1

1. MİKROBİYAL FİZYOLOJİ-I

Fermente süt ürünleri ve alkollü içeçek üretimlerinin içeren geleneksel fermentasyon

işlemleri binlerce yıldır gerçekleştirilmektedir. Bu işlemlerin bilimsel yönleri ilk defa

150 yıldan daha az zaman önce çalışılmıştır. Endüstriyel mikrobiyolojinin ortaya

çıkışı çoğunlukla Pasteur’un çalışmalarıyla başlamıştır. 1673 Anton van

Leeuwenhoek mikroskop ile protozoa ve bakterileri keşfetmiştir. Protozoa ve

bakterilerin fermentasyonda rol oynayabileceğini açıklayan ilk bilim adamıdır. 1856

yılında Louis Pasteur mikroorganizmaların fermentasyondan sorumlu olduklarını

kesin bir şekilde tanımlamıştır. Pasteur’un yayınları, Etudes sur le Vin (1866), Etudes

sur la Biere (1876) ve diğer bilim insanları endüstriyel fermentasyon işlemlerinin

gelişmesi için önemli katkılar sağlamışlardır. Hansen tarafından izole edilen ve

Carlsberg Mayası No:1 (Saccharomyces cerevisiae) olarak adlandırılan bir maya

kullanılmasıyla saf suşla bira üretimi ilk defa 1883 yılında çalışılmıştır. 20. yüzyılın

başlarında, bu alanda daha fazla ilerleme nispeten yavaştı. Yüzyılın başlarında,

kanalizasyonun büyük ölçekli arıtımında, kentsel topluluklarda halk sağlığının önemli

ölçüde iyileştirilmesini sağlayan büyük ilerlemeler olmuştur. Bununla birlikte,

tanıtılacak ilk yeni endüstriyel ölçekli fermantasyon işlemi, Weizmann (1913-15)

tarafından Clostridium acetobutylicum bakterisi kullanılarak geliştirilen aseton-butanol

fermantasyonuydu. 1920'lerin başlarında, lifli bir mantar (küf), Aspergillus niger

kullanarak, sitrik asit üretimi için endüstriyel bir fermantasyon işlemi de başlatıldı.

Fermentasyon teknolojisindeki diğer yenilikler 1940’lı yıllarda 2. Dünya Savaşı

sırasında penisiline duyulan hayati ihtiyaç sebebiyle bu antibiyotiği üretmek için

gösterilen çabalar sayesinde büyük ölçüde hız kazanmıştır. Üretim, sadece küçük

ölçekli yüzey kültür yönteminden büyük ölçekli sıvı kültür fermentasyonuna hızlı bir

şekilde ilerlememiş, bunun yanında hem besiyeri hem de mikrobiyal suşun

gelişmesinde büyük ilerlemelere yol açmıştır. Kazanılan bilgiler çok sayıdaki diğer

fermentasyon endüstrisilerinin başarılı gelişmesi üzerine büyük etkilere sahiptir.

2

Milstein ve Kohler’in 1970’lerin başlarında öncülük etmesiyle gerçekleşen son

yıllardaki ilerlemeler, analitik amaçlı, hastalık tanısında, tedavi etmede ve saflaştırma

çalışmaları için monoklonal antikorların üretilebilmelerini içermektedir. Bununla

birlikte büyük gelişmelerin çoğu son 20 yıldan bu yana genetik mühendisliğinde

büyük çaptaki gelişmeleri takiben gerçekleşmiştir. Bu teknoloji, genlerin bir

organizmadan diğerine aktarılmasına ve suş geliştirilmesi üzerine yeni yaklaşımlara

imkan sağlamaktadır.

Mikroorganizmaların kullanıldığı önemli alanlar; hücre kütle gelişimi, gelişim

hızı, birçok durumdaki atık ucuz substrat kaynaklarını kullanabilme kolaylığı, çok

çeşitlilikte ürün üretebilme potansiyeline sahip olmaları nedeniyle faydalı olarak kabul

edilmişlerdir. Ayrıca, bu canlıların çok hızlı bir şekilde genetik değişiklik geçirme

yetenekleri fermentasyon endüstrilerinde yeni ürün ve hizmetler için hemen hemen

sınırsız imkanları ortaya çıkarmıştır. Genel anlamdaki bir üretim, fermentasyon

öncesi işlemler (upstream, FÖİ) ile fermentasyon sonrası işlem (downstream, FSİ)

aşamalarını içermektedir. Fermentasyon öncesi işlemler, fermentasyonunu içeren ve

buna sebep olan tüm faktörler ile ilişkili olup üç temel alandan meydana gelmektedir.

3

Şekil 1. Fermentasyon işlemlerinin özeti

A) Üretici Mikroorganizmalar

Önemli faktörler: başlangıç olarak uygun endüstriyel mikroorganizmaların sağlanması

amacıyla doğru strateji, verimlilik ve verim değerlerinin artırılması için suş

geliştirilmesi, suş saflığının muhafazası, güvenilir bir inokülasyonunun hazırlanması,

işlemin ekonomik etkinliğinin iyileştirilmesi. Örnek olarak, hedef bileşiği gereğinden

fazla üreten stabil mutant suşların üretimi verilebilir. Bazı mikrobiyal ürünler, aktif

gelişme boyunca üretilen aminoasitler, organik asitler, vitaminler, alkol ve aseton gibi

endüstriyel solventler gibi birincil metabolitlerdir. Bununla beraber, en önemli

endüstriyel ürünlerin çoğu gelişme için esansiyel olmayan alkaloidler ve antibiyotikler

gibi ikincil metabolitlerden oluşmaktadır. Bu bileşikler mikrobiyal biyokütler üretiminin

en üst seviyeye ulaşmasında sonra (idiofaz) kesikli kültürün durağan fazında

üretilirler.

B) Fermentasyon Sonucu

Besiyeri ortamının optimizasyonu, verimin ve faydanın en yüksek seviyede

sağlanması için proses geliştirilmesiyle birlikte, uygun maliyetli karbon ve enerji

kaynaklarının ve diğer temel besleyici maddelerin seçimi hayati önem taşımaktadır.

Birçok durumda endüstriyel besiyeri ortamının temelini özellikle şeker işleme atıkları,

lignoselülozik atıklar, peyniraltı suyu ve mısır maserasyon sıvısı gibi diğer endüstriyel

işlemlerin atık ürünleri oluşturmaktadır.

4

C. Fermentasyon İşlemi

Endüstriyel mikroorganizmaalar, organizmanın gelişmesi veya hedef bir mikrobiyal

ürünün üretim şartlarının optimize edilmesi amacıyla genellikle titiz bir şekilde

kontrollü şartlarda gelişime bırakılır. Mikrobiyal metabolitlerin sentezi çoğu zaman

çok sıkı olarak mikrobiyal hücre tarafından regüle edilir. Sonuç olarak yüksek verim

eldesi amacıyla, özellikle baskılama (repression) ve geri besleme inhibisyonu

(feedback) gibi düzenleyici mekanizmaları tetikleyen çevre şartlarından

kaçınılmalıdır. Fermentasyonlar genellikle birkaç bin litre kapasiteli büyük

fermentörlerde gerçekleştirilir. Fermentasyon işleminin şekli (kesikli, kesikli-besleme

veya sürekli sistem), gerekli ise havalandırma ve karıştırma yöntemi ve ölçek

büyütme işlemleri için uygulanan yaklaşımların fermentasyon performansı üzerine

büyük etkileri vardır.

Geleneksel fermentasyon sonrası işlemler (FSİ), fermentasyonun devamındaki

tüm temel basamakları içermektedir. Bunlar arasında; hücre hasatlama, hücre

parçalanması, hücre ekstaktlarından veya gelişme ortamından ürün saflaştırması ve

sonlandırma işlemleri bulunmaktadır. FSİ işlemler ile entegre yürütülen fermentasyon

çalışmalarının yapıldığı girişimler de bulunmaktadır. FSİ’ de ürünün stabil formun

korunması sağlanırken aynı zamanda saflaştırılması için hızlı ve etkili yöntemler

kullanılmalıdır. Bazı ürünler saf olmayan formlarında stabil olmadıkları ve eğer hızlı

bir şekilde saflaştırılmazsa istenmeyen modifikasyonlara maruz kalabildiklerinden

dolayı bu yöntemlerin hızlı etkili olarak uygulanması çok önemlidir. İşlem esnasında

ortaya çıkan tüm atık ürünlerin güvenli ve bertaraf edilmeleri ekonomik olmalıdır.

5

1. FERMENTASYON ÜRÜNLERİ

Fermentasyon işlemlerin tamamının maliyeti, ham madde ve sarf malzemeler,

altyapı, işçilik ve bakım ile birlikte sabit ücretler, iş sermayesi harcamaları, fabrika

genel üretim giderleri ve işletme giderlerinden etkilenir. Fermentasyon ürünleri;

yüksek hacim, düşük değerli ürünler ve düşük hacim, yüksek değerli ürünler olmak

üzere kapsamlı bir şekilde iki kategoriye ayrılır. İlk kategori için örnekler çoğu gıda ve

içecek fermentasyon ürünlerini içerirken, son kategoride ise bazı saf kimyasallar ve

eczacılıkla ilgili ürünler yer almaktadır.

1.1. Gıda, içecekler, gıda katkı maddeleri ve takviyeleri

Laktik asit bakterilerinin süt içerisindeki aktivitelerinin bir sonucu olarak sütün tadının,

tekstürünün değişmesiyle uzun süreli ürün stabilitesini kazanan fermente süt ürünleri

ve bira ve şarap gibi alkollü içiceklerin üretiminde çeşitli bitkisel kaynaklardan elde

edilen şekerleri, etanole fermente eden mayalardan faydalanılır. Çoğu işlemlerde S.

cerevisiae gibi tek bir türün suşları kullanılır ve bu mayanın diğer suşları ekmek

hamuru üretimim için ekmek mayası olarak görev yapmaktadır. Mikrobiyal aktivite

sonucunda oluşan çok sayıda organik asit gıda üretiminde ve çok geniş bir aralıkta

diğer endüstriyel amaçlar için kullanılır. Asetik asitin insan tarafından ilk defa

kullanımı, asetik asit bakterileri tarafından alkollü içeceklerin oksidasyonunun bir

sonucu olarak sirke üretiminde gerçekleşmiştir. Diğer bir aerobik fermantasyon ise

ipliksi bir mantar olan A. niger tarafından üretilen, çok sayıda gıda ve gıda dışı

uygulamalara sahip, büyük bir endüstriyel fermentasyon ürünü olan sitrik asit

üretimidir. Ayrıca, insan gıdası ve hayvan yemlerinde takviye olarak kullanılan amino

asit ve vitaminlerin çoğu özellikle yüksek verimli aşırı üretim yapan suşların

6

geliştirilmesi ile oluşturulan mikroorganizmalar tarafından çoğunlukla da en ekonomik

yolla üretilmektedir. Buna ilave olarak, bazı mikroorganizmalar, insan ve hayvan

tüketimine uygun iyi besinsel karakteristiklere sahip proteinlerin, yüksek miktarlarını

içermektedirler. Tek hücre proteini (THP) olarak bilinen bu ürün düşük maliyetli

karbon kaynakları ile çok geniş aralıktaki birçok mikroorganizma tarafından

üretilebilmektedir.

1.2. Sağlık-bakım ürünleri

Antibiyotikler endüstriyel mikroorganizmalar tarafındaan üretilen en önemli

bileşiklerdir. Bunların çoğu özellikle aktinomisetler gibi flamentli mantar ve bakteriler

tarafından sentezlenen ikincil metabolitlerdir. Bu zamana kadar 4000’den fazla

sayıda antibiyotik izole edilmiştir. Fakat sadace 50 kadarı antimikrobiyal kemoterapi

amacıyla düzenli olarak kullanılmaktadır. En iyi bilinen ve muhtemelen medikal olarak

en sık kullanılan antibiyotikler, B-Laktamlar, penisilinler ve sefalosporinler ve bunları

takiben aminoglikozidler ve tetrasiklinlerdir. Bu ilaçların yanlış ve fazla kullanımı

sebebiyle son yıllarda büyük bir problem olmaya başlayan belirlenmiş antibiyotiklere

karşı olan direnç sebebiyle yeni antibiyotikler için hala bir arayış bulunmaktadır.

Mikrobiyal fermentasyon ve/veya biyodönüşüm yoluyla elde edilen eczalıkla ilgili

diğer önemli ürünler alkaloidler, steroidler ve aşılardır. Çok yakın geçmişte, insülin,

interferon ve insan büyüme hormonu gibi tedavi amaçlı rekombinat insan proteinleri,

çok geniş sayıda mikroorganizmalar tarafından üretilmektedir.

1.3. Mikrobiyal Enzimler

7

Mikrobiyal enzimler özellikle de ekstraselüler hidrolitik enzimler, birçok spesifik gıda

ve gıda dışı ürünlerin üretiminde veya işlem yardımcısı olarak önemli görevlere

sahiptir. Örnek olarak proteazlar yıkama tuzlarına katkı olarak, birada protein

bulanıklığının giderilmesinde ve mikrobiyal rennet olarak peynir üretiminde yoğun bir

şekilde kullanılırlar. Çok sayıda karbonhidrazlardan ise nişastadan çeşitli şeker

şuruplarının üretiminde faydalanılmaktadır.

1.4. Endüstriyel kimyasallar ve yakıtlar

Fermentasyon için sağlanan endüstriyel hammadde kimyasalları, çeşitli alkoller,

aseto gibi solventler, organik asitler, polisakkaritler, lipidler ve plastik üretimindeki

hammaddeleri içermektedir. Bu fermentasyon ürünlerinin bazıları gıda üretiminde de

uygulama alanlarına sahiptir. Özellikle petrol gibi fosil yakıtlar muhtemelen

önümüzdeki 50-150 yılda tükenmiş olacaktır. Bu nedenle alternatif enerji kaynakları

geliştirme ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Günümüzde metan ve etanol başlıca enerji

kaynakları olmasına rağmen hidrojen, etan, propan ve bütanol gibi diğer potansiyel

yakıtlar da mikroorganizmalar tarafından üretilmektedir.

1.5. Mikroorganizmaların çevresel rolleri

Mikroorganizmalar, bir bileşiği degrade etme yeteneğine sahip farklı karışık

mikrobiyal popülasyonlardaki metabolik aktivitelerinden yararlanılması sebebiyle

özellikle atık su arıtımında önemlidirler. Kanalizasyon sularındaki iki temel amaçtan

bir tanesi, özellikle su kaynaklı hastalıklardan kolera gibi hastalıklara yol açan tüm

patojenik mikropların öldürülmesidir. İkinci amaç ise atık sulardaki organik

8

maddelerin çoğunlukla metan ve karbondiokside dönüştürülmesi ve böylece çevreye

güvenli bir şekilde boşaltılabilecek bir son atık suyun üretilmesidir. Mikrobiyal temelli

‘temiz teknoloji’, Thiobacillus ve Sulfolobus türlerinin varlığında yakıtların

desülfirizasyonunda ve düşük dereceli mineral madenleri ve atıklardan metallerin

(bakır, demir, uranyum ve çinko gibi) ekstraksiyonunda gittikçe artarak

kullanılmaktadır. Çevresel biyolojik kontrol, sentetik kimyasal pestisitlere güvenin

azaltılması çabalarında mikroorganizmaların kullanıldığı başka bir alandır. Bakteri,

mantar, protozoa ve virüsler, bazı insan ve hayvan hastalıkları taşıyıcıları ile birlikte

tarımsal ürünlerde fungal, böcek ve nematod zararlılarının kontrolünde biyokütle ve

hücre ürünlerinin üretimi amacıyla yetiştirilmektedir.

2. MİKROBİYAL HÜCRE YAPISI VE FONKSİYONU

Hücre tüm canlı organizmaların temel birimidir. Canlıların çoğu tek hücreliyken

diğerleri hücre özelleşmesini sağlayan çok hücreli formlarda bulunur. Tüm hücreler

sıvı bir matriks ile doludur ve temel olarak lipit ve proteinlerden oluşmuş sitoplazmik

zar ile çevrilidir. Hücreler ayrıca, protein sentezinde rol alan ribozomlarla birlikte

genetik bilginin fiziksel taşıyıcı olan nükleik asitleri bulundururlar. Hücreler iki

kategoriye ayrılırlar: arkeler ve öbakteriler prokaryotik, fungi, protozoa, algler, diğer

bitkiler ve hayvanlar ökaryotiktir.

Prokaryotik hücrelerin çapı normal olarak 5 µm’den küçüktür. Membrana bağlı

organelleri nadiren bulundururlar. Çoğu prkaryotik hücre, hücrenin nükleotid olarak

adlandırılan bçlgesinde yer alan deoksiribonükleik asitten (DNA) oluşan tek bir

kromozom bulundurur. Kromozom genellikle dairesel olmakla birlikte bazı

prokaryotlarda lineerdir. Prokaryotik ribozomlar 70S’tir (Svedberg birimi). Hemen

9

hemen bütün prokaryotların, genellikle bir miktar peptidoglikan içeren hücre duvarları

ya da sitoplazmik membranın dışında bulunan hüce zarfları vardır. Bu duvarın dış

kısmında, kapsül ya da yapışkan bir kabuğa ve ökaryot hücrelerinkinden daha az

karmaşık olan itici flagellalara sahip olabilirler. Prokaryotlarda hücre bölünmesi

genelde, basit ikiye bölünme şeklinde gerçekleşir. Prokaryotlar filogenetik akrabalık

çalışmalarına dayanarak iki farklı gruba ayrılmıştır. Bu gruplar arkaebakteriler ya da

arkeler ve öbakterilerdir.

Şekil 2. Prokaryotik mikrobiyal hücrenin başlıca yapılarını gösteren şematik gösterim

2.1. Arkeler

Çoğu arkeler erken yaşam formlarının dayandığı düşünülen ortamlara benzeyen aşırı

uç ortamlarda yaşarlar. Halofiller (yüksek tuz konsantrasyonuna adapte olmuş),

10

metanojenler (metan üreticileri) ve termofiller (yüksek sıcaklıklara adapte olmuş)

olmak üzere üç temel fizyolojik tipleri bulunur ve bunların bazıları aynı zamanda

barofildir (yüksek basınca adapte olmuş).Arkeler, nispeten öbakterilerin DNA’sının

yarısından daha azını içeren küçük genomlara sahiptirler. Arkelerin enzimleri ile

ayrıca dikkat çekicidir. Bütün prokaryotlar başlangıçta hücre duvarı/zarf yapısı

tarafından belirlenen Gram boyama prosedüründeki karakteristiklerine göre alt

gruplara ayrılabilir. Arkeal hücre duvarı kompozisyonu büyük ölçüde deişkendir,

bazıları Gram-pozitif özellik gösterirken, bazıları Gram-negatiftir. Hücre duvarı

bileşenleri, özgün polimerler, metanokondroitin ve psödomureini içerdiğinden

öbakterilerinkinden oldukça farklıdır. Ayrıca ayırt edici membran lipitlerine sahiptirler.

Arkeler 3 alemde sınıflandırılabilirler.

a. Euryarchaeota ; Matanobacterium ve Methanosarcina gibi başlıca metanojenleri ve

Halobacterium ve Halococcus gibi aşırı halofil türleri içerir.

b. Crenarchaeota ; çoğunlukla aşırı barofil ve termofil olan Pyrodictium, Pyrolobus,

Sulfolobus ve Thermoproteus organizmaları içerir.

c. Korarchaeota; hipertermofildirler ve henüz saf kültür olarak izole edilmemişlerdir.

2.2. Öbakteriler

Öbakteri 12 alt gruba ayrılabilen çok çeşitli bir gruptur. Bununla birlikte, hemen

hemen tüm endüstriyel bakteriler, proteobakteriler ve Gram pozitif öbakterilerden

sadece ikisinde bulunur. Proteobacteria, a, b, g, d ve e olmak üzere beş gruba

ayrılan büyük bir Gramnegatif bakteri krallığıdır. Bunlar arasında mor fotosentetik

bakteriler ve fotosentetik olmayan akrabalar, özellikle Enterobacteriaceae (örn.

11

Escherichia coli) ile birlikte Hipomikrobium, Nitrobacter, Pseudomonas,

Thiobacillusand Vibrio bulunur. Gram-pozitif öbakteriler iki ana alt bölümden oluşur:

(a) bu baz çiftinin organizmanın DNA'sındaki oranına atıfta bulunan ve Bacillus,

Clostridium, Lactobacillus, Leuconostoc'u içeren düşük guanin (G) sitozin (C) grubu,

Staphylococcus, Streptococcusand Mycoplasma; ve (b) aktinomisetler (fi lamantous

bakteriler, örneğin Streptomyces), Corynebacterium, Mycobacteriumand Micrococcus

içeren yüksek GC grubu. Az sayıda endüstriyel bakteri örneği içeren diğer alt gruplar

aşağıdaki gibidir.

2.3. Escherichia coli

1885 yılında Alman bakteriolog Theodor Escherich tarafından keşfedilmiştir. Başlıca

yaşama alanı, insan kalın bağırsağı ve diğer sıcak kanlı hayvanların sindirim

sisteminin alt bölümüdür. Bazı suşları özellikle yenidoğan bebekler ve hayvan

yavruları için problem olabilecek ishale neden olan gıda ve su kaynaklı hastalıklara

yol açabilir. E. coli’nin biyokimyası, fizyolojisi ve genetiği hakkında kapsamlı bir bilgi

birikimi bulunmaktadır. Tüm bu bilgiler ve organizmanın 20 dk gibi düşük bir ikiye

katlanma süresi ile çabuk büyüme hızına sahip olması, E. coli’nin önemli bir

endüstriyel mikroorganizma haline gelmesine yol açmıştır. E.coli, moleküler biyoloji

çalışmalarında model olarak yaygın bir şekilde kullanılmakta ve gen klonlama

deneylerinde çou kez ideal bir konukçu olarak düşünülmektedir. Bunun sonucu

olarak, başka organizmalardan elde edilen heterolog protein üretimi için çok faydalı

olduğu kanıtlanmıştır. Bununla birlikte, E. coli’den protein salgılanması sahip olduğu

hücre membranının doğasından ötürü daha sorunlu olurken Gram-pozitif bakterilerde

çoğu kez daha kolay gerçekleşmektedir.

12

E. Coli bir Gram-negatif fakültatif anaerob olup, üyeleri çoğu kez

enterobakteriler ya da enterik bakteriler olarak anılan Enterobacteriaceae

familyasında yer alır. Hücreler, yaklaşık 0.3-1.0 µm uzunluğunda kısa düz çubuklar

şeklindedirler ve normal uzunluklarının yaklaşık iki katına uzadıktan sonra ikiye

bölünme ile çoğalırlar. Escherichia cinsinin üyeleri oksidaz-negatiftirler (sitokrom c

oksidazı olmayan) ve başlıca ürünleri laktat, asetat, süksinat ve format olacak şekilde

karışık asit fermentasyonunu gerçekleştirirler. Format, daha ileri düzeyde H2 ve CO2

oluşumuna kadar parçalanabilmektedir.

2.3.1. Dış membran

Gram-negatif bakteriyel hücrelerin dış kaplamaları, Gram-pozitif bakterilerin hücre

duvarlarından daha karmaşık olduklarından, genellikle duvarlar yerine zarflar olarak

adlandırılır (Şekil 1.2a). Esasen hücreyi koruyan ve sertlik sağlayan iki katmandan

oluşurlar. En dıştaki tabaka, yaklaşık 7-8 nm kalınlığında, lipopolisakkarit ve

mukopeptid içeren dış zar olarak adlandırılır. Bu yapı, yüklü veya yüksüz küçük

moleküllerin hareketini engellemez ve hücre / sitoplazmik zardan (aşağıya bakınız)

daha geçirgendir, ancak hidrofobik moleküllere ve proteinlere bir engeldir. İçinde

küçük moleküllerin geçebileceği yaklaşık 1-2 nm çapında dar kanallar oluşturan üç alt

birimden oluşan porin proteinleri içerir. Spesifik olmayan gözenekler, 600-700Da'ya

kadar moleküllerin geçişine izin verirken, spesifik gözeneklerin 5000Da'ya kadar bir

veya daha fazla madde için bağlanma yerleri vardır. Zarfın lipopolisakkarit bileşenleri,

hücrenin deterjanlardan ve diğer antimikrobiyal ajanlardan korunmasında etkilidir. En

yaygın dış zar proteini, dış zar boyunca uzanan ve alttaki peptitoglikana bağlanan

Braun'un lipoproteindir.

13

Hareketli suşların kamçıları hücreyi sulu ortamdan geçirir. INE. coli, fl agellae,

peritriköz bir düzenleme olarak adlandırılan tüm hücre etrafında düzenlenirken, diğer

bakterilerin polar agellaları veya alternatif özel düzenlemeleri vardır. Her fl agellum,

protein fl agellinden oluşan birkaç mikrometre uzunluğundadır ve dış zar tabakasına,

dört halkadan oluşan bir bazal gövde yoluyla tutturulmuştur. Ek olarak, 5-7nm

çapında ve 400nm uzunluğunda kısa saç benzeri çıkıntılar olan dış zara fi brils (fi

mbriae veya pili) eklenebilir. E. coli'nin bağırsak epitelyumu gibi yüzeylere

yapışmasını sağlarlar.

Bazı suşlar ayrıca dış zarın dışında bulunan ve polisakkaritlerden oluşan

kapsüllere sahiptir. Üretimleri yerel ortamdaki kimyasal ve fiziksel koşullardan

etkilenir. Bu ekzopolisakkaritler, belirli moleküllere bir bariyer sağlayabilir, kurumaya

karşı koruma sağlayabilir veya patojenik suşların konakçı hücre yüzeylerine

bağlanmasına yardımcı olabilir.

Şekil 3. Tipik gram-negatif ve gram-pozitif hücre membranlarının şematik gösterimi

14

2.3.2. Peptidoglikan ve periplazmik boşluk

Gram-negatif bakterilerin dış membranı içinde ve lipoprotein yoluyla kovalent olarak

bağlanan, yaklaşık 2-3 nm kalınlığında ince bir peptitoglikan tabakasıdır. Hücre

zarfının sadece% 5-10'unu oluşturur ve birçok Gram pozitif bakterinin duvarlarındaki

20-25 peptitoglikan tabakasına kıyasla bir ila üç tabakadan oluşur. Bununla birlikte,

çok önemli bir yapısal bileşendir. Peptiglikan tabakası eksik olduğunda, bakteri

hücreleri şişebilir ve sonuçta patlayabilir (bakınız Bölüm 3, Peptidoglikan

biyosentezi).

Peptitoglikan, yaklaşık 12-15 nm genişliğindeki alttaki periplazmik boşluğa

uzanır. Bu bölge boş değildir, bir dizi protein, bağlayıcı protein, kemoreseptör ve

çeşitli enzimler içerir. Bağlayıcı proteinler, belirli maddelerin membrana bağlı

taşıyıcılarına götürülerek hücreye taşınmasını başlatır. Kemoreseptörler, bir hücrenin

çekiciye doğru ve itici kimyasallardan uzağa hareketi olan kemotakside yer alır.

Hidrolitik enzimler, özellikle alkalin fosfataz, nükleazlar ve proteazlar, sitoplazmadan

periplazmaya salgılanır ve normal olarak dış zardan geçemedikleri için hücreye yakın

tutulur. Büyük geçirimsiz besin maddelerinin hücre zarı boyunca hücreye taşınabilen

daha küçük moleküllere ayrılması ile ilişkilidir (bakınız Bölüm 2, Besin alımı). Bazı

detoksifiye edici ve savunma enzimleri de burada bulunur; penicillinase.

Hücre (sitoplazmik) membran Periplazmik boşluğun altında sitoplazmik matrisi

çevreleyen iç hücre (sitoplazmik) membran bulunur (Şekil 1.2a). Bu yapı, besinlerin

girişini ve iyonların ve daha büyük bileşiklerin salgılanmasını kontrol ederek oldukça

seçicidir. Membran, esas olarak fosfatidil etanolaminden oluşan bir lipit çift tabakası

şeklindedir. Hem laktoz geçirgenliği gibi taşıma proteinleri hem de moleküllerin ve

15

yüklü iyonların hücrelere girişini seçici olarak kontrol eden gözeneklerden oluşan

gözeneklerle serpiştirilir. Sitokromlar ve diğer elektron transfer proteinleri dahil olmak

üzere solunum proteinleri de bu zarın içinde bulunur.

2.3.3. Sitoplazmik matris ve hücre içeriği

Sitoplazmik matris, pH 7.6-7.8'de tutulur, hücre içi ve hücre dışı pH arasındaki

farklar, elektron taşınması ve solunumla ilişkili birincil proton pompaları tarafından

kontrol edilir. Metabolik ara maddeler ve katabolik ve anabolik metabolizma için

gerekli enzimler ve koenzimler içerir (bkz. Bölüm 3). Protein sentezi makineleri, hem

transkripsiyon hem de translasyon, burada da bulunur. Bu, DNA'nın genetik kodunun

haberci RNA'ya (mRNA) kopyalanması için RNA polimerazları ve 18000 civarında

ribozomu ve mRNA mesaj dizilerini proteinlere dönüştürmek için RNA'ları transfer

etmeyi içerir. Kromozom, hücre hacminin yaklaşık% 10'unu kaplayan nükleoid

bölgede bulunur. Yaklaşık 4600kbp'den oluşan, 4000'den fazla geni oluşturan ve

çoğaltma orijininde veya replikasyonun başlangıcında hücre zarının iç kısmına

bağlanan, tek zincirli, çift sarmallı bir DNA molekülüdür. Bu DNA molekülü yaklaşık 1

mm uzunluğunda ve 1 nm kalınlığındadır, ancak ilişkili proteinler tarafından yoğun bir

şekilde katlanır ve sarılır ve stabilize edilir.

Plazmidler, nispeten küçük dairesel ekstrakromozomal DNA molekülleri de

mevcut olabilir. Bunlar arasında doğurganlık (F) faktörü, direnç (R) plazmidleri ve

kolikinler, spesifik antibakteriyel bakteriyosinleri kodlayan Col plazmidleri bulunur.

E'nin enteropatojenik suşlarında. coliat en az iki toksinin plazmid kodlu olduğu

bilinmektedir. Polisakkarit glikojen, karbon ve enerjinin ana deposudur ve sitoplazmik

16

matris içindeki inklüzyon cisimcikleri olarak görülebilir. Belirli koşullar altında

ozmoprotektif betainler (N, N, N-trimetil glisin) de birikir.

2.4. Pozitif Bakteri, Bacillus subtilis

Bacillus cinsi çok sayıda çeşitli, çubuk şeklinde, kemoheterotrofik, Gram pozitif

bakteriden oluşur. Bu hücreler genellikle 0.5-2.5 mm genişliğinde ve 1.2-10 mm

uzunluğunda E. coli'den biraz daha büyüktür. Bazı türler kesinlikle aerobiktir, diğerleri

fakültatif anaeroblar veya mikroaerofiliktir, ancak hepsi katalaz pozitiftir (bkz. Bölüm

2). Bacillus türleri ayrıca olumsuz çevresel koşullara dirençli olan ve hayatta kalma ve

yayılma için seçici bir avantaj sağlayan oval veya silindirik endosporlar üretir (Şekil

1.3). Cinsin birkaç üyesi, özellikle enzim, antibiyotik (bacitracin, gramicidin ve

polimiksin) ve insektisit kaynakları olarak önemli endüstriyel rollere sahiptir.

B. subtilis genellikle su, hava ve ayrışan bitki kalıntılarından geri kazanılan

yaygın bir toprak mikroorganizmasıdır. Bu bakteri, akrabalarının bazılarından,

özellikle de B. anthracis, şarbonun nedeninden farklı olarak herhangi bir hastalık

özelliğine sahip olmadığından iyi huylu olarak kabul edilir. Bu mikroorganizma

tarafından üretilen hücre dışı enzimler, çeşitli doğal substratların ayrışmasını sağlar

ve besin döngüsüne katkıda bulunur. Bu enzimlerin birçoğu ticari olarak

sömürülmektedir ve B. subtilis endüstriyel enzimlerin, özellikle amilazların ve

proteazların üretimi için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu amilazların bazıları nişasta

modifikasyon işlemlerinde yaygın olarak kullanılır ve proteazlar biyolojik deterjanlarda

temizleme yardımcıları olarak kullanılır. B. subtilis'in ayrıca ince kimyasalların,

özellikle nükleosidlerin, vitaminlerin ve amino asitlerin üretimi için çok yararlı olduğu

kanıtlanmıştır ve bazı suşlar, mantar patojenlerine karşı mahsulün korunmasında

17

kullanılmaktadır. Bu bakteri aynı zamanda heterolog proteinlerin üretimi için değerli

bir klonlama konakçısıdır.

B. subtilis'in onu E. coli'den ayıran temel özellikleri hücre duvarı yapısı ve spor

üretme kabiliyetidir. B. subtilis hücre duvarları Gram-pozitif bakterilerin tipikidir, E. coli

gibi Gram-negatif bakterilerinkinden çok daha az karmaşıktır. Bunlar 20-50nm

kalınlığındadır ve basitçe bazı lipit, protein ve teikoik asit ile ilişkili 20-25 tabaka

peptidoglikandan oluşur (Şekil 1.2b). Teikoik asit, gliserol fosfat, ribitol fosfat ve diğer

şeker fosfatların ayırt edici bir anyonik polimeridir. Peptidoglikanın N-asetilmuramik

asit birimlerine veya alttaki hücre zarının lipitlerine kovalent olarak bağlanır. Bu

bileşen Gram-negatif bakterilerde bulunmaz. Hücre duvarının dışında B. subtil, hem

ve hem de l-glutamik asit birimlerini içeren bir polipeptit kapsülü üretir. Flagellae

mevcut olabilir ve agelüle edilmiş formlar kemotaksi yapabilir. B. subtilis kromozomu,

4188kbp'de E. coli'ninkinden biraz daha küçüktür, ancak diğer hücre içi özellikler

benzerdir. Bununla birlikte, yukarıda belirtildiği gibi, büyük bir fark, bu cinsin

üyelerinin spor oluşturma yeteneğidir (Şekil 1.3). Vejetatif hücreler büyümeye ve

besinler sınırlanıncaya kadar ikili bölünmeye bölünmeye devam eder. Besin

maddelerinin yoksunluğu, henüz bilinmeyen bir kimyasal sinyal yoluyla sporu

başlatır. Eşit olmayan hücre bölünmesi, hücrenin bir kutbunun yakınında asimetrik bir

septum oluşumu ile daha küçük bir öngörü hücresi ve daha büyük bir ana hücre

üretir. Ana hücre, öngörü yutmaya devam eder. Daha sonra sünnetin etrafında bir

peptitoglikandan oluşan bir primordial duvar oluşturulur ve bu daha sonra spor

çimlendiğinde ortaya çıkan vejetatif hücrenin hücre duvarı haline gelir. Bu primordial

duvar, daha sonra spor korteksi olarak bilinen çok daha kalın bir kompleks

peptidoglikan tabakasıyla kaplanır. Bu korteks, muramik asit kalıntılarının% 50'sinden

fazlasının muramik asit dlactam olarak bulunduğu benzersiz bir spora özgü

kompozisyona sahiptir. Korteks birikimini takiben, yapı son olarak bir proteinli

18

kaplama içine kapatılır ve çevreleyen ana hücre, sporu serbest bırakmak için ölür ve

parçalanır. Bu sporlar son derece uykudadır, metabolizma eksikliği gösterir ve

kuruma, ısı, radyasyon ve sert kimyasal işlemlere karşı oldukça dirençlidir. Uzun süre

yaşayabilirler. Uygun büyüme koşulları altında spor, bitkisel bir hücre oluşturmak için

çimlenir.

Şekil 4. Tipik bir endosporun yapısı

2.5. Funguslar

Çeşitli habitatları işgal eden çeşitli ökaryotik mikroorganizmalar grubudur. Mantar

türlerinin çoğunluğu men lamentohus hiflerden oluşur ve sıklıkla küf olarak

adlandırılırken, daha sonra tarif edilecek olan mayalar tek hücreli mantarlardır.

Bilinen binlerce türden nispeten az sayıda men lamantous mantar endüstriyel

amaçlarla kullanılmaktadır (Tablo 1.1). İpliksi mantarlar fotosentetik değildir ve sıkı

kemoheterotrofik emici beslenmeye sahiptir (bkz. Bölüm 2). Birçoğu, karşılaşılan

karmaşık polimerik molekülleri emilebilen daha küçük birimlere parçalamak için bir

dizi hidrolitik enzim salgılar. Çoğu ölü hayvan veya bitki kalıntıları kullanan

saprofitiktir. Bazıları bitkilerin veya hayvanların fakültatif parazitleridir ve bazıları diğer

19

organizmalarla simbiyotik ve karşılıklı ilişki oluşturur; bir liken (bir mantar, mikobiyont,

bir alg, phycobiont ile simbiyotik bir ilişki içinde) oluşturmak için bir alg ile.

İpliksi mantarlar, uygun çevre koşulları altında çimlenen hipha veya dağınık

spor parçalarından kaynaklanır. Hypha, dakikada birkaç mikrometreye kadar olan

hızlarda hızla büyüyebilir. Bununla birlikte, genellikle besinlerin emilmesi için yüzey

alanını en üst düzeye çıkaran çevredeki küçük bir artış vardır. Genellikle besin

kaynaklarının çevresinde ve içinde kurulan ve makroskopik bitkisel miselyum olarak

yapısal olarak organize edilmiş iç içe geçmiş paspaslar oluşturmak için dallanırlar.

Daha yüksek mantarlarda, mantarlar, rizomorflar, sklerotia ve stromata'nın meyve

gövdeleri gibi büyük karmaşık katı yapıları üretmek için hifeler birlikte toplanabilir.

Bireysel hifeler türlere bağlı olarak 1–15 mm çapındadır. Hücre duvarları, bazı

lipit ve protein bileşenleriyle birlikte% 80-90 polisakkaritten oluşur. Bazı düşük

mantarlar dışında, polisakkarit esasen eklembacaklı dış iskeletlerde bulunana

benzer, güçlü ve esnek bir malzeme olan b-1,4-bağlı N-asetilglukosamin birimlerinin

doğrusal bir polimeri olan kitinin mikro ils brilleridir. Maya hücresi duvarlarının aksine

(bkz. Sf.16), glukan ve mannan nispeten küçük bileşenlerdir. Glukanlar çoğunlukla

büyüyen hipal uçlara yerleştirilir. Burada hücre duvarları sadece 50nm

kalınlığındadır, ancak uç duvarın arkasında kitin daha fazla birikmesi ile 125nm'ye

kadar artar.

Mantar hiphaları aseptat veya septat olabilir. Aseptat mantarlarının hifasında

çapraz duvarlar yoktur ve bu hücreler koenzositik olarak adlandırılır. Bu, sitokinesis

(hücre bölünmesi) olmadan tekrarlanan nükleer bölünmeden kaynaklanan çok

çekirdekli bir durumdur. Septat mantarlarının hifeleri, organeller ve diğer hücresel

20

materyallerin hücreden hücreye taşınmasına izin veren gözenekler içeren septa adı

verilen çapraz duvarlarla hücrelere ayrılır (Şekil 1.4). Mantarların hücresel organelleri

tipik olarak ökaryotiktir ve özellikle mitokondri, ribozomlar ve küçük veziküller ile dolu

büyüyen hipal uçlarla özellikle ilişkilidir. Ek olarak, hifler, normalde glikojen, lipit ve

volüt (bir metafosfat polimeri) içeren depolama ürünleri içeren çok sayıda vakuole

sahip olma eğilimindedir.

Mantar kromozomları ve çekirdekleri nispeten küçüktür ve nükleer bölünme

diğer ökaryotların çoğundan biraz farklıdır. Mitoz sırasında nükleer zarf, içinde

bulunan mil ile sağlam kalır. Çoğaltılmış kromozomların ayrılmasından sonra, nükleer

zarf iki yeni çekirdek oluşturacak şekilde daralmakta ve bu sırada işmili

kaybolmaktadır. Her ne kadar fungal hyhae ve sporlar normalde haploid olsa da,

cinsel yaşam döngülerindeki geçici diploid aşamalar dışında, bazı miseller ayrı

kökenlerin hifasının füzyonundan kaynaklanan genetik olarak heterojen olabilir. Bu

gibi durumlarda, her hipha, aynı miselyumun farklı kısımlarına ayrılmış halde

kalabilen veya mayoz bölünme olaylarına benzer bir süreçte genleri karıştırabilen ve

hatta değiş tokuş edebilen çekirdeklere katkıda bulunur.

Çoğu mantar, çok sayıda tek hücreli spor salarak çoğalır. Bu propagüller geniş

bir alana rüzgar veya su ile yayılır. Uzun süre stabildir, ancak çevresel koşullar ve

substrat uygunsa çimlenir. Mantarlara bağlı olarak sporların aseksüel olarak

oluşturulabileceği çeşitli yollar vardır (Şekil 1.5). Oluşum şekilleri blastospor,

sporangiospor, conidiospor ve benzeri olup olmadığını belirler. Spor taşıyan yapıların

şekil ve düzenindeki değişiklikler genellikle mantar tanımlaması için bir temel olarak

kullanılır.

21

Mantarlardaki cinsel döngü, diğer ökaryotik organizmalardakinden farklıdır, bu

eşzamanlı, zıt çiftleşme suşlarının haploid hücrelerinin cinsel birleşmesi, + ve -,

zamanla ayrılmış iki aşamada gerçekleşir: ilk, plazmogami, sitoplazmanın füzyonu,

bir süre takip etti daha sonra karyogami ile çekirdeklerin birleşmesi. Plazmogamiyi

takiben, her ebeveyn suşundan haploid çekirdeklerinin eşleştirilmesiyle bir dikaryon

oluşur, ancak çekirdek çiftleri hemen kaynaşmaz. Bir dikaryon içindeki bu nükleer

çiftler ayrı kalabilir ve uzun süre eş zamanlı olarak bölünmeye devam edebilir.

Sonunda, doğrudan mayoz bölünmeye maruz kalan ve sonuçta genetik olarak çeşitli

haploid sporlar üreten bir diploid hücre oluşturmak için kaynaşırlar. Geleneksel olarak

bilinen 100000 mantar türü, özellikle cinsel sporlarını nasıl ve nerede ürettiklerine

bağlı olarak dört ana sınıfa ayrılmıştır.

Şekil 5. Septalı fungal hifin şematik gösterimi

22

Şekil 6. Koenositik ipliksi funguslardan Mucor sporlanmasındaki spor oluşumu ve

Septalı ipliksi funguslardan Penicillium konidiyumu

2.6. Fikomisetler

Mastigomycotina (zoosporic, hareketli sporlar) ve Zygomycotina (zygosporic) olarak

alt bölümlere ayrılmış alt mantarlardır. En basit mantarlardır ve bitkisel hifeleri

aseptattır. Mastigomycotina, su kalıpları, Saprolegnia ve önemli bitki patojenleri

Pythium ve Phytophthora'yı içerir. Alışılmadık şekilde hücre duvarları, diğer glukanlar

veya kitin ile birlikte selülozdan oluşur. Zygomycotina'nın endüstriyel olarak önemli

üyeleri arasında, bazı geleneksel gıda fermantasyonlarında kullanılan Mucor,

Rhizomucor ve Rhizopus türleri ve tüm hücre ve enzim biyo dönüşümleri bulunur.

Eşeysiz üreme, dik hipha veya sporangioforların uçlarında sakre sporangia

oluşumuyla sonuçlanır (Şekil 1.5a). Yüzlerce haploid spor, sporangium içinde mitoz

ile üretilir ve bunlar rüzgarda dağılır. Karşıt çiftleşme türlerinin cinsel üreme miselinde

her biri birkaç haploid çekirdeği içeren gametangia oluşturur. + Ve - gametangia'nın

plazmogamisi ve haploid çekirdeklerinin eşleştirilmesi, dikaryotik bir zygosporangium

23

oluşumuyla sonuçlanır. Bu yapı metabolik olarak inaktiftir ve kurumaya dirençlidir.

Koşullar uygun hale geldiğinde, eşleşmiş çekirdekler arasında karyogami oluşur ve

ortaya çıkan diploid çekirdekler haploid sporları üretmek için mayoz geçirir.

2.7. Ascomycetes veya Ascomycotina (kese mantarları)

Bu, en büyük mantar sınıfıdır ve birçok endüstriyel fermantasyon işleminde kullanılan

mayaları içerir. Endüstriyel ve ticari rolleri olan diğer lamentous üyeler Neurospora

türleri, Claviceps türleri ve Morchellaspecies (morels) ve Tuberspecies (truf es) dahil

önemli yenilebilir mantarlardır. Hiphaları septattır ve eşeysiz üremede, özel hiphaların

(konidioforlar) uçları genellikle rüzgarla dağılmış haploid conidiospores zincirlerini

oluşturur. Cinsel sporlar veya ascosporlar, meyve veren bir vücut veya ascocarp

içine alınabilen kese benzeri bir ascus içinde bulunur. Saccharomyces cerevisiae gibi

mayalar, cinsel üreme sırasında bir ascus eşdeğerini ve asidüel üreme sırasında

konidiosporların oluşumuna benzer bir şekilde çoğu tomurcuğun eşdeğerini üretir

(aşağıya bakınız). Bununla birlikte, bazı mayalar, özellikle Schizosaccharomyces

türleri, tomurcuklanmaz, ancak bakterilere benzer şekilde ikili krize uğrar.

2.8. Basidiomycetes veya Basidiomycotina (kulüp mantarları)

Bu bölümün üyeleri septat hiphaları üretir ve cinsel haploid basidiosporları basidia

adı verilen kulüp şeklindeki yapılara aittir. Bazı durumlarda, bunlar mantarlarda

olduğu gibi büyük cinsel meyve veren organlarda, basidiokarplarda bulunur; Agaricus

bisporus (mantar) ve Lycoperdon türleri (puf topları). Diğer endüstriyel olarak önemli

24

basidiyomisetler, biyo-bozunma ve biyo-bozunma işlemlerinde yer alan bazı odun

çürüyen mantarlardır; Phanerochaete chrysosporium (beyaz çürük). Bu bölüme

ayrıca önemli bitki patojenleri olan paslar ve foklar da dahildir.

2.9. Deuteromycetes veya Deuteromycotina ('kusurlu' mantarlar)

Bu bölüm, tanımlanmış bir cinsel (mükemmel) aşamadan yoksun oldukları veya

gözlemlenmedikleri için birlikte gruplandırılmış yaklaşık 25000 türden oluşan farklı bir

grup içerir. Bu grubun, ascus aşaması henüz keşfedilmemiş veya evrim sırasında

kaybolmuş olan askomisetlerin konidial aşamalarını temsil edebileceği

varsayılmaktadır. Genetik çalışma ve gerinim gelişimi için önemli olduğu kanıtlanan

bazı türlerde paraseksüellik gösterilmiştir. Endüstriyel açıdan önemli birçok mantar,

Aspergillus, Sefalosporium, Fusarium, Penicillium ve Trichoderma türleri dahil olmak

üzere deuteromiketler olarak sınıflandırılır.

2.10. Mayalar

Mayalar, özellikle S. cerevisiae, endüstriyel mikroorganizmalar olarak büyük

katkılarından dolayı özel ilgi çekicidir. "Maya" terimi, filogenetik bir sınıflandırma

yerine tek hücreli bir form anlamına gelir. Mantarların yaşam döngülerinin baskın

olarak lamantous olabilen, ancak maya-küf dimorfizmi sergileyen tek hücreli bir fazını

tanımlamak için kullanılabilir. Bir formdan diğerine yapılan değişiklikler genellikle

25

mevcut beslenme koşullarından etkilenir. Bununla birlikte, bu terim daha çok pişirme

veya demleme mayaları gibi sadece tek hücreli bir faza sahip olan mantarlar için

genel bir isim olarak kullanılır. Bu gerçek mayalar ve endüstriyel öneme sahip

birçokları, ascomycetes üyesi S. cerevisiae suşlarıdır.

Bazı mayalar endüstriyel ve gıda kullanımlarına sahiptir ve bazıları, özellikle S.

cerevisiae, GRAS (genellikle güvenli kabul edilir) statüsüne sahiptir. S. cerevisiae

suşları en iyi bilinen ve ticari olarak önemli mayalardır ve uzun zamandır alkollü

içecekler ve mayalı ekmek üretmek için kullanılmaktadır. Şimdi bunlar aynı zamanda

yakıt etanolü, tek hücreli protein, enzimler ve heterolog proteinler gibi diğer bazı

fermantasyon ürünlerinin üretiminde, ör. insan insülini. Ek olarak, S. cerevisiae

moleküler genetik araştırmalarında model sistem olmuştur, çünkü replikasyon,

rekombinasyon, hücre bölünmesi ve metabolizmanın temel mekanizmaları memeliler

de dahil olmak üzere yüksek ökaryotlara çok benzerdir.

2.10.1. Hücre Büyüme ve Maya Yaşam Döngüsü

Saccharomyces cinsinin üyeleri, elipsoidal olarak küresel olan ve yaklaşık 1-7 mm

genişliğinde ve 5-10 mm uzunluğunda değişen hücreler üretir. Birden fazla

kromozom seti içeren poliploid endüstriyel suşlar, bu aralığın daha büyük ucunda

olma eğilimindedir. Maya hücresi, içinde enzimler, depolama granülleri, birkaç farklı

tipte organel ve membran sistemleri içeren sitoplazmik matrisi içine alan, hücre zarı

olan kalın bir duvarla çevrilidir. Eşeysiz hücre bölünmesi, bir anne hücresinden bir kız

hücresinin tomurcuklanmasını içerir ve hücre büyümesi, büyük ölçüde tomurcuk

gelişimi ile ilişkilidir.

26

Şekil 7. Tomurcuklanan bir maya hücresinin şematik gösterimi

2.10.2 Hücre Duvar Yapısı

Bazı mayalar, koruyucu bir fonksiyona sahip olabilen veya yüzeylere bağlanmaya

yardımcı olabilecek hücre duvarının dışında sümüklü polisakkarit kapsülleri geliştirir.

Hücre duvarının kendisi yaklaşık 100-200 nm kalınlığındadır ve bir hücrenin kuru

ağırlığının% 15-25'ini içerir. Duvar malzemesinin yaklaşık% 80-90'ında ana

bileşenleri, bazı proteinlerle birlikte polisakkaritler glukan, fosfomannan ve kitindir

(Şekil 1.7). Glukan, hücre zarına bitişik iç duvarda mukavemet sağlayan mikro-briller

formunda, ağırlıklı olarak b-1,3 bağlantıları olan, b-bağlı glikoz birimlerinin oldukça

dallı bir polimeridir. Heksoz şeker mannozunun dallı bir polimeri olan fosfomannan,

hücre duvarının dışına doğru yerleştirilir. Kitin, maya duvarının %1'inden daha azını

oluşturabilir ve öncelikle tomurcuk izlerinin çevresinde bulunur. Duvardaki tomurcuk

27

izlerinin sayısı, bir hücrenin kaç kez tomurcuklandığını gösterir ve asla aynı yerde iki

kez meydana gelmediklerinden, bir hücrenin 'yaşını' tahmin etmek için

kullanılabilirler. Protein duvarı bileşenleri hem yapısal hem de enzimatiktir; ilki büyük

ölçüde mannan ile ilişkilidir. Burada ve periplazmada bulunan enzimler, duvar

biyosentezi ve hücre zarını geçemeyen substratların hidrolizi ile ilişkili olanları içerir.

Bunlar arasında sükroz kullanımıyla ilişkili bir mannoprotein olan glukanaz,

mannanaz, lipaz, alkalin fosfataz ve invertaz bulunur.

Hücrelerin flokülasyonu bazı mayalarda yaygın bir özelliktir ve özellikle bazı

endüstriyel suşlar için önemlidir. Floklar, ayrılmamış tomurcukların zincirleri değil,

hücre kümeleridir. Formation oc oluşumu için iki ana teori vardır. İlk olarak, bir

kalsiyum iyonunun iki hücreyi negatif yüklü hücre duvarı bileşenleri yoluyla bağladığı

kalsiyum köprüleme ile ilgilidir. Bu teori için destek, çelatların kenetleme maddesi

etilendiamin tetraasetik asit (EDTA) tarafından dağıldığı gözleminden gelir. İkincisi,

protein-karbonhidrat bağlanmasını içeren lektin hipotezi, bir hücrenin yüzey

proteininin bitişik bir hücre üzerindeki bir mannoz tortusuna bağlanmasını önerir. Bu

hipotez, şekerin, özellikle mannozun, formation oc oluşumunu inhibe etmesi

gerçeğiyle desteklenmektedir. Ek olarak, fi mbria olarak adlandırılan 0.1-10 mm'lik

proteinli hücre duvarı çıkıntıları, birçok suşta mevcuttur ve fl okülasyon dahil olmak

üzere hücre-hücre etkileşimleri ile ilişkili olabilir.

28

Şekil 8. Maya hücre duvarı ve hücre membranının yapısal şematik gösterimi

2.10.2. Hücre Membran Yapısı

Hücre duvarı ve alttaki zar arasında, yukarıda belirtilen enzimler de dahil olmak

üzere, duvardan kaçamayan salgılanmış proteinler içeren 3.5-4.5 nm'lik bir

periplazmik boşluk vardır. Hücre zarı, hücreye giren ve çıkan tüm malzemeleri kontrol

eder ve hücre duvarı biyosentezini yönettiği düşünülmektedir. Maya hücresi zarları,

diğer hücrelerinki gibi, esas olarak, yaklaşık 7.5 nm kalınlığında, lipit moleküllerinin

kuyruktan kuyruğa hizalanmasından kaynaklanan bir lipit iki tabakasından oluşur

(Şekil 1.7). Bu, hidrofobik lipit 'kuyruklarını' sandviçleyen iç ve dış hidrofilik bölgeler

29

üretir. Lipid bileşenleri mono-, di- ve trigliseritler, gliserofosfatidler ve sterollerden

oluşur. Doymamış sterol bileşenleri arasında prokaryotik hücre zarlarında

bulunmayan ergosterol ve zimosterol bulunur. Membran stabilizasyonu ve membran

sertliği için hayati öneme sahiptir ve biyosentezleri için moleküler oksijen gereklidir.

Membran lipit bileşimi büyüme koşullarına bağlı olarak değişir ve ayrıca hücrenin

etanole toleransını etkiler. Örneğin, demleme suşlarının pişirme suşlarına göre daha

yüksek seviyelerde fosfatidil kolin içerdiği bulunmuştur.

Lipid çift tabakası içinde ve içinde, hem yapısal hem de fonksiyonel protein

molekülleri, küçük bir karbonhidrat kısmı ile birlikte bulunur. Protein bileşenleri

çözünen taşınmaya karışabilir veya harici uyaranlara yanıt veren ve sonuçta bir dahili

tepki başlatan sinyal iletim bileşenleridir. Membranla ilişkili enzimler arasında,

şekerler ve amino asitler gibi bileşiklerin taşınması için bir dizi izin; çözünmüş madde

taşınması için enerji sağlayan membran boyunca proton-itici kuvvetin üretilmesinden

sorumlu sistemler ile birlikte adenosin trifosfatazlar (ATPazlar) ile birlikte. Duvar

sentezleyen enzimler de vardır. Örneğin, kitin sentetaz, gerektiğinde proteolitik

bölünme ile aktive edilen aktif olmayan bir formda bulunur.

2.10.3. Çekirdek

Gözenekleri düzenli aralıklarla yerleştirilmiş bir çift zar ile çevrilidir. Bu organel,

hücresel DNA'nın çoğunluğunu (% 80-85) içerir; geri kalan kısım mitokondri veya

sitoplazmada dairesel moleküller halinde bulunur (aşağıya bakınız). S. cerevisiae'nin

haploid hücreleri, tipik bir bakteriden 3-10 kat daha fazla ve memeli hücrelerinden

yaklaşık 100-150 kat daha az yaklaşık 12000kbp DNA içerir. Nükleer DNA, bazik

histon proteinleri ile ilişkilidir ve 150-2500 kb / s'den oluşan 16 doğrusal kromozom

30

formundadır. 6000'den fazla gen tanımlanmıştır, ancak yaklaşık% 50'sinin bilinmeyen

bir işlevi vardır. Çekirdeğe bağlı, hem çekirdeğe hem de sitoplazmik matrise geçen

mikrotübüllere sahip bir plak olarak adlandırılan bir yapıdır. Hayvan hücrelerinin

sentriollerine benzer bir şekilde işlev görür ve çoğaltılmış kromozomların mitoz

sırasında ayrıldığı mili oluşturur.

2.10.4. Mitokondri

Tamamen gelişmiş mitokondri sadece aerobik olarak büyüyen mayalarda bulunur.

Anaerobik koşullar altında bunlar, promitokondri olarak adlandırılan basit yapılardır,

çünkü anaerobik büyüme, farklılaşmalarını indükler. Tamamen gelişmiş organeller,

çift zar ile çevrelenmiş, çubuk şeklinde küreseldir. İç zar, elektron taşınması ve

oksidatif fosforilasyonla ilgili proteinlere sahiptir ve cristae adı verilen daha sıkı

benzeri yapılar oluşturmak için organelin lümenine katlanır. Lümenin içinde,

trikarboksilik asit (TCA) döngüsü, ribozomlar ve mitokondriyal proteinlerin yaklaşık%

10'unu kodlayan 75 kb'lik dairesel DNA moleküllerinin enzimlerinin çoğunu içeren sıvı

bir matris bulunur.

"Petite" maya mutantları mitokondriden yoksundur ve bu nedenle solunum

yetmezler. Sadece fermentatif olarak büyüyebilirler ve katı ortamda kolonileri vahşi

tip kolonilere kıyasla çok küçüktür, bu nedenle isimleri.

2.10.5. Diğer Organeller ve Sistoplazmik Yapılar

31

Sitoplazmik matris ayrıca ribozomlar, çeşitli tek zara bağlı organeller ve vakuoller,

mikrotübüller ve mikro ments lamentlerden oluşan bir hücre iskeleti ve ayrıntılı bir

membran sistemi olan endoplazmik retikulum içerir. Endoplazmik retikulum, hücre

zarı ve mitokondrinin dış zarı ile süreklidir. Vezikül üretimi ile diğer ökaryotların Golgi

cisimlerine benzer şekilde ilişkilidir, ancak maya aparatı daha az tanımlanmıştır.

Olgunlukta hücre, daha küçük vakuollerin füzyonundan kaynaklanan büyük bir

vakuole sahiptir. Bu hidrolitik enzimler içerebilir ve ayrıca belirli besinler için bir depo

görevi görür.

Peroksizomlar ve glikoksizomlar dahil olmak üzere mikrobodylar, çeşitli spesifik

enzimleri içeren membrana bağlı organellerdir. Peroksizomlar katalaz ve çeşitli

oksidazlar içerir ve glikoksizomlar katalaz ve glikoksilat döngüsünün enzimlerine

sahiptir. Peroksizomların sayısı ve boyutu, ortama ve mevcut besin maddelerine

bağlı olarak değişir. Örneğin, metilotropik mayalar (örneğin Pichia pastoris) metanol

gibi C1 substratları üzerinde yetiştirildiğinde, bu substratın metabolizması için gerekli

metanol oksidaz, katalaz ve diğer enzimleri içeren birkaç büyük peroksizom

geliştirirler.

Mayaların sitoplazmik depolama granülleri çoğunlukla lipit veya karbonhidrat

içerir. İkincisi, indirgeyici uçları (1–1-a-glukopiranosido-a-glikopiranosid) ile bağlanan

iki glikoz tortusunu içeren polisakarit glikojeni ve disakkarit trehaloz içerir. Bu

karbonhidratlar bir maya hücresinin kuru ağırlığının% 40'ını oluşturabilir. Glikojen

baskın depolama maddesidir, ancak trehaloz oranı aerobik koşullar altında ve belirli

stresler altında artar. Açlık ve solunum adaptasyonu dönemlerinde glikojenin rolü

olduğu düşünülürken, trehaloz sadece ilkinde yer alabilir.

32

S. cerevisiae'nin sitoplazmik matrisi ayrıca kromozom dışı 2mm plazmidin 50-

60 kopyasını içerebilir. Bununla birlikte, bu plazmidlerin içerdiği tek bilgi kendi

bakımları içindir. Onlara sahip olan hücrelere bariz bir avantaj sağlamazlar. Bununla

birlikte, dönüşüm süreçleri yoluyla mayaların genetik modifikasyonunda çok yararlı

vektörler olduklarını kanıtlamışlardır. Bazı suşlarda başka kromozom dışı elemanlar

da bulunmuştur ve bunlar virüs benzeri çift-sınıflı doğrusal RNA moleküllerini içerir.

33

KAYNAKÇA

Endüstriyel Mikrobiyolojiye Giriş, Michael J. Waites, Neil L. Morgan, John S. Rockey,

Gary Higton Çeviri Editörü Doç. Dr. İrfan TURHAN, Palme Yayıncılık 2015.