Rodzaj grzybów Penicillium czyli pędzlaki należy do typu Ascomycota czyli workowców, rzędu Eurotiales, (Aspergillales, kropidlakowców), rodziny Trichocomaceae. Penicillium (oprócz jednego gatunku Penicillium marneffei, który jest dimorficzny, czyli może rosnąć w formie nitek oraz komórek drożdżowych) są grzybami o morfologii nitkowatej. Nazwa Penicillium pochodzi z łaciny penicillus – gąszcz. Charakterystyczne są dla nich wyrastające pionowo strzępki grzybni rozwidlające się na końcach, tworzące gęstą strukturę podobną do pędzla. Są to konidiofory – strzępki, na których końcach znajdują się konidia czyli zarodniki (spory) . Konidia służą do rozmnażania bezpłciowego. Konidiofory mogą również nie rozgałęziać się - jest to cecha istotna dla identyfikacji gatunków kropidlaka. Wszystkie gatunki Penicillium są heterotroficzne.

Rys1. Makroskopowy obraz Penicillium sp.

http://student.britannica.com/comptons/art-6886/Penicillium-notatum-the-source-of-penicillin

Rys. Mikroskopowy obraz Penicillium sp. http://www.botany.utoronto.ca/ResearchLabs/MallochLab/Malloch/moulds/Penicillium.html

Różne gatunki Penicillium są grzybami powszechnie występującymi w glebie, rozkładającej się żywności, również w powietrzu. Pleśń powodująca psucie się owoców to także Penicillium. Znaleźć je można też na zawilgoconych ścianach, tapecie oraz farbie. Najbardziej powszechnymi pędzlakami są gatunki Penicillium chrysogenum, Penicillium citrinum, Penicillium janthinellum, i Penicillium purpurogenum. Penicillium chrysogenum jest gatunkiem produkującym oksydazę glukozową, która chroni przed psuciem się owoców – używana jest ona często jako konserwant. Penicillium italicum i Penicillium digitatum są gatunkami napowszechniej atakującymi owoce cytrusowe, podczas gdy Penicillium expansum – jabłka. Gatunek Penicillium digitatum produkuje etylen (związek ten, jeden z hormonów roślinnych, przyspiesza dojrzewanie owoców). Grzyb pokrywając owoc zielonymi zarodnikami, powoduje jego wysuszenie. P. italicum wytwarza niebieskie zarodniki, jest on przyczyną powstawania śluzowatego nalotu na powierzchni owoców. Wszystkie te gatunki Penicillium znajdowane są często w lodówce, ponieważ występuje tam odpowiednia dla nich, dość niska temperatura. Niektóre gatunki zdolne są do produkowania toksyn – mikotoksyn. Przykładem może być Penicillium expansum, produkujący patulinę (klawiformina, kawatyna), która jest związkiem rakotwórczym i teratogennym. Inne niebezpieczne mikotoksyny produkowane są m.in. przez Penicillium verrucosum oraz viridicatum. Są to ochratoksyny – związki silnie karcenogenne, znajdywane w niewłaściwie przechowywanych produktach spożywczych, takich jak: kawa, zboże, winogrona i wieprzowina.

Rys. Penicillium italicum i Penicillium digitatum http://www.pbs.org/wgbh/nova/julian/natu-nf.html

Niektóre gatunki wykorzystuje się do produkcji kiełbas typu salami. Skórka kiełbasy pokryta jest pleśnią gatunków P. nalgiovense, P. chrysogenum, przez co uzyskuje charakterystyczny smak. Pleśnie rozkładają nadmiar wytwarzanego w czasie dojrzewania salami kwasu mlekowego oraz zapobiegają wyrastaniu niepożądanych gatunków grzybów. Pędzlaki mogą spowodować infekcję u ludzi (penicilioza), jednakże częściej występują one u ludzi z niedoborami odporności niż u zdrowych. Infekcja Penicillium może spowodować zapalenie rogówki, zapalenie ucha, zapalenie płuc, martwicze zapalenie błony śluzowej przełyku, zapalenia układu moczowego. Niezwykłym gatunkiem tego rodzaju grzybów jest Penicillium marneffei. Jest bardzo rzadkim gatunkiem, występuje endemicznie w południowo – wschodniej Azji. Atakuje gryzonie - szczury bambusowe, które są rezerwuarem tego grzyba, przyczyniają się do jego rozprzestrzeniania i powodują infekcje ludzi. W szczególności na narażeni są ludzie z niedoborami odporności: chorzy na AIDS, zażywający środki immunosupresyjne lub ze złośliwymi schorzeniami układu krwionośnego. Schorzenie to nosi nazwę penicilliosis marneffei, zakażenie następuje poprzez wdychanie zarodników. Skutkiem są infekcje układu oddechowego, układu limfatycznego, wątroby, śledziony, często również kości, powstają guzki i grudki na skórze twarzy. Choroba ma przebieg śmiertelny.

Rys. Penicillium marneffei http://timm.main.teikyo-u.ac.jp/gazou.html http://fungalgenomes.org/blog/tag/euriotiomycetes/

Rys. Szczur bambusowy http://animaldiversity.ummz.umich.edu/site/resources/mzm2/23.mr2.jpg/view.html

Szczególnie ważnym gatunkiem pędzlaka jest Penicillium chrysogenum, często obecny na pożywieniu, w pomieszczeniach zamkniętych. Izolowane są z niego antybiotyki β-laktamowe (używane przeciwko bakteriom Gram dodatnim) np. penicylina oraz ksantocylina. W przemyśle gatunek ten wykorzystywany jest także do produkcji enzymów np. β-galaktozydazy.

Rys.Penicillium chrysogenum http://botit.botany.wisc.edu/toms_fungi/nov2003.html

http://www.idealcheese.com/images/Christmas2004/Cheese-of-the-Month250w.jpg

W serowarstwie spotykamy różne odmiany pleśni Penicillium — szlachetne i pożyteczne, obojętne, a nawet szkodliwe. Odmiany pożyteczne i szlachetne:

• Penicillium roqueforti – znana i ceniona już w starożytnym Rzymie. Jej zielononiebieskie zarodniki nadają charakterystyczną barwę serom typu blue. Warunkuje dojrzewanie serów takich jak a Roquefort, Gorgonzola czy Stilton. Pleśń tą zaszczepia się do wnętrza masy serowej, po czym stopniowo przerasta ser. Rozkłada białko i rozszczepia tłuszcz nadając serom charakterystyczną ostrą woń i smak. W naturze występuje w glebie i na gnijących szczątkach organicznych.
• Penicillium glaucum (pędzlak zielony)- obok odmian pospolitych szlachetna odmiana wykorzystywana jest przy produkcji włoskiej Gorgonzoli. Odmiana dzika jest szkodlliwa.
• Penicillium camembertii – występuje na pleśniowych serach francuskich (Camembert, Brie). Pod jedną nazwę kryje się:
• Penicillium album – biała pleśń, której zarodniki na kwaśnym podłożu przybierają kolor zielononiebieski; ma miłą, delikatna woń.
• Penicillium candidum – pleśń biała, nie zmienia koloru podczas owocowania; jej obecność powoduje żółknięcie serów. Ma charakterystyczny zapach pieczarek, występuje na również na serach takich jak Bondon i normandzki Neufchâtel.

Smakosze twierdzą, iż sery zawierające oba szczepy są smaczniejsze.

Odmiany szkodliwe: Penicillium brevicaule (Scopulariopsis brevicaulis) – ma szarobrunatną / czarną barwę i występuje na dojrzałych, miękkich serach o pH zasadowym (środowiska kwaśnego nie toleruje). Wydziela lipazy odpowiedzialne za rozkładanie tłuszczu i jełczenie sera. U ludzi wywołuje grzybicę paznokci. Penicillium brunneoviolaceum ( Pedzlak czerwonofiołkowy) - przyjmuje kolory od brunatnej zieleni do szarofiołkowego. Rozwija się głównie na serach typu Brie i Camembert, jednak w nadmiernie wilgotnych dojrzewalniach uszkadza także sery twarde. Kwas mlekowy hamuje jej rozwój. Penicillium commune – zielona, brunatnieje z czasem. Pleśń ta produkuje jeden z najsilniej pachnących związków chemicznych , tj. 2-metyloizoborneol. Wystarczy kilka mikrogramów metyloizoborneolu, by 40-50 tys. m3 powietrza miało intensywny, ostry odór. Penicillium casei – wywołuje czerwone plamy na bokach kręgowych twardych serów, które z czasem brunatnieją i wnikają w głąb. Do zakażenia najczęściej dochodzi podczas zmywania serów, gdy w użyciu są niedostatecznie wyprane mytki. U ludzi wywołuje nadwrażliwość zwaną „płucem serowara”.

Słynny na cały świat francuski przemysł serowarski rozkwitł dzięki trudnym do odtworzenia w innych rejonach świata wilgotnym warunkom klimatycznym, sprzyjającym rozwojowi szlachetnych pleśni Penicillium (i Oidium). Kluczem do sukcesu są wilgotne, francuskie jaskinie, w których od wieków dojrzewały sery.

Dojrzewanie serów w jasknini w Owernii, historycznej prowincji francuskiej.

http://web.uconn.edu/mcbstaff/benson/BensonHome/CheeseCaveCV.jpg

Wśród serów miękkiech znajdziemy najłagodniejsze sery pleśniowe http://www.zanyzeus.co.nz/images/Photos/wine_and_cheese.jpg

CAMEMBERT

Camembert jest miękkim serem pleśniowym należącym do serów podpuszczkowych. Na procesy warunkujące jego dojrzewanie (prócz standardowych bakterii kwasu mlekowego tworzących zakwas) wpływają 3 gatunki mikroorganizmów żyjących na powierzchni serów: 2 pleśnie - Penicillium camemberti i Oidium camemberti oraz zespół bakterii czerwieni Brevibacterium linens. W pierwszej kolejności Penicillium lekko zakwasza ser (fermentacja kwasu mlekowego) i nadaje mu lekki aromat pieczarek. Odmiany silnie zakwaszające mogą zaburzyć cały proces produkcji. Po rozłożeniu kwasu mlekowego wszystkie 3 gatunki biorą się za rozkładanie białek masy serowej do amoniaku (alkalizacja środowiska), a kluczowe dla procesu bakterie wytwarzają przy tym charakterystyczną czerwień zwaną rouge ( lecz tylko w przypadku obecności Oidiów).

Camembert – ser miękki o białej skórce utworzonej z pleśni Penicillium http://www.asadoargentina.com/wp-images/camembert.jpg

Utrzymanie zharmonizowanej równowagi między mikroorganizmami jest nie lada wyzwaniem i może uniemożliwiać produkcję tego sera w warunkach domowych. Istotne są tu takie parametry jak ociekanie serów, solenie, dobór kwasowości i temperatury, różne w różnych okresach dojrzewania. Na słabo solonych serach (ok. 1%) przeważają bakterie czerwieni – smak takich serów jest mdły. Z kolei w przypadku nadmiernego zasolenia rozrasta się Penicillium i tworzy gruby kożuch na powierzchni sera. Penicillium nie rozwinie się za to na serze zalkalizowanym (lub zbyt kwaśnym), co skutkuje rozpłynnieniem sera i utratą kształtu.

By pleśń pokryła ser równomiernie i utworzyła charakterystyczną białą skórkę ser należy odwracać. Ser Camembert odwraca się tylko raz. Sygnałem, iż nasz ser już dojrzał jest czerwień w miejscach, gdzie ser dotykał prętów plecionek. Wtedy z suszarni przenoszony jest do chłodniejszego pomieszczenia, gdzie kosztem zanikającej pleśni rozwijają się bakterie czerwieni.

BRIE

Ser Brie jest jednym z najstarszych i najbardziej rozpowszechnionych miękkich serów francuskich. W porównaniu z Camembertem Brie jest bardziej soczysty, miększy, delikatniejszy. Kształt jego, choć większy, jest bardziej płaski.

Płaski kształt sera Brie to główna cecha pozwalająca odróżnić go od Camemberta

http://www.french-cheese.com/images/fromage-brie.jpg

Sery typu Bleu – owoce francuskich jaskiń i działalności Penicillium roquefortii

http://www.fromages-aoc-auvergne.com/IMG/jpg/bleu.jpg

ROQUEFORT (Francja)

Ser Roquefort zawdzięcza swoją nazwę małej wiosce we Francji zbudowanej na stokach płaskowyża Larzac. W miejscu tym występują słynne naturalne jaskinie, w których od wieków dojrzewają sery. Wilgotność jaskiń dodatkowo zapewnia obecność zbiorników wodnych w pobliżu. Jeszcze 60 lat temu sery typu bleu wyrabiano sposobem domowym, gdzie niebieski pleśniak chłodną porą roku zasiewał się samoczynnie w serowniach i piwnicach. Zasiew Penicillium roquefortii otrzymywano także poprzez pleśnienie chlebów. W tym celu miesza się mąkę pszenną z żytnią w stosunku 2:1, dodaje wody i litr octu wonnego na worek mąki. Z wyrobionego ciasta wypiekane są małe chleby. Te, których skórka nie popękała wynosi się do ciemnej piwnicy, w której znajdują się już pleśniejące chleby z poprzednich wyrobów. Optymalne warunki do rozwoju pleśni to temperatura 12°C i wilgotność 85%. Gdy po ok. półtorej miesiąca pleśń przeniknie cały bochenek, skórkę chleba odkrawa się i wyrzuca, a jego niebieski (od pleśni) środek kraje się na kawałki i suszy w 30°C. Po wysuszeniu chleb jest mielony i przesiewany przez gęste sito. Wadą otrzymanego w ten sposób zasiewu jest obecność dzikich pleśni, takich jak Aspergillus czy Mucor. Obecnie, z racji masowej produkcji prowadzonej bez względu na porę roku, zasiew otrzymuje się sztucznie. Miejscowi rolnicy z Roquefort dostarczają serowniom mleko, a przemysłowcy sproszkowany zasiew Penicillium. Zasiew pleśniaka zaszczepia się do środka masy serowej, a żeby ułatwić jego rozwój w serze drąży się kanaliki doprowadzające powietrze. Niska temperatura naturalnych piwnic skalnych, sztucznych dojrzewalni serów hamuje rozwój pleśni innych niż Penicillium roqueforti, jednak ich ewentualne wystąpienie można wykryć obserwując kolor porostów na serze. Prawidłowa pleśń jest niebieska, kolor czerwony czy żółty jest niewskazany i pleśnie takie usuwa się przeprowadzając revirage – zeskrobywanie mazi. Zeskrobana maź nazywana jest reverun lub rebelun i sprzedawana tanio na karmę dla świń. Obecna ustawa nakazuje używanie do produkcji serów Roquefort wyłącznie mleka owczego. Ser wyrabiany z mleka krowiego zwany jest fromage bleu, a polski odpowiednik Roqueforta to ser Rokpol.

GORGONZOLA (Włochy)

Gorgonzola, włoski ser z mleka krowiego, różni się od Roqueforta składem masy serowej. Wyrabia się ją z dwóch mas serowych – jedna pochodzi z doju wieczornego (jest zimna, ocieknięta i sucha), a druga z doju porannego (ciepła, wodnista). Stąd też wewnątrz sera znajdziemy się fragmenty mocniej i luźniej związane, przez które łatwiej przenika pleśń. Jeżeli na serze zauważymy czarny nalot (powstający na wskutek nadmiernej wilgoci) należy go szybko usunąć, gdyż jest szkodliwy. Stary ser Gorgonzola szczególnie często atakują roztocza, przed którymi chroni się smarując sery mieszniną łoju, masła, soli i pieprzu. Dla przyspieszenia rozwoju Penicillium bardzo ważne jest nakłuwanie sera – dokonują tego nakłuwaczki mechaniczne (piqueuse) – jedna maszyna nakłuwa 10-12 serów w ciągu minuty.

Gorgonzola – duma Włochów http://www.diwinetaste.com/html/dwt200603/images/Gorgonzola.jpg

Penicillium warunkuje także dojrzewanie serów twarogowych, np. sera szarego tyrolskiego.

SER MIĘKKI – BRIE, CAMEMBERT

Przepis ten wymaga zakupu kultur starterowych – można je nabyć np. w firmie Rhodia Food Biolacta w Olsztynie, będącej przedstawicielem przedstawiciele koncernu mikrobiologicznego Christian Hansen. Sporządzona 4-litrowa porcja wystarcza na dwa sery o średnicy ok. 10cm i grubości 3 cm. Przygotowanie: Do 4 litrów mleka homogenizowanego dodać ½ łyżeczki chlorku wapnia i podgrzać do ok. 35°C. Następnie wsypać 1/8 łyżeczki kultury mezofilnej (np. Flora Danica Normal), 1/8 łyżeczki P.camemberti, 1/8 łyżeczki O.camemberti i wlać kroplę B.linens. Pozostawić w cieple na 1h. Dodać 1/8 łyżeczki sproszkowanej podpuszczki, pozostawić na 2h. Uzyskaną zatężoną masę serową delikatnie pociąć i zanurzyć w 2 perforowanych formach (wysokich na 20cm i o przekątnej 10 cm) i przykryć talerzykiem. Co kilka godzin przewracać masę serową i zmieniać talerzyk na czysty. Z czasem nasza masa serowa skurczy się do grubości ok. 5 cm. Dzień później masa powinna ślizgać się swobodnie w formie, a wyjęciu z foremki utrzymywać swój kształt. Na talerzyk wysypać ¼ szklanki soli na talerzyk i obtoczyć w niej ser. Nadmiar soli strzepać, a ser położyć na sitku. Na tym etapie ser jest bardzo delikatny, należy więc obchodzić się z nim bardzo ostrożnie. Obtaczanie w soli powtarzać co kilka godzin, aż cała sól zostanie wchłonięta przez ser. Ser umieścić na sitku w uchylonym, plastikowym pojemniku. Całość przenieść do chłodnego miejsca (np. piwnicy) – najlepiej o temperaturze 12°C i wilgotności 85%. Po tygodniu na powierzchni naszego sera pojawi się pleśń, a po 10 dniach będzie on przypominał biały, włochaty krążek hokejowy. Wtedy też owińmy go folią i pozostawmy w lodówce na 20 dni. Od tej pory z czasem, jak ser dojrzewa, możemy go kosztować i sami decydować, w którym momencie nadaje się do spożycia. Nie możemy go jednak przechowywać dłużej niż 60 dni, gdyż po tym czasie będzie on przypominał twardą muszlę z zupą w środku.

SER TYPU BLEU

Ser ten jest o wiele prostszy w otrzymaniu niż sery miękkie i nie wymaga zakupu kultur starterowych – wystarczy zebrać pleśń z ulubionego przez nas sera (Roquefort, Gorgonzola, Rokpol) i dodać do masy serowej. Przygotowanie: W celu stworzenia inoculum 1 łyżeczkę pleśni z sera bleu zmiksować z ¼ szklanki zimnej, czystej wody. 1,5kg tłustego twarogu krowiego rozdrobnić na grudki, które posolić 2 łyżeczkami soli a następnie zalać zawiesiną pleśni. Po równomiernym rozprowadzeniu zawiesiny masę serową pozostawić w prasie serowej na noc do ocieknięcia. Grudki nie należy za mocno ściskać, powinno pozostać między nimi powietrze. Rankiem usunąć ser z prasy i porobić w nim dziurki wysterylizowanym (wygotowanym/zanurzonym w spirytusie) prętem. Pręt wbijać na głębokość ok 6mm co 2,5cm. W powierzchnię sera wetrzeć sól, i zawinąć go w wygotowaną, suchą szmatkę. Całość umieścić na nierdzewiejącym statywie i odstawić w chłodne miejsce (np. do piwnicy). Wilgotność powietrza możemy zwiększyć ustawiając pod pudełkiem garnek z wodą. Ser należy codziennie obracać i wymieniać szmatkę. Po 7- 10 spód sera przyjmie kolor biały. Po 2 miesiącach rozrośnie się niebieska pleśń, aczkolwiek ser może dojrzewać dłużej.

Nakłuwanie sera

Dojrzewanie sera na statywie, pod spodem garnek z wodą

Ser gotowy do spożycia http://biology.clc.uc.edu/fankhauser/cheese/Blue_Cheese/Blue_Cheese.htm

Bibliografia

“Invasive Infection due to Penicillium Species other than P. marneffei” G. Lyratzopoulos1, M. Ellis, R. Nerringer, D. W. Denning

“Differential effects of citrus peel extracts on growth of Penicillium digitatum, Penicillium italicum, P. expansum” Richard D. Stange, Sharon L. Midland, James J. Sims

http://www.uoguelph.ca/~gbarron/MISCELLANEOUS/penicill.htm

http://home.pacbell.net/lpoli/page0002.htm

http://www.botany.utoronto.ca/ResearchLabs/MallochLab/Malloch/moulds/Penicillium.html

http://botit.botany.wisc.edu/toms_fungi/nov2003.html

http://www.doctorfungus.org/Thefungi/Penicillium.htm

http://www.emlab.com/app/fungi/Fungi.po?event=fungi&species=26&type=secondary

J.Licznerski - „Praktyczne Serowarstwo”; PWT; Warszawa 1951r.

http://biology.clc.uc.edu/fankhauser/cheese/Blue_Cheese/Blue_Cheese.htm

http://www.cheesemaking.com/includes/modules/jWallace/ChsPgs/1Brie/Index.html

http://schmidling.com/cres.htm#brie

http://www.ngp.pl/str/tekst791.html

http://www.mp.pl/artykuly/index.php?aid=15903&_tc=0B08DBBD045C49BDA210FC73CBDB8756

Archaea jest grupą jednokomórkowych mikroorganizmów należących do prokariontów. Początkowo została nazwana Archaebacteria, ale od 1977 roku zalicza się ją do jednej z trzech podstawowych, osobnych „domen” życia (obok Bacteria i Eukaryota). Posiadają one szereg unikalnych cech, odróżniających je zarówno od bakterii, jak i eukariotów, zwłaszcza dotyczących budowy lipidów błony komórkowej (reszty acylowe o strukturze izoprenoidowej, przyłączone wiązaniami eterowymi w pozycji sn-2 i sn-3 do glicerolu). Pierwotnie Archaea opisywano jako organizmy zamieszkujące środowiska ekstremalne, takie jak wody gorące, wody silnie zakwaszone lub silnie alkaliczne, solanki, stężone roztwory innych minerałów (szczególnie znane są z występowania w gejzerach i w kominach hydrotermalnych, na dnie oceanów), jednak okazało się, że występują we wszystkich habitatach i mogą stanowić do 20 % całkowitej biomasy na powierzchni Ziemi. Niektóre znajduje się nawet w przewodach pokarmowych różnych zwierząt, w tym człowieka. Z punktu widzenia fizjologii mogą być aerobami, fakultatywnymi lub ścisłymi anaerobami. Niektóre są mezofilami, inne hipertermofilami (mogą żyć w temperaturze powyżej 100°C). Ze względu na sposób odżywiania zajmują szerokie spektrum od chemolitoautotrofów po organotrofy. Ze względu na właściwości fizjologicznie, organizmy te dzieli się zwyczajowo na trzy grupy:

• halofile
• termofile
• acidofile

Wiele z nich, jak wcześniej wspomniano, zamieszkuje środowiska ekstremalne, nie tylko tolerując, ale przede wszystkim wymagając do optymalnego wzrostu warunków, które mogłyby wydawać się zbyt trudne, by rozwinęło się w nich życie. Mechanizmy przystosowawcze umożliwiające przeżycie w bardzo wysokiej temperaturze, zasoleniu, zakwaszeniu czy alkalizacji okazały się niezwykle cenne z punktu widzenia biotechnologicznego zastosowania tych organizmów oraz wytwarzanych przez nie enzymów i metabolitów. Ogólnie zastosowanie archaea w przemyśle (biotechnologicznym) można podzielić na trzy obszary:

1. Wykorzystanie biomasy mikroorganizmów
2. Wykorzystanie enzymów
3. Wykorzystanie metabolitów

Mimo przeprowadzania niezwykle cennych procesów metabolicznych czy biosyntezy enzymów o poszukiwanych cechach istnieje szereg przeszkód uniemożliwiających w większości przypadków masowe zastosowanie organizmów należących do Archaea. Do głównych należą:

• dostępność mikoorganizmów żyjących w ekstremalnych środowiskach
• trudności w prowadzeniu hodowli np. parowanie pożywki w przypadku hypertermofilnych Archaea, narażenie bioreaktorów na intensywne procesy korozji i związana z tym potrzeba użycia specjalnych materiałów w przypadku organizmów alkalofilnych, acydofilnych i przede wszystkim halofilnych
• ekspresja enzymów na poziomie wystarczającym do oczyszczenia i opisywania na skalę laboratoryjną, ale zbyt niska dla celów przemysłowych

Przeszkody te są wciąż na tyle istotne, że większości wypadków będą tu opisane potencjalne zastosowania. Niemniej, niektóre mikroorganizmy z powodzeniem stosuje się już w biotechnologii i przemyśle, a coraz szersze wykorzystanie wydaje się być tylko kwestią czasu.

1. Wykorzystanie biomasy mikroorganizmów.

Metanogeny są taksonomicznie i filogenetycznie zróżnicowaną grupą, które uzyskuje energie potrzebną do przeprowadzania procesów metabolicznych z reakcji prowadzących do powstania metanu. Wykorzystują jedynie niewielką ilość substratów, wodór cząsteczkowy lub związki jednowęglowe. Taka specjalizacja powoduje, że są one zależne od innych mikroorganizmów, które dostarczają im substancji niezbędnych do wzrostu w warunkach beztlenowych. Ze względu na przeprowadzane reakcje metaboliczne znalazły one zastosowanie w procesach oczyszczania ścieków oraz przetwarzania odpadów rolniczych, komunalnych i przemysłowych. Dzięki wytwarzaniu metanu stosuje się je dodatkowo w celach produkcji biogazu. Przykładem systemu biotechnologicznego wykorzystującego potencjał metanogennych archaea jest właśnie rozkład organicznej frakcji odpadów komunalnych połączony ze zbieraniem wydzielającego się metanu, który może służyć jako wspomniany biogaz. Dzięki takim proces będzie możliwe odzyskanie części energii zmagazynowanej w materiałach nieprzydatnych z punktu widzenia wykorzystania przemysłowego. Kolejnym potencjalnym zastosowaniem biomasy mikroorganizmów należących do archaea jest ekstrakcja metali z rud. Niektórzy przedstawiciele tej domeny np. Sulfolobus metalicus, potrafią wytrzymać stężenie miedzi dochodzące do 40g/l.

2. Wykorzystanie enzymów

Naturalne i zmodyfikowane enzymy produkowane przez organizmy należące do archaea również mają potencjalne, ogromne zastosowanie w przemyśle. Dotyczy to nie tylko ich bezpośredniego wykorzystania w procesach produkcyjnych, ale również zdobywania nowych informacji na temat sekwencji i struktury przestrzennej tych białek, szczególnie syntetyzowanych przez organizmy „ekstremofilne”. Informacje te pozwolą na taką modyfikację konwencjonalnie używanych biokatalizatorów, by ich nowe właściwości pozwalały na efektywniejsze wykorzystanie w trudnych warunkach produkcyjnych, takich jak podwyższona temperatura czy obecność rozpuszczalników organicznych.

Dużym zainteresowaniem cieszą się enzymy zaangażowane w metabolizm węglowodanów, szczególnie należące do rodziny hydrolaz glikozylowych. Gałęzie przemysłu, w których przetwarza się skrobię na bardziej wartościowe produkty, takie jak dekstrany, glukozę, fruktozę czy trehalozę mogą w znacznym stopniu skorzystać na wprowadzeniu do procesów produkcyjnych termostabilnych enzymów wyizolowanych z hipertermofilnych archaea. Ze względu na swoją złożoną strukturę, skrobia musi być rozkładana przez szereg białek o różnej aktywności (α-amylazę, β-amylazę, glukoamylazę, α-glukozydazę, pullulonazy). Ponieważ nie są powszechnie dostępne termostabilne biokatalizatory, działające w temperaturze powyżej 100oC i w kwaśnym pH, biokonwersja tego polimeru do glukozy i fruktozy jest prowadzona w wielostopniowej procedurze ze zmieniającymi się warunkami, której dodatkowo towarzyszy niepożądane nagromadzanie dużej ilości soli. W procesach tych stosuje się podwyższoną temperaturę do upłynniania skrobi, która dzięki temu staje się bardziej podatna na hydrolizę. W związku z tym, wykorzystanie na masową skalę termostabilnych enzymów rozkładających skrobię, zachowujących aktywność w wysokich temperaturach i niskim pH pozwoli znacznie ulepszyć proces przetwarzania tego polimeru. Jednym z takich białek jest α-amylaza opisana u Pyrococcus woesei (optimum w 100°C), Pyrococcus furiosus (optimum w 100°C ) i Thermococcus profundus (optimum w 80°C). Aktywność amylolityczną zaobserwowano również w innych archaea należących do Sulfolobus, Delsulfurococcus, Thermococcus i Staphylothermus. Szczególnym zainteresowaniem cieszy się enzym produkowany i wydzielany przez P.furiosus ze względu na wysoką termostabilność (działa nawet w temp. 130°C) w nieobecności jonów metali, pożądane produkty biokatalizy oraz specyficzność substratową. Gen kodujący to białko został sklonowany i wprowadzony do Bacillus subtilis i E. coli, w których uzyskano jego ekspresję (jest to jeden ze sposobów pokonywania problemów związanych z dostępnością archaea oraz zbyt niską produkcją poszukiwanych składników komórkowych). Przemysłowe zastosowanie może również znaleźć zewnątrzkomórkowa α-amylaza wytwarzana przez haloalkalofilne organizmy należące do Natronococcus sp. Enzym ten hydrolizuje rozpuszczalną skrobię, amylozę, amylopektynę i glikogen, głównie do maltotriozy i wykazuje maksymalną aktywność w 55°C, pH 8,7 i 2,5 M NaCl. Równie duże znaczenie dla przetwórstwa skrobi mogą mieć termostabilne i termoaktywne pullulanazy. Znaleziono je m.in. w następujących organizmach należących do archaea: Thermococcus celer, Desulfurococcus mucosus, Staphylothermus marinus i Thermococcus aggregans, Pyrococcus furiosus, Thermococcus litoralis, Thermococcus hydrothermalis. Ich optima temperaturowe sięgają zakresu 90 – 105°C, w których wykazują wyjątkową stabilność nawet w przypadku nieobecności substratu i jonów wapnia. Opisane do tej pory u archaea enzymy należą do drugiego typu pullulanaz, tzn. atakują wiązania α-1,6 glikozydowe, wytwarzając maltotriozę lub wiązania α-1,4 glikozydowe wytwarzając panozę i izopanozę i mogą znacznie ułatwić proces biokonwersji skrobi.

Następnym biopolimerem przetwarzanym z wykorzystaniem biokatalizatorów jest celuloza. Jej rozkład do glukozy można przeprowadzić dzięki enzymom o trzech aktywnościach: endoglukanazy, egzoglukanazy i β-glukozydazy. Dwie ostatnie zostały zidentyfikowane w mikroorganizmach należących do gatunków Sulfolobales oraz w Pyrococcus furiosus. Występujące w nich enzymy oczyszczono i sklonowano. β-glukozydaza z P.furiosus wykazuje optymalną aktywność w temp. 102 – 105°C, z czasem półtrwania 3,5 dnia w temp. 110°C, natomiast β-glukozydaza z Sulfolobus solfataricus MT4 jest bardzo odporna na różne czynniki denaturujące i zachowuje aktywność w temp. 85ŻC. W 1996 r. D’Auria et. al. skonstruował pracujący w systemie ciągłym bioreaktor do hydrolizy celobiozy, w którym wykorzystał ostatni z wymienionych enzymów poddany ekspresji w Saccharomyces cervisiae i immobilizowany, uzyskując wysoką wydajność i stabilność operacyjną. Oprócz β-glukozydaz, również β-endoglukanaza z P.furiosus oraz cellulaza CelS z S. sulfataricus mają perspektywę wykorzystania na masową skalę. Razem z enzymami degradującymi ksylany, bardzo powszechnie występujące hemicelulozy, mogą znaleźć zastosowanie w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, papierniczym oraz przetwórstwa odpadów. Komercyjne zainteresowanie ksylanaz jest dodatkowo związane możliwością wykorzystania ich jako czynników poprawiających jakość i wydajność w przemyśle spożywczym oraz przy produkcji pasz. Termostabilne enzymy o takiej aktywności również wyizolowano z mikroorganizmów należących do archaea. Białko pochodzące z Thermococcus zilligii przeprowadzało reakcję katalityczną w temperaturze dochodzącej do 100°C, natomiast enzym znaleziony w Pyridictum abyssi charakteryzował się optimum temperaturowym dla 110°C.

Kolejnym możliwym zastosowaniem enzymów syntetyzowanych przez hipertermifilne archaea jest produkcja trehalozy. Traheloza jest to α,D-glukopiranozylo-(1→1)-α,D-glukopiraznozyd, czyli disacharyd zbudowany z dwóch cząsteczek glukozy, który, jak wykazano, stabilizuje enzymy, przeciwciała, hormony i składniki szczepionek. Poza tym ma szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym jako środek konserwujący oraz utrzymujący odpowiednią wilgotność. Obecnie związek ten jest wytwarzany w temperaturze 45°C w dwóch następujących po sobie etapach wykorzystujących dwa enzymy pochodzące z mezofilnych bakterii Arthrobacter sp. Zastosowanie termostabilnych białek w tym procesie wyeliminowałoby problemy związane z jego sterylnością oraz lepkością pożywki. Szlak biosyntezy trehalozy został odkryty u Archaea należących do Sulfolobales, a enzymy wchodzące w jego skład sklonowano i poddano ekspresji u E. coli. Co więcej, przy użyciu zrekombinowanych bakterii hodowanych w systemie ciągłym w odpowiednim bioreaktorze (plug flow bioreactor) uzyskano produkcję trehalozy z dekstranów w temp. 75°C z końcowa wydajnością sięgającą 90% (Di Lernia et. al. 2001).

Oprócz enzymów przetwarzających węglowodany, ogromnym zainteresowaniem cieszą się opisywane i izolowane z różnych archaea termostabilne proteazy. Biokatalizatory proteolityczne są produkowane na największą skalę spośród wszystkich enzymów. Są one głównie dodawane do masowo używanych środków czyszczących (w szczególności proszków do prania), w których muszą być odporne na wysoką temperaturę, obecność detergentów oraz alkaliczne pH. Właśnie dlatego białka produkowane przez hipertermifilne archaea mogą okazać się niezwykle wartościowe dla tego przemysłu. Termostabilna, serynowa proteaza opisana w szczepie SY Desulfurococcus posiada czas półtrawnia 4,3 h w 95°C. Enzym występujący w Staphylococcus marinus nie traci całkowicie aktywności nawet po 10 min. inkubacji w temp. 135°C. Podobne właściwości wykazuje zewnątrzkomórkowa proteaza z Thermococcus stetteri (czas półtrwania 2,5 h w 100oC), która dodatkowo jest wysoce oporne na chemiczne czynniki denaturujące – zachowuje 70% aktywności w obecności 1 % dodecylosiarczanu sodu. Do innych przedstawicieli archaea syntetyzujących termostabilne biokatalizatory tego typu należą: Pyrobaculum aerophilum, Pyrococcus furiosus, Sulfolobus solfataricus, Sulfolobus acidocaldarius. Dodatkowo zastosowanie w produkcji środków czyszczących oraz w przemyśle mleczarskim mogą znaleźć lipazy i esterazy syntetyzowane przez hipertermofilny mikroorganizmy Archaeoglobus fulgidus oraz Sulfolobus shibatae. Również hydrolazy i izomerazy z ekstremalnie halofilnych archaea mogą być wykorzystywane w niektórych reakcjach biotransformacji w produkcji dodatków do żywności.

Przykładem enzymów pochodzących z mikroorganizmów należących do archaea i mających szerokie zastosowanie w biotechnologii są również termostabilne polimerazy DNA, wykorzystywane w reakcji PCR. Posiadają one aktywność 3’-5’ egzonukleazy, dzięki czemu mogą przeprowadzać proces proof-reading, czyli sprawdzania poprawności wbudowywanych nukleotydów. Dzięki temu cechują się znacznie mniejszym stopniem wprowadzania błędów do nowosyntetyzowanej nici DNA. W powszechnym użyciu są polimerazy Pwo z Pyrococcus woesei, Pfu z Pyrococcus furiosus, Deep Vent ze szczepu GB-D Pyrococcus oraz Vent z Thermococcus litoralis. By poprawić ich właściwości stworzono również rekombinowaną polimerazę DNA KOD1 syntetyzowaną przez szczep KOD1 Pyrococcus. Posiada ona m.in. niski stopień wprowadzania błędnych nukleotydów oraz wysoką procesywność dzięki czemu uzyskuje się bardzo szybką i dokładną amplifikację DNA o sekwencjach dochodzących do 6 kb.

Na koniec należy zaznaczyć, że prowadzenie biotechnologicznych procesów przemysłowych w podwyższonej temperaturze ma szereg zalet. Wraz ze wzrostem temperatury rośnie rozpuszczalność związków organicznych, ich dostępność dla enzymów katalizujących biokonwersję oraz współczynnik dyfuzji, co w konsekwencji powoduje znaczny wzrost szybkości zachodzących w bioreaktorze reakcji. W warunkach tych maleje natomiast lepkość pożywki oraz możliwość kontaminacji układu produkcyjnego. Termostabilne i termoaktywne enzymy pozwalają więc w pełni wykorzystać udogodnienia jakie zapewnia wysoka temperatura w procesach przemysłowych.

3. Wykorzystanie metabolitów.

Niektóre metabolity wytwarzane przez archaea, takie jak białka, substancja osmotycznie czynne, egzopolisacharydy oraz lipidy mają (lub mogą mieć) szerokie zastosowanie. Szczególnie organizmy halofilne dostarczają związków, które budzą duże nadzieje na komercyjne wykorzystanie oraz związków, które takie wykorzystanie faktycznie znalazły. Niektóre halofilne szczepy syntetyzują bakteriorodopsynę i halorodopsynę, białka umożliwiające im konwersję energii świetlnej na energię chemiczną potrzebną do prowadzenia procesów metabolicznych. Termodynamiczna i fotochemiczna stabilność bakteriorodopsyny sprawiły, że ma ona szerokie zastosowanie w takich technologicznych dziedzinach, jak: holografia, produkcja sztucznej siatkówki czy konstrukcja pamięci optycznej. Białko to, izolowane z Halobacterium salinarum, jest obecnie produkowane w celach komercyjnych np. przez hiszpańską firmę COBEL oraz niemieckie Munich Innovative Biomaterials. Dodatkowo, bakteriorodopsyna może zostać wykorzystana do wytwarzania biochemicznej, odnawialnej energii w procesie przekształcania ADP do ATP. Urządzenie oparte na tym białku oraz syntazie ATP zostało już skonstruowane i opatentowane.

Halofilne organizmy są również źródłem substancji osmotycznie czynnych, utrzymujących odpowiednią równowagę wodną między komórką a otoczeniem. Ekotyna i jej pochodne są wykorzystywane jako środki utrzymujące wilgotność w kosmetykach. Podobne właściwości wykazuje opatentowany ekstrakt glikoprotein z Halobacterium halobium, który chroni komórki skóry przed szkodliwym działaniem zanieczyszczeń obecnych w środowisku oraz promieniowania UV. Bardzo duże zainteresowanie budzi też zastosowanie substancji osmotycznie czynnych jako stabilizatorów biocząsteczek, szczególnie w reakcji PCR. Wytwarzane przez halofilne archaea mannozoglicerol i fosforan diglicerolu, odkryte również u P. furiosus, P.woesei oraz Archaeoglobus fulgidus wykazują lepszy efekt stabilizacyjny na niektóre enzymy poddane działaniu wysokiej temperatury niż inne związku używane w tym celu.

Kolejnymi potencjalnie użytecznymi związkami pochodzącymi z archaea są ich lipidy. Pod względem budowy, topologii i funkcji w błonach komórkowych są w większości unikalne dla mikroorganizmów należących do tej domeny. Dzięki swoim właściwościom okazują się być bardzo dobrym materiałem do produkcji liposomów, nadającym im szczególną termostabilność i szczelność. Zarówno badania in vivo jak i in vitro wykazały, że archeosomy (liposomy zbudowane z lipidów archaea) są bezpieczne, a ich stabilność i profil dystrybucji tkankowej pozwoli na wykorzystanie tych struktur do transportu leków, genów lub czynników służących do obrazowania nowotworów. Przykładem opatentowanych związków w tej dziedzinie są etery lipidowe uzyskane z ekstremalnie halofilnej Halobacterium cutirubrum. Homogenne liposomy uzyskuje się również wykorzystując przeciskanie całkowitej frakcji polarnych lipidów eterowych przez pory o różnej wielkości. Tak uzyskane struktury są oporne na atak fosfolipaz i mogą być przechowywane w otwartych pojemnikach przez 60 dni. Składniki błon komórkowych archaea mogą także znaleźć zastosowanie przy produkcji urządzeń bioelektrycznych. Ich bipolarna, tetraeterowa budowa daje możliwość wykorzystania nowych oddziaływań białko-lipid, zwłaszcza w systemach opartych o białka i enzymy uczestniczące w reakcjach redoks. Osobną klasą związków produkowanych przez przedstawicieli archaea i mających potencjalne zastosowanie są antybiotyki, nazwane archaeocynami. Do tej pory scharakteryzowano tylko kilka z nich, jednak uważa się, że jest to bardzo liczna grupa substancji, występujących głównie w obrębie haloarchaea.

Bibliografia

Niehaus F., Bertoldo C., Kähler M., Antranikian G. 1999. Extremophiles as a source of novel enzymes for industrial application. Appl. Microbiol. Biotechnol. 51: 711-729

Schiraldi C., Giuliano M., De Rosa M. 2002. Perspectives on biotechnological applications of archaea. Archaea. 1, 75-86

http://en.wikipedia.org/wiki/Archaea

http://pl.wikipedia.org/wiki/Archeowce

http://www.patentstorm.us/patents/6849279-description.html