و ترانس- استریفیکاسیون، دامنه وسیعی از استرها و روغنهاست که به همین علت میتوان از آن برای انجام بیوترانسفورماسیونهای میکروبی در صنایع دارویی، آرایشی- بهداشتی و غذایی استفاده کرد (7 و 8)(Barth and Gaillardin 1997; Vakhlu and Kour 2006). همچنین، این آنزیم به خاطر پایداری بالا، عدم نیاز به کوفاکتور، فعالیت سنتزی در حلالهای آلی و طیف گسترده سوبسترا میتواند برای تبدیل مخلوط راسمیک به ترکیبات دارویی تک آنانتیومری به کار رود (9 و 10).
تولید لیپازهای میکروبی بیشتر تحت تأثیر ترکیب محیط و عوامل فیزیکی شیمیایی مانند دما، اسیدیته و اکسیژن محلول قرار دارند. از آنجا که معمولا لیپاز جزو آنزیمهای القایی میباشد، در نتیجه منبع کربن عامل مهمی در بیان و تولید لیپاز است. این آنزیمها معمولا در حضور لیپیدها و مشتقات آنها مانند تریآسیلگلیسرول، اسیدهای چرب، استرهای قابل هیدرولیز، توئین، نمکهای صفراوی و گلیسرول تولید میشود (11 و 12).
به طور کلی فرآیندهای تخمیری به روشهای بسته[1]، خوراکدهی نیمه پیوسته[2] و پیوسته[3] انجام میشود. در روش بسته چیزی به محیط کشت اضافه نمیشود و یا از آن خارج نمیگردد. در روش خوراکدهی نیمه پیوسته ماده مغذی طی فرآیند تخمیر به محیط کشت اضافه میشود. در روش خوراکدهی پیوسته ماده مغذی به محیط کشت اضافه میشود و معادل آن محصول از محیط کشت خارج میگردد (13).
هدف پژوهش حاضر، بررسی اثر استراتژیهای مختلف خوراکدهی بسته و نیمه پیوسته روغن زیتون به عنوان منبع کربن و القا کننده لیپاز بر فرآیند تخمیر و تولید لیپاز مخمر Y. lipolytica است.
مواد و روشها.
سویه میکروبی و شرایط کشت: در این پژوهش از سویه مخمر Y. lipolytica FDY1390استفاده شد. از محیط کشت YPD حاوی 20 گرم در لیتر گلوکز، 20 گرم در لیتر پپتون و 10 گرم در لیتر عصاره مخمر و 17 گرم در لیتر آگار برای کشت این مخمر در دمای 29 درجه سانتیگراد به مدت 2 تا 3 روزه استفاده و در دمای 4 درجه سانتیگراد نگهداری شد (14).
فعالسازی سویهها با کشت بر روی محیط YPD انجام شد که پس از انکوبه کردن در دمای 29 درجه سانتیگراد به مدت 24 ساعت، یک کلونی به ارلن 100 میلیلیتری حاوی 20 میلیلیتر محیط YPD مایع و فاقد آگار به عنوان مایع تلقیح انتقال داده شد. سپس، ارلن در انکوباتور شیکردار با دمای 29 درجه سانتیگراد با سرعت چرخش 200 دور در دقیقه به مدت 18ساعت انکوبه شد (15).
روشهای خوراکدهی: برای روش بسته، 50 میلیلیتر محیط کشت تولید حاوی یک درصد عصاره مخمر و تریپتون و یک درصد روغن زیتون در ارلنهای250 میلیلیتری در نظر گرفته شد. پس از استریل کردن محیط کشت، یک درصد مایع تلقیح از سویه مخمر Y. lipolytica FDY1390در شرایط استریل اضافه شد. سپس، ارلنها به منظور انکوبه کردن به انکوباتور شیکردار با دمای 29 درجه سانتیگراد و با سرعت چرخش 200 دور در دقیقه منتقل شدند. هر 24 ساعت به منظور بررسی رشد مخمرها و فعالیت لیپاز از ارلنها در شرایط استریل نمونهبرداری شد.
برای روش خوراکدهی نیمه پیوسته، سه الگو مختلف با نامهای Fed1، Fed2 و Fed3 به کار رفت. برای هر سه الگو محیط کشت اولیه، روش تلقیح و مطالعه نمونهها مشابه روش بسته بود. برای الگو Fed1، پس از 24 ساعت 5/0 درصد روغن زیتون اضافه شد و پس از 48 ساعت 5/0 درصد دیگر از روغن زیتون اضافه شد. برای الگو Fed2، تنها پس از 24 ساعت یک درصد روغن زیتون اضافه شد. برای الگو Fed3، تنها پس از 48 ساعت یک درصد روغن زیتون اضافه شد.
سنجش رشد و فعالیت آنزیمی: برای بررسی رشد و شمارش تعداد سلولهای مخمر از لام نئوبار استفاده شد. روش تیتراسیون برای سنجش فعالیت لیپاز به کار رفت. پس از هر بار نمونهبرداری، نمونهها در دور 13000 به مدت 3 دقیقه سانتریفوژ شد و از محلول رویی برای سنجش فعالیت آنزیمی استفاده شد. یک میلیلیتر از محلول رویی به طور مستقیم و یا رقیق شده به 5 میلیلیتر از سوبسترای سنجش فعالیت لیپاز (مخلوطی از روغن زیتون با هیدروکسید سدیم یک دهم مولار و پلی وینیل الکل دو درصد) به همراه 4 میلیلیتر بافر فسفات یک دهم مولار با اسیدیته حدود 7 اضافه شد. سپس، به مدت 15 دقیقه در بن ماری شیکردار با دمای 37 درجه سانتیگراد قرار داده شد. پس از این مرحله برای متوقف کردن واکنش، 5 میلیلیتر از محلول متوقف کننده (ترکیبی از الکل و استون به نسبت یک به یک حجمی/ حجمی) اضافه شد. در ادامه 3 تا 5 قطره از محلول فنل فتالئین دو در صد افزوده شد و با محلول هیدروکسید سدیم 50 میلیمولار تیتر شد. فعالیت لیپاز به شکل واحد در میلیلیتر گزارش میشود که یک واحد فعالیت آنزیمی، معادل مقدار آنزیمی است که یک میکرومول اسید چرب را در یک دقیقه تحت شرایط سنجش آزاد سازد (16). شایان ذکر است که تمام آزمایشها حداقل با چهار تکرار انجام شد.
نتایج.
روند رشد سویه مخمر مورد استفاده و میزان تولید لیپاز در محیطهای کشت بسته و خوراکدهی شده با سه الگو مختلف با فواصل زمانی 24 ساعت اندازهگیری و در زمانهای مقرر خوراک دهی انجام شد. نتایج مربوط به تولید لیپاز و میزان رشد سویه Y. lipolytica FDY1390در محیطهای مختلف کشت بسته و خوراکدهی شونده نیمه پیوسته به ترتیب در شکلهای 1 و 2 نشان داده شده است.
شکل 1- نمودار تولید لیپاز توسط سویه مخمر Yarrowia lipolytica FDY1390 در محیطهای مختلف کشت بسته (Batch)، کشت نیمه پیوسته خوراکدهی شونده با الگو اول (Fed1)، الگو دوم (Fed2) و الگو سوم (Fed3).
شکل 2- نمودار میزان رشد سویه مخمر Yarrowia lipolytica FDY1390 در محیطهای مختلف کشت بسته (Batch)، کشت نیمه پیوسته خوراکدهی شونده با الگو اول (Fed1)، الگو دوم (Fed2) و الگو سوم (Fed3).
سویه مخمر Y. lipolytica FDY1390در تخمیر به حالت کشت بسته پس از 72 ساعت به حداکثر فعالیت لیپاز خود رسید که معادل 5/336واحد در میلیلیتر بود. طی این زمان که 48 ساعت از خوراکدهی Fed1 و Fed2 و 24 ساعت از خوراکدهی Fed3 گذشته بود، فعالیت لیپاز این به ترتیب 231، 5/239 و 260 واحد در میلیلیتر بود. بررسی روند رشد و فعالیت لیپاز تا 120 ساعت از آغاز فرآیند ادامه داده شد. طی این زمان که از خوراکدهی Fed1 و Fed2 مدت 96 ساعت و از خوراکدهی Fed3 مدت 72 ساعت میگذشت حداکثر فعالیت لیپاز در آنها مشاهده شد که به ترتیب برابر 483، 500 و 526 واحد در میلیلیتر بود. بهرهوری تولید لیپاز (PL) به شکل میزان تولید لیپاز بر زمان تخمیر و بر حسب واحد فعالیت آنزیمی بر ساعت (U/h) گزارش میشود. در این پژوهش، بهرهوری تولید لیپاز برای تخمیر در حالت کشت بسته برابر 67/4، برای خوراکدهی نیمه پیوسته الگو یک، معادل با 02/4، الگو دو، معادل 16/4 و الگو سه، برابر 38/4 واحد فعالیت آنزیمی بر ساعت محاسبه شد.
بحث و نتیجه گیری.
مخمر Y. lipolytica یک مخمر هوازی غیربیماریزاست که قادر به متابولیزه کردن تریگلیسریدها و اسیدهای چرب به عنوان منبع کربن است (17 و 18). منبع کربن موجود در محیط کشت میتواند باعث تحریک تولید لیپاز شود و یا تولید آن را مهار کند. برخی از چربیها یا روغنها به عنوان القا کننده تولید لیپاز در مخمر Y. lipolyticaاستفاده شدند (19 و 20). محیطهای رشد حاوی مواد چربی مثل روغن زیتون، اسید اولئیک و مشتقات آنها باعث القا تولید لیپاز میشوند. روغن زیتون غنی از اسید اولئیک است که باعث تنظیم مثبت بیان ژن مسؤول تولید لیپاز میشود (21 و 22).
یکی از عوامل افزایش بهرهوری بهینهسازی محیط کشت و شرایط محیطی است. بهینهسازی غلظت هر ترکیب به کار رفته در محیط کشت معمولا یک روش وقتگیر است، ولی بهینهسازی متغیرهای کلیدی از جمله منابع کربن لیپیدی در فرآیند تولید لیپاز یک روش منطقی است، زیرا منبع کربن از مهمترین عامل مؤثر بر بیان و تولید لیپاز است (11 و 12).
کشت به روش خوراکدهی نیمه پیوسته به علت دارا بودن ترکیبی از ویژگیهای کشت بسته و کشت پیوسته به کار گرفته میشود. مزیت اصلی کشت به روش خوراکدهی نیمه پیوسته، امکانپذیر بودن کنترل نرخ واکنش و واکنشهای متابولیک با استفاده از نرخ خوراکدهی است (13).
حداکثر تولید لیپاز در مخمر Y. lipolytica نزدیک مرحله سکون منحنی رشد انجام میشود و برای این مخمر حدود 48 ساعت پس از تلقیح است (23 و 24). در نتیجه سه الگو مختلف خوراکدهی نیمه پیوسته با روغن زیتون در پژوهش حاضر به کار گرفته شد. برای الگو Fed1، پس از 24 ساعت، 5/0 درصد روغن زیتون به محیط کشت اضافه شد و پس از 48 ساعت، 5/0 درصد دیگر از روغن زیتون اضافه شد. برای الگو Fed2، تنها پس از 24 ساعت، یک درصد روغن زیتون به محیط کشت اضافه شد. برای الگو Fed3، تنها پس از 48 ساعت، یک درصد روغن زیتون به محیط کشت اضافه شد.
هر سه الگو خوراکدهی نیمه پیوسته میزان تولید تولید لیپاز را نسبت به کشت بسته افزایش داد که از بین آنها بهترین الگو، Fed3 بود. این الگو به تولید لیپاز با فعالیت برابر با 526 واحد در میلیلیتر پس از 120 ساعت منجر شد که ضریب بهرهوری حدود 38/4 واحد بر ساعت به دست آمد.
نتایج پژوهش حاضر نشان میدهد که الگوهای خوراکدهی نیمه پیوسته نسبت به کشت بسته میزان تولید تولید لیپاز را افزایش میدهد و بهترین استراتژی افزودن روغن زیتون به عنوان منبع کربن و سوبسترای القایی پس از 48 ساعت از زمان اولیه تلقیح مخمر
Y. lipolytica به محیط کشت است.