Svampe ekstracellulær enzymaktivitet - Fungal extracellular enzyme activity

Birkepolypore (Piptoporus betulinus) - geograf.org.org - 1553987

Ekstracellulære enzymer eller exoenzymer syntetiseres inde i cellen og udskilles derefter uden for cellen, hvor deres funktion er at nedbryde komplekse makromolekyler i mindre enheder, der skal optages af cellen til vækst og assimilation. Disse enzymer nedbryder komplekst organisk materiale såsom cellulose og hemicellulose til enkle sukkerarter, som enzymproducerende organismer bruger som kilde til kulstof, energi og næringsstoffer. Grupperet som hydrolaser , lyaser , oxidoreduktaser og transferaser , styrer disse ekstracellulære enzymer jordenzymaktivitet gennem effektiv nedbrydning af biopolymerer .

Planterester, dyr og mikroorganismer trænger ind i den døde organiske stofpulje ved aldring og bliver en kilde til næringsstoffer og energi for andre organismer. Ekstracellulære enzymer er rettet mod makromolekyler såsom kulhydrater ( cellulaser ), lignin ( oxidaser ), organiske fosfater ( fosfataser ), aminosukkerpolymerer ( chitinaser ) og proteiner ( proteaser ) og nedbryder dem i opløselige sukkerarter, der efterfølgende transporteres ind i celler for at understøtte heterotrof metabolisme .

Biopolymerer er strukturelt komplekse og kræver kombinerede handlinger fra et samfund af forskellige mikroorganismer og deres udskillede exoenzymer for at depolymerisere polysacchariderne til let assimilerbare monomerer . Disse mikrobielle samfund er allestedsnærværende i naturen og beboer både terrestriske og akvatiske økosystemer . Cykling af elementer fra dødt organisk materiale af heterotrofe jordmikroorganismer er afgørende for næringsstofomsætning og energioverførsel i terrestriske økosystemer. Eksoenzymer hjælper også fordøjelsen i drøvtyggere, termitter, mennesker og planteædere. Ved at hydrolysere plantecellevægspolymerer frigiver mikrober energi, der har potentialet til at blive brugt af mennesker som biobrændstof. Andre anvendelser til mennesker inkluderer spildevandsbehandling, kompostering og produktion af bioethanol.

Faktorer, der påvirker ekstracellulær enzymaktivitet

Ekstracellulær enzymproduktion supplerer den direkte optagelse af næringsstoffer af mikroorganismer og er knyttet til næringsstoftilgængelighed og miljøforhold. Den varierede kemiske struktur af organisk materiale kræver en række ekstracellulære enzymer for at få adgang til kulstof og næringsstoffer, der er indlejret i detritus . Mikroorganismer adskiller sig i deres evne til at nedbryde disse forskellige substrater, og få organismer har potentialet til at nedbryde alle de tilgængelige plantecellevægsmaterialer. For at detektere tilstedeværelsen af ​​komplekse polymerer produceres nogle exoenzymer konstitutivt ved lave niveauer, og ekspressionen opreguleres, når substratet er rigeligt. Denne følsomhed over for tilstedeværelsen af ​​forskellige koncentrationer af substrat gør det muligt for svampe at reagere dynamisk på den skiftende tilgængelighed af specifikke ressourcer. Fordelene ved exoenzymproduktion kan også gå tabt efter sekretion, fordi enzymerne er tilbøjelige til at denaturere, nedbrydes eller diffundere væk fra producentcellen.

Enzymproduktion og sekretion er en energiintensiv proces, og fordi den bruger ressourcer, der ellers er tilgængelige til reproduktion, er der et evolutionært pres for at bevare disse ressourcer ved at begrænse produktionen. Selvom de fleste mikroorganismer kan assimilere simple monomerer, er nedbrydning af polymerer således specialiseret, og få organismer kan nedbryde genstridige polymerer som cellulose og lignin. Hver mikrobiel art bærer specifikke kombinationer af gener til ekstracellulære enzymer og er tilpasset til at nedbryde specifikke substrater . Derudover reguleres ekspressionen af ​​gener, der koder for enzymer, typisk af tilgængeligheden af ​​et givet substrat. For eksempel vil tilstedeværelse af et opløseligt substrat med lav molekylvægt, såsom glukose, hæmme enzymproduktion ved at undertrykke transkriptionen af ​​associerede cellulose-nedbrydende enzymer.

Miljømæssige forhold såsom jordens pH , jordtemperatur, fugtindhold og plantestrøstype og -kvalitet har potentialet til at ændre eksoenzymekspression og aktivitet. Variationer i sæsonbetingede temperaturer kan skifte mikroorganismers metaboliske behov synkront med forskydninger i plantens næringsstofbehov. Landbrugsmetoder såsom gødningsændringer og jordbearbejdning kan ændre den geografiske fordeling af ressourcerne, hvilket resulterer i ændret eksoenzymaktivitet i jordprofilen . Introduktion af fugt udsætter organisk jordbund for enzymkatalyse og øger også tabet af opløselige monomerer via diffusion. Derudover kan osmotisk chok som følge af vandpotentielle ændringer påvirke enzymaktiviteter, da mikrober omdirigerer energi fra enzymproduktion til syntese af osmolytter for at opretholde cellulære strukturer.

Ekstracellulær enzymaktivitet i svampe under nedbrydning af planter

Plantecelle, der viser primær og sekundær væg af CarolineDahl

De fleste af de ekstracellulære enzymer, der er involveret i polymernedbrydning i bladaffald og jord, er blevet tilskrevet svampe. Ved at tilpasse deres stofskifte til tilgængeligheden af ​​forskellige mængder kulstof og nitrogen i miljøet producerer svampe en blanding af oxidative og hydrolytiske enzymer for effektivt at nedbryde lignocelluloser som træ. Under nedbrydning af plantesand nedbrydes cellulose og andre labile substrater først efterfulgt af lignindepolymerisering med øget oxidativ enzymaktivitet og skift i mikrobiel samfundsammensætning.

I plantecellevægge er cellulose og hemicellulose indlejret i et pektin-stillads, der kræver pektin-nedbrydende enzymer, såsom polygalacturonaser og pektinlyaser for at svække plantecellevæggen og afdække hemicellulose og cellulose til yderligere enzymatisk nedbrydning. Nedbrydning af lignin katalyseres af enzymer, der oxiderer aromatiske forbindelser, såsom phenoloxidaser , peroxidaser og laccaser. Mange svampe har flere gener, der koder for lignin-nedbrydende exoenzymer.

De mest effektive trænedbrydere er saprotrofe ascomyceter og basidiomyceter . Traditionelt klassificeres disse svampe som brunrot (Ascomycota og Basidiomycota), hvid rådne (Basidiomycota) og blød rådne (Ascomycota) baseret på udseende af det rådnende materiale. Brun rådenssvampe angriber fortrinsvis cellulose og hemicellulose; mens hvide rådnesvampe nedbryder cellulose og lignin. For at nedbryde cellulose anvender basidiomyceter hydrolytiske enzymer, såsom endoglucanaser , cellobiohydrolase og β-glucosidase. Produktion af endoglucanaser er bredt fordelt blandt svampe, og cellobiohydrolaser er blevet isoleret i flere hvide rådnesvampe og i plantepatogener. β-glucosidaser udskilles af mange træ-rådnende svampe, både hvide og brune rådnesvampe, mycorrhizalsvampe og i plantepatogener. Foruden cellulose kan β-glucosidaser spalte xylose, mannose og galactose.

I hvide rådnesvampe såsom Phanerochaete chrysosporium induceres ekspression af mangan-peroxidase ved tilstedeværelsen af ​​mangan, hydrogenperoxid og lignin, mens laccase induceres ved tilgængelighed af phenolforbindelser. Produktion af lignin-peroxidase og mangan-peroxidase er kendetegnet ved basidiomycetes og bruges ofte til at vurdere basidiomycete-aktivitet, især i bioteknologiske applikationer. De fleste arter med hvid rådne producerer også laccase, et kobberholdigt enzym, der nedbryder polymert lignin og humiske stoffer.

Brunt rådnende basidiomyceter findes oftest i nåleskove og er så navngivet, fordi de nedbryder træ for at efterlade en brun rest, der let smuldrer. Fortrinsvis angriber hemicellulose i træ efterfulgt af cellulose, efterlader disse svampe lignin stort set uberørt. Det henfaldne træ af blød-rot Ascomycetes er brunt og blødt. En blødrot Ascomycete, Trichoderma reesei , anvendes i vid udstrækning i industrielle applikationer som kilde til cellulaser og hemicellulaser. Laccase-aktivitet er blevet dokumenteret i T. reesei , hos nogle arter i Aspergillus- slægten og i ferskvandsascomycetes.

Måling af fungal ekstracellulær enzymaktivitet i jord, planteaffald og andre miljøprøver

Elektronisk PH-måler

Metoder til estimering af jordenzymaktiviteter involverer prøvehøstning før analyse, blanding af prøver med buffere og anvendelse af substrat. Resultaterne kan påvirkes af: prøvetransport fra markstedet, opbevaringsmetoder, pH-betingelser for assay , substratkoncentrationer, temperatur ved hvilken analysen køres, prøveblanding og forberedelse.

For hydrolytiske enzymer kræves kolorimetriske assays, der bruger et p-nitrophenol (p-NP) -bundet substrat eller fluorometriske assays, der bruger et 4-methylumbelliferon (MUF) -bundet substrat.

Oxidative enzymer såsom phenoloxidase og peroxidase medierer ligninnedbrydning og befugtning. Phenoloxidaseaktivitet kvantificeres ved oxidation af L-3, 4-dihydoxyphenylalanin (L-DOPA), pyrogallol (1, 2, 3-trihydroxybenzen) eller ABTS (2, 2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazolin-6- sulfonsyre). Peroxidaseaktivitet måles ved at køre phenoloxidase-assayet samtidigt med et andet assay med L-DOPA og hydrogenperoxid (H2O2) tilsat til hver prøve. Forskellen i målinger mellem de to assays er indikativ for peroxidaseaktivitet. Enzymassays er typisk anvende proxyer, der afslører enzymernes ekso-virkende aktiviteter. Ekso-virkende enzymer hydrolyserer substrater fra terminalpositionen. Mens aktiviteten af ​​endo-virkende enzymer, der nedbryder polymerer, skal midchain være repræsenteret af andre substratproxyer. Nye enzymassays sigter mod at fange mangfoldighed af enzymer og vurdere den potentielle aktivitet af dem på en mere klar måde.

Med nyere tilgængelige teknologier bruges molekylære metoder til at kvantificere overflod af enzymkodende gener til at forbinde enzymer med deres producenter i jordmiljøer. Transkriptomanalyser anvendes nu til at undersøge genetiske kontroller af enzymekspression, mens proteomiske metoder kan afsløre tilstedeværelsen af ​​enzymer i miljøet og knytte sig til de organismer, der producerer dem.

Behandle Enzym Underlag
Cellulose-nedbrydning Cellobiohydrolase

β-glucosidase

pNP, MUF
Hemicellulose-nedbrydning β-glucosidaser

Esteraser

pNP, MUF
Nedbrydning af polysaccharid α-glucosidaser

N-acetylglucosaminidase

pNP, MUF
Lignin-nedbrydning Mn-peroxidase

Laccase (polyphenoloxidase)

Peroxidase

Pyrogallol, L-DOPA, ABTS

L-DOPA, ABTS

Anvendelser af svampe ekstracellulære enzymer

Ansøgning Enzymer og deres anvendelser
Papirproduktion Cellulaser - forbedrer papirkvaliteten og glatte fibre

Lakser - blødgør papir og forbedrer blegning

Generering af biobrændstof Cellulaser - til produktion af vedvarende flydende brændstoffer
Mejeriindustrien Lactase - en del af β-glucosidasefamilien af ​​enzymer og kan nedbryde lactose til glucose og galactose

Pektinaser - til fremstilling af yoghurt

Bryggeriindustri
Black Sheep Brewery Tour
 Ølproduktion og maltning
Frugt og marmelade fremstilling

Jelly Jars - Tanglewood Gardens - Nova Scotia, Canada

Pektinaser , cellulaser - for at klargøre frugtsaft og danne syltetøj
Bioremediering Laccases - som biotransformatorer for at fjerne ikke-ioniske overfladeaktive stoffer
Spildevandsrensning Peroxidaser - fjernelse af forurenende stoffer ved udfældning
Slambehandling Lipaser - anvendes til nedbrydning af partikelformet organisk materiale
Fytopatogenhåndtering Hydrolytiske enzymer produceret af svampe, f.eks. Fusarium graminearum , patogen på korn, der resulterer i økonomiske tab i landbruget
Ressourcestyring

Vandretention

Jordaggregater og vandinfiltration påvirker enzymaktiviteten
Jordens fertilitet og planteproduktion Anvendelse af enzymaktivitet som indikator for jordkvalitet
Kompostering

Tromler med septiktankslam med forskellige mængder urinstof tilsat (6881892839)

Virkninger af kompostering af kommunalt fast affald på jordens mikrobielle aktivitet
Jord organisk stof stabilitet Virkning af temperatur og jordånding på enzymatisk aktivitet og dens indvirkning på jordens frugtbarhed
Indikatorer for klimaændringer

Indvirkning på jordprocesser

Potentiel stigning i enzymatisk aktivitet, der fører til forhøjede CO2-emissioner
Kvantificere resultaterne af den globale opvarmning Forudsigelser baseret på nedbrydning af organisk materiale i jorden og strategier til afbødning
Effekt af forhøjet CO2 på enzymaktivitet og nedbrydning Forståelse for implikationen af ​​mikrobielle reaktioner og dens indvirkning på terrestrisk økosystemfunktion

Se også

Referencer

Yderligere læsning

eksterne links