Pécs Miklós: Biotermék technológia 2.
8. Gibberellinsav gyártása
Gibberellinek A japán földmővesek régóta tartottak a rizs növény egy megbetegedésétıl, amit „bakanae”nak (bolond palántának) neveztek. A fertızött növény sokkal magasabbra nıtt, mint a többi, ettıl végül is kidılt és nem lehetett learatni. A 1898-ban Kurosava azonosította, hogy az abnormális növekedést egy parazita gomba jelenléte okozza (Gibberella fujikuroi = imperfect alakja a Fusarium moniliforme). Az ötvenes években felújították a kutatásokat, és egy sor anyagot izoláltak, amelyek elısegítik a rizs palánták növekedését. A növekedést az a jelenség okozza, hogy a gomba anyagcseréje során a növényi növekedési hormonnal azonos molekulát állít elı, ráadásul jóval nagyobb mennyiségben, mint a növényi sejtek. Ma már több mint 110féle gibberellin számazék ismeretes (melynek körülbelül 30%-a biológiailag aktív). Gibberellineket alapvetıen a magasabb rendő növények termelik, a növekedésüket irányító fitohormonok egyik csoportja. A gomba csak „véletlenül” termeli ezt a hormonhatású szekunder metabolitot. A gibberellinek, mint hormonok, nem csak a lineáris növekedés fokozzák, hanem - gyorsítják a virág kifejlıdését, növelik a méretét (el lehet érni, hogy kétnyári növények már az elsı nyáron virágozzanak). - magas szintjük megzavarja a virágok ivarát (kétivarú virágok helyett egyivarúak fejlıdnek, és fordítva) - gyorsítják a magvak csírázását (malátázás) Biokémiailag a gibberellinek szénváza a kaurén vázból származtatható, de a bioszintézis során a középsı hattagú győrő öttagúvá szőkül, így alakul ki a gibberellán alapváz. Ez két karbonsav csoporttal kiegészülve alkotja a gibberellinsavat (GA) (1. ábra).
1. ábra: Gibberellán, gibberellinsav szerkezete
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék
1
Pécs Miklós: Biotermék technológia 2.
8. Gibberellinsav gyártása
2. ábra
Szénatomszám szerint a gibberellinek két csoportra oszthatók: C-19-es és C-20 vegyületekre. A gibberellinsav származékokat az egyszerőség kedvéért számozással azonosítják, GA1 –tıl GA45-ig. A három legaktívabb természetes gibberellinsav molekula:
3. ábra
A GA1 fordul elı a legtöbb növényben, a GA4 a káposztafélékben, a GA3 pedig az a közös forma, amit a növények és a G. fujikuroi egyaránt termelnek. A további azonosított gibberellinek (a bioszintézis köztitermékei, vagy bomlástermékek) inaktívak, vagy elhanyagolható aktivitásúak. Az aktivitást egy standardizált törpe rizs fajta növekedésével mérhetjük.
4. ábra Kémiailag a gibberellinek a terpének közé tartoznak, azaz izoprén egységekbıl épülnek fel.
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék
2
Pécs Miklós: Biotermék technológia 2.
8. Gibberellinsav gyártása
A bioszintézis a kloroplasztban kezdıdik, ott alakul ki a kaurén váz. A második szakasz az endoplazmás retikulumban megy végbe, a B győrő beszőkülésével kialakul a gibberellán váz. Továbblépve a citoszolban mőködik a GA20-oxidáz, amely GA köztitermékeket hoz létre. Ezután következik a GA3-oxidáz, amely létrehozza a ténylegesen aktív és hatékony GA4-et és GA1-et. A hatékony szabályozáshoz a hormonszintet csökkentı mechanizmusokra is szükség van, ezt a szerepet a GA-2 oxidázok töltik be. A 2 pozícióban hídroxilezett vegyületek hormonálisan mind inaktívak. A bioszintézist károsító mutáció, vagy egyes lépéseket blokkoló inhibítorok törpenövést idéznek elı a növényekben. 5. ábra A gibberellinsav gyártása A gibberellinsav (GA3) fermentációs úton elıállítható. A fermentációhoz használt törzs a Gibberella fujikuroi, levegıztetett, szubmerz tenyészetben. A tenyésztési hımérséklet 25 fok, a pH gyengén savas, 3,5 alá nem csökkenhet. A folyamat tipikus szekunder metabolit fermentáció, a növekedési és termékképzési fázis elkülönül egymástól. A folyamat kulcsmetabolitja a glicin, melynek jelenléte nagyon fontos a sejtek növekedéséhez, a termékképzés viszont már glicin-limitben történik.
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék
3
18
0,2
16
0,18
14
0,16
12
0,14
(g/l)
8. Gibberellinsav gyártása
gibberellin
micélium, glicin (g/l)
Pécs Miklós: Biotermék technológia 2.
0,12
10
0,1
8
0,08
6
0,06
4
0,04
2
0,02
0 0
50
0 150
100
micélium szárazanyag glicin gibberellin
Fermentáció ideje (h)
6.a 0,18 0,16 0,14
fajlagos növekedési sebesség
0,12 0,1 0,08
fajlagos termékképzési sebesség x 103 (1/h)
0,06 0,04 0,02 0 0
20
40
60
80
100
120
Fermentáció ideje (h)
6.b 6. a, b ábra: Gibberella fujikuroival végzett szakaszos gibberellin fementáció, glicin limitben (Bu’Lock et al., 1974); micélium szárazanyag, glicin és a keletkezett gibberellinek mennyiségi változásai; fajlagos növekedési és termékképzési sebesség alakulása a fermentáció során
Az ábra régi adataihoz képest a modernebb technológiákban a fermentáció ideje lerövidült, és az elérhetı gibberellin koncentráció elérte az 1-2 g/l-t. A termék intracelluláris, ezért a folyamat végén autolízis elérésére törekednek, így a termék kiszabadul az oldatba. Feldolgozás: A gibberellinek izolálása semleges közegben megvalósítható anioncserélı gyantán, mivel gyenge savként viselkedik. További lehetıséget jelent a szerves oldószeres extrakció savas közegben, ahol disszociációja visszaszorul és jobban oldódik szerves oldószerben. A gibberellinek felhasználása sokrétő. - A malátagyártásban az árpa csírázásának gyorsulását lehet elérni a gibberellin adagolással. Hatására ugyanis aminosavak szabadulnak fel, amelyekbıl enzimek képzıdnek. Így gyorsabban és nagyobb mennyiségő alfa-amiláz enzim képzıdik. Németországban a sörtisztasági törvényre hivatkozva használatukat betiltották. BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék
4
Pécs Miklós: Biotermék technológia 2.
8. Gibberellinsav gyártása
- Ezen kívül gyümölcshozam–fokozásra is alkalmazzák, elsısorban, de nem kizárólag a citrusfélék esetében. - A növényi szövettenyésztésben az auxinok és a citokinek mellett a gibberellinek is széleskörően használatosak növekedés-szabályozóként. A világon évente körülbelül 5 tonna gibberelint állítanak elı. A legnagyobb gyártók az USA (AbbottLab), Kína (növekvı mértékben), Lengyelország. Magyarországon a rendszerváltás elıtt a Phylaxia gyártotta (kb 200 kg/év).
BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék
5
