Кіріспе

Endo 1,4 β-ксиланаза (жүйелік атауы 4 β D-ксилан-ксиланогидролаза) – сызықты полисахарид ксиланды ксилозаға ыдыратып, осылайша өсімдік жасуша қабырғаларының негізгі компоненттерінің бірі – гемицеллюлозаны ыдырататын ферменттер класының кез келген түрі: ксиландардағы (1→4) β D-ксилозидтік байланыстардың эндогидролизі.

Ксиланаза микроорганизмдердің өсімдіктермен қоректенуі үшін өсімдік материалдарын пайдалы заттарға ыдыратуда маңызды рөл атқарады. Ксиланазалар саңырауқұлақтар, бактериялар, ашытқылар, теңіз балдырлары, протозоалар, жұмырқыншақтар, қабықшалылар, жәндіктер, тұқымдар және т.б. арқылы өндіріледі. Сүтқоректілер ксиланаза өндірмейді. Дегенмен, ксиланазалардың негізгі коммерциялық көзі – жіп тәрізді саңырауқұлақтар. Зерттеулер целлюлоза мен өсімдік биомассасының ферменттік түрлендіруіндегі ксиланазалар мен басқа көмірсулардың механизмін, кинетикасын және синергиялық өзара әрекеттесуін түсінуге бағытталған. Ксиланазаның коммерциялық қолданылуларына қағаз жасау процесінен бұрын ағаш массасын хлорсыз ағарту және сіліктердің қорытылуын арттыру (осы тұрғыдан, ол ферментативтік компостинг үшін де қолданылады) жатады. Бүгінде ксиланаза ғылыми зерттеулердің маңызды саласы болып табылады, зерттеулер ферменттің құрылымдық және функционалдық қасиеттерін әр түрлі биотехнологиялық процестерде пайдалануды оңтайландыру үшін зерттейді. Оның қолданылуы сусын және нан-тоқаш өнеркәсібіне, қағаз өндірісіне, тіпті құс азығына қосылатын қоспаларға дейін жетеді, бұл ферменттің өнеркәсіп пен экономикаға кең әсерін көрсетеді.

Жіктеу

Ксиланазалар кем дегенде үш тәсілмен жіктеледі: молекулалық салмағы және изоэлектрлік нүктесі, кристалдық құрылымы мен кинетикалық қасиеттері, немесе субстратқа қатысты ерекшелігі және өнімдеріне сәйкес. Ксиланазаларды жіктеудің ең қолайлы жүйесі – каталитикалық домендердің бастапқы құрылымын және оларды салыстыруды негізге алады. CAZy дерекқорына (http://www.cazy.org/) сәйкес, ксиланазалар (EC 3.2.1.8) гликозид гидролазалар (GH) 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 16, 26, 30, 43, 44, 51 және 62 топтарымен байланысты. Олардың ішінде GH 10 және 11 топтарындағы ксиланазалар ең мұқият зерттелген. GH 10 тобы эндо 1,4 β-ксиланазалар мен эндо 1,3 β-ксиланазалардан (EC 3.2.1.32) тұрады. Бұл топтың мүшелері ксилобиоз және ксилотриозаның β-арил гликозидтерін агликондық байланыста гидролиздеуге де қабілетті. Бұған қоса, бұл ферменттер қысқа ксилоолигосахаридтерде өте активті, бұл кішкентай субстрат байланысу орындарын көрсетеді. 11-ші топ тек ксиланазалардан (EC 3.2.1.8) тұрады, сондықтан оларды «нағыз ксиланазалар» деп қарастырады, себебі олар тек диксилозалы субстраттарда ғана активті. Барлық ксиланазалардың ішінде эндоксиланазалар гликозидтік байланыстарды үзуге және қысқа ксилоолигосахаридтерді босатуға тікелей қатысқандықтан ең маңызды болып табылады. Иілгіш саңырауқұлақтар жасушадан тыс ксиланазаның көп мөлшерін бөліп шығарады, олар көбінесе целлюлолиттік ферменттермен бірге кездеседі, мысалы, Trichoderma, Penicillium және Aspergillus түрлерінде. Саңырауқұлақтың ксиланазаларын көптеген саңырауқұлақтар өндіреді, оның ішінде Aspergillus, Trichoderma және Penicillium түрлері бар. Бұл саңырауқұлақтар ксиланазаның көп мөлшерін бөліп шығару қабілетімен танымал, оны крафт целлюлозасын өңдеуге, оның ақ түсін жақсартуға және лигниндік заттарды кетіруге пайдалануға болады. Мысалы, Aspergillus niger ксиланазаның өнімді өндірушісі болып табылады және биомасса қалдықтарының ыдырауын оңтайландыру үшін түрлі зерттеулерде қолданылды. Trichoderma түрлері де ксиланаза өндірісімен ерекшеленеді, олар көбінесе биомассаны тиімді ыдырату үшін басқа саңырауқұлақ түрлерімен бірге қолданылады. Мысалы, Bacillus түрлері мал азығында азықтың тұтқырлығын азайту және қоректік заттардың сіңуін жақсарту үшін қолданылады. Streptomyces түрлері тек ксиланаза ғана емес, сонымен қатар кең спектрлі саңырауқұлаққа қарсы белсенділікті көрсетеді, бұл ауыл шаруашылығында пайдалы болуы мүмкін.

Оңтайлы температура

Ксиланазаларды олардың белсенділігі үшін оңтайлы температураға қарай жіктеуге болады. Мезофильдік ксиланазалар орташа температурада, әдетте 40-50°C шамасында тиімді жұмыс істейді, бұл оларды бөлме температурасында немесе оған жақын температурада жүзеге асырылатын процестерге қолайлы етеді. Ал термофильдік ксиланазалар жоғары температурада, 60°C-тан жоғарыда оңтайлы белсенділік көрсетеді, бұл жоғары температура талап ететін өнеркәсіптік процестер үшін пайдалы, себебі бұл ферменттер тұрақтырақ болады және осы жағдайларда белсенділігін сақтай алады. Мысалы, бір зерттеу GH10 руминалдық ксиланазаларындағы C терминалы пролинге бай тізбек оңтайлы температура диапазонын кеңейтетінін, соның нәтижесінде жоғары жұмыс температурасын қажет ететін процестерде олардың тиімділігін арттыратынын көрсетті.

Оптималды pH

Ксиланазалардың активтілігі қоршаған ортаның pH деңгейіне де өте тәуелді. Көптеген ксиланазалардың ең қолайлы pH көрсеткіші қышқылдан бейтарапқа дейінгі аралықта (pH 4-7) болады. Бұл ерекшелікті түсініп, оны басқару арқылы нақты биомасса түрлерін тиімдірек ыдыратуға қол жеткізуге болады.

Катализациялық механизм

Ксиланазалардың катализдік механизмі белсенді орталықтағы екі сақталған глутамат қалдығын қамтиды, олар ксиландағы β 1,4-ксилозидтік байланыстарды үзу үшін сақтап тұру немесе кері қайтару механизмін жеңілдетеді. Сақтап тұру механизмінде бір глутамат нуклеофил ретінде әрекет етеді, ковалентті гликозил-фермент аралық қосылысын түзсе, екіншісі қышқыл/негіз катализаторы болып табылады. Кері қайтару механизмінде екі глутамат та жалпы қышқыл және негіз ретінде әрекет етеді, су молекуласының тікелей нуклеофилдік шабуылын жеңілдетеді. Құрылымдық зерттеулер және сайтқа бағытталған мутагенез активті орталық қалдықтарының субстратты тану, байланысу және катализ процесіндегі рөлі туралы түсініктер берді.

Ксиланазаның өндірісі

Ксиланазаның өндірісі микробиологиялық ферментациядан, түрлі субстраттарды қолдана отырып, басталады, содан кейін ферменттің экстракциясы, тазартылуы және нақты қолданыстар үшін дайындалуы жүзеге асырылады. Бұл процестің негізгі төрт кезеңі бар: қатты күйдегі ферментация (SSF), су ортасындағы ферментация (SmF), экстракциялау және тазарту, сондай-ақ нақты қолданыстарға арналған дайындама.

Ксиланаза өндіру үшін қатты күйдегі ферментация

Қатты күйдегі ферментация (SSF) – микроорганизмдердің еркін судың жоқтығында немесе одан аз мөлшерде болғанда қатты материалдарда өсу процесі. Бұл әдіс ерекше түрде Penicillium және Aspergillus туыстас саңырауқұлақтар үшін қолайлы, олар ксиланазаның жоғары өнімді құрастырушылары болып табылады. SSF осы саңырауқұлақтардың табиғи ортасын имитациялайды, оларға жоғары ферменттік өнім алуға мүмкіндік береді. Бидай кебегі, күріш шөпшесі және жүгері тізімдері сияқты ауылшаруашылық қалдықтары, микробтық өсу үшін көміртек көзі ретінде қызмет ететін жоғары целлюлоза және гемицеллюлоза құрамына байланысты, жиі субстрат ретінде қолданылады. Мысалы, Penicillium crustosum алдын ала өңделген су гиацинты биомассасын SSF-те пайдалану арқылы ерекше ксиланаза өндірісін көрсетті, бұл фермент өндірісі үшін ауылшаруашылық қалдықтарын пайдалану мүмкіндігін көрсетеді. SmF микроорганизмдердің өсу жылдамдығының жоғары болуымен және SSF-ке қарағанда ферментация уақытының қысқаруымен сипатталады. Trichoderma harzianum бойынша жүргізілген зерттеу, SmF жағдайында өсіру ортасын оңтайландыру арқылы ксиланазаның тиімді өндірісін көрсетті, бұл әдіс өндірістік қолдануға жарамды термостабиль ксиланазаларды өндіруде тиімді екенін көрсетеді. Тазарту кезеңдеріне қажетті тазалық деңгейіне жету үшін ультрафильтрация, хроматография немесе тұндыру әдістері кіруі мүмкін. Мысалы, полиэтиленгликоль және натрий цитратына негізделген АТПС ксиланазаны жоғары тиімділікпен және тазарту коэффициентімен экстракциялау үшін қолданылды.

Өнеркәсіптік қолдану

Ксиланазалардың әмбебаптығы оларды қағаз және целлюлоза, азық-түлік, мал азығы, биотоплик және тоқыма өнеркәсіптерінде, соның ішінде кеңінен пайдалануға мүмкіндік берді.

Масса және қағаз өнеркәсібі

Қағаз өндірісінде дәстүрлі ағарту процесі хлор және сутек пероксиді сияқты күшті химиялық заттарды қолдануды қамтиды, бұл қоршаған ортаға зиян келтіруі мүмкін. Дегенмен, ксиланазалардың биоағарту агенті ретінде енгізілуі осы процесті түбегейлі өзгертті. Ксиланазалар қағаз массасының ксилан компонентін таңдап ыдыратып, лигнинді жоюға көмектеседі, соның салдарынан ағартуға қажетті химиялық заттардың мөлшерін азайтады.

Мал азығы өндірісі

Мал азығында ксилан сияқты крахмал емес полисахаридтердің болуы қоректік заттардың сіңуін төмендетіп, азықтың тұтқырлығын арттыруы мүмкін, бұл жануарлардың өнімділігіне теріс әсер етеді. Ксилан бидай ұнынан қамырды өңдеуді және пісірілген өнімдердің сапасын жақсарту үшін; кофе, өсімдік майлары мен крахмалдың алынуы үшін; ауылшаруашылық силажы мен дәнді азықтардың тағамдық қасиеттерін жақсарту үшін; және пектиназа мен целлюлазамен бірге жеміс шырындарын тазарту және зығыр, қымыз, джут және рамия сияқты өсімдік талшықтарын тазарту үшін қолданылады. Биотехнологияда ксиланаза ферменттерінің маңызды ерекшеліктері туралы көптеген ғылыми еңбектер бар, олар микробиологиялық көздерден іздеуден бастап, өндіріс әдістері, сипаттамасы, тазарту және коммерциялық салаларда қолданылуына дейін қамтиды. Ксиланазаның кейбір қолданулары үшін жоғары температураға төзімділік қажет, оны тиісті микробиологиялық ферменттерді таңдау арқылы қамтамасыз етуге болады.

Сонымен қатар, ксиланаза nl компаниясы шығаратын s500 және us500 қамыр кондиционерлерінің негізгі компоненті болып табылады. Бұл ферменттер қамырдың жұмыстылығын және суды сіңіру қабілетін жақсарту үшін қолданылады.

Сақтаудың оңтайлы жағдайы

Ксиланаза препараттарын дұрыс сақтау олардың белсенділігі мен тұрақтылығын сақтау үшін, сондай-ақ ферменттердің ыдырауымен немесе ластануымен байланысты ықтимал қауіптердің алдын алу үшін маңызды. Ксиланазаларды сақтаудың оңтайлы жағдайлары ферменттің нақты құрамына және өндірушінің ұсыныстарына байланысты өзгеруі мүмкін. Жалпы, ксиланазаларды салқын, құрғақ жерде, тікелей күн сәулесі мен жылу көздерінен алыс сақтау керек. Көптеген ксиланаза препараттарын 4°C мен 25°C аралығында сақтау ұсынылады. Аллергиялық реакцияның белгілеріне астма немесе ринит сияқты тыныс алу қиындықтары, сондай-ақ терінің тітіркенуі немесе дерматит жатады. Сирек жағдайларда анафилаксия сияқты ауыр аллергиялық реакциялар болуы мүмкін. Аллергиялық реакциялардың қаупін азайту үшін ксиланаза препараттарымен жұмыс істегенде дұрыс қолдану және қорғау шараларын сақтау қажет. Бұл, әсіресе ферменттің ұнтақ немесе аэрозоль түрімен жұмыс істегенде, қолғап, қорғау көзілдірігі және тыныс алу мүшелерін қорғау сияқты тиісті жеке қорғаныш құралдарын (ЖҚҚ) киюді қамтиды. Сонымен қатар, ауаны жақсы желдету және шаңның таралуын бақылау шараларын қолдану керек. Ксиланазалар көбінесе қауіпсіз және уытты емес деп есептелсе де, оларды қолданумен байланысты ықтимал қауіптерді, әсіресе сезімтал адамдарда аллергиялық реакциялардың пайда болу мүмкіндігін білу маңызды. Осы қауіптерді азайту үшін тиісті ЖҚҚ қолдану және жеткілікті желдетуді қамтамасыз ету сияқты дұрыс қолдану және қорғау шараларын сақтау керек. Сонымен қатар, ксиланаза препараттарын салқын, құрғақ жерде және тығыз жабылатын ыдыстарда сақтау олардың белсенділігін, тұрақтылығын және қауіпсіздігін сақтау үшін маңызды. Осы нұсқауларды және өндірушінің ұсыныстарын орындау арқылы ксиланазаларды өнеркәсіптік қолдану қауіпсіз және тиімді жүзеге асырылуы мүмкін.