Eksopolüsahhariidid
Eksopolüsahhariidid (EPS) on kõrge molekulmassiga (10–1000 kDa) polüsahhariidid, mis eralduvad keskkonda mikroobide elutegevuse käigus.
Polüsahhariide võib jagada rakusisesteks, struktuurseteks ja rakuvälisteks polüsahhariidideks (eksopolüsahhariidid). EPS-id jagunevad omakorda homo- ja heteropolümeerideks, mis leidnud juba kasutust farmaatsias, reoveepuhastusjaamades, toiduaine- ja kosmeetikatööstuses ning ka herbitsiitide (umbrohumürkide) ja insektitsiitide (putukamürkide) tootmisel.[1]
Viimastel aastatel on suurenenud huvi bakteriaalsete polümeeride vastu. Rakuväliseid biopolümeere võib jagada nelja suuremasse klassi: polüsahhariidid, polüfosfaadid, polüestrid ja polüamiidid. Nende peamisteks ülesanneteks on kleepumine pindadele (adhesioon), kaitse algloomade ja immuunsüsteemi rünnaku (fagotsütoos) ning ebasoodsate keskkonnatingimuste eest (kuivus). Näiteks on polüsahhariididel bakterite rakuseinas ehituslik ja kaitseline funktsioon (teihhuuhapete koostises). Rakust väljaspool moodustavad nad sidusa kihi (kapsel), mis aitab paremini pindadele kleepuda ja võib olla ka suhkrute varuks. Eksopolüsahhariidid on olulised biokile moodustamisel.[2] Erinevat tüüpi polüsahhariide toodavad taimed (tselluloos, pektiin, tärklis), vetikad (agar, alginaat ja karrageen) ja bakterid (alginaat, dekstraan, ksantaankumm) ning neid on võimalik kasutada toidulisanditena tarretamise ja paksendamise eesmärgil. Eksopolüsahhariidide koostis ja loomus sõltub keskkonnatingimustest, sünteesiradadest ja ka mikroobide kasvukiirusest.[3]
Struktuur
Eksopolüsahhariide sekreteeritakse kahes vormis: kapslina, mis on seotud rakuseinaga, või limana, mida eritatakse keskkonda vabade polümeeridena. Eristatakse kahte põhilist rühma: homo- ja heteropolüsahhariidid. Homopolüsahhariidide sünteesil kasutatakse substraadina sahharoosi. Sahharoosist saab sünteesida kahte tüüpi polüsahhariide: glükaane ehk dekstraane (koosnevad seotud glükoosi jääkidest) ja levaane (koosnevad fruktoosi jääkidest). Sahharoos hüdrolüüsitakse ja sideme hüdrolüüsil vabaneva energia arvel polümeriseeritakse kas fruktoosi või glükoosi jäägid (3–8 suhkrujääki). Heteropolüsahhariidid koosnevad vähemalt kahest erinevast suhkrust (glükoosist, galaktoosist, ramnioosist) ja nende kordustest. Algmaterjal moodustatakse raku sees ning kandjavalkude abil toimetatakse see läbi membraani, kus saab toimuda lõplik polümeriseerumine. Heteropolüsahhariidide molekulmass jääb vahemikku 4,0x104–6,0x106 Da.
I
a) →6)-α-D-Glc-(1→6)-α-D-Glc-(1→6)-α-D-Glc-(1→
b) →2)-β-D-Fru-(2→6)-β-D-Fru-(2→6)-β-D-Fru-(2→
c) →1)-β-D-Fru-(2→1)-β-D-Fru-(2→1)-β-D-Rru-(2→
II
a) →3)-α-D-Glcp-(1→2)-β-D-Galf-(1→6)-α-D-Galp-(1→6)-α-D-Galcp-(1→3)-β-D-Galf-(1→
I Homopolüsahhariidid a) dekstraan, b) levaan, c) inuliin
II Heteropolüsahhariid Lactobacillus rhamnosus KL37’st [3]
Biokiled
Eksopolüsahhariidid moodustavad biokiledes (biofilmid) 50–90% kogu orgaanilisest materjalist. Bakterid sünteesivad neid, et kaitsta sealseid mikroobe ebasoodsate keskkonnatingimuste eest. EPS-id täidavad bakterirakkude vahelised alad ja koos valkude, nukleiinhapete ja lipiididega moodustavad biokile aluse (maatriksi) – joonis 1. Eksopolüsahhariidid kaitsevad bakteri rakke faagide ja algloomade rünnakute, osmootse stressi ja kuivuse eest. Biokile aitab bakteritel üle elada ka kahjulikud keskkonnatingimused, näiteks liiga kõrged või madalad temperatuurid ning pH tasemed.
Tabel 1. EPS-ide rollist biokiles – näited eksopolüsahhariidide rollist biokiles [2]
| Protsess | Eksopolüsahhariidide olulisus biokiledes |
|---|---|
| Adhesioon | Eksopolüsahhariidid kindlustavad esmase ja ka pikemaajalise kinnitumise pindadele. |
| Bakterirakkude kokkukleepumine | Kokkukleepumine on võimalik tänu EPS-idele, seega toimub ka ajutine bakteri populatsiooni immobilisatsioon→järgnev areng toob kaasa kõrge raku tiheduse ja rakk-raku äratundmise. |
| Vee kinnihoidmine | Hüdrofiilsetel (vett armastavatel) eksopolüsahhariididel on kõrge vett tõrjuv võime – nad suudavad hoida niisket keskkonda ümber biokile ja sellega suudetakse üle elada ka kuivad keskkonna tingimused. |
| Biokile kohesioon | Neutraalsed ja laetud EPS-d moodustavad vett sisaldava polümeerse võrgustiku (biokile maatriks), vahendades biokile mehaanilist stabiilsust, määrates selle ehituse ja lubades ka rakk-rakk suhtlust. |
| Toiduallikas | Eksopolüsahhariidid on süsiniku, lämmastiku ja fosfori allikad, mida kasutavad ära biokile asukad. |
| Ensüümide sidumine | Mitteglükolüütsete rakuväliste ensüümide seondumine eksopolüsahhariididega viib stabiilsuse säilitamise ja kuhjumiseni. |
Eksopolüsahhariide tootvad bakterid
EPS-e on isoleeritud paljudest arhede, bakterite, seente ja vetikate perekondadest. Enamasti on nad kuulunud meso-, termo- ja halofiilsetesse gruppidesse. Piimhappebakterid on teada-tuntud mesofiilsed EPS-ide tootjad; näiteks Lactobacillus Bulgaricus, Lactobacillus helveticus, Lactobacillus brevi, Lactococcus lactis, Leuconostoc mesenteroides ja Streptococcus spp. Lisaks neile piimhappebakteritele on potentsiaalsed eksopolüsahhariidide tootjad Pseudomonas spp., Acetobacter spp., Aureobasidium spp., Sinorhizobium spp., Escherichia spp.[1] Samuti on suutelised rakuväliseid sahhariide tootma mitmed teisedki mikroorganismid. Näiteks termofiilseid mikroobe on leitud peaaegu igast arhede ja bakterite hõimkonnast. Neid on isoleeritud erinevatest keskkondadest: mere kuumaveeallikad (sügavad ja pinnapealsed), maapealsed kuumaveeallikad. Mõlemad on olulisteks elupaikadeks EPS-e tootvatele mikroobidele. Arhede perekonnad Thermococcus ja Sulfolobus toodavad eksopolüsahhariide – Archaeoglobus fulgidus ja Thermococcus litoralis, kuhjates EPS-e biokile eesmärgil. Ka termofiilsete bakterite seas on rakuväliste sahhariidide tootjaid, näiteks Bacillus thermantarcticus, Geabacillus thermodenitrificans ja Bacillus licheniformis. EPS-ide tootjaid leidub ka halofiilsete arhede (näiteks Haloferax, Haloarcula) ja bakterite seas. Kõige tuntumaks bakteri perekonnaks on Halomonas, kelle eksopolüsahhariidid sisaldavad suurtes kogustes sulfaate ja uroonhapet, mis annavad EPS-idele hea tarretava toime.[3]
Probiootilised bakterid
Probiootikumid on elusate mikroorganismide kogum, mis mõjutab soodsalt inimese mikrofloorat jämesooles ja parandab tervislikku seisundit. Sugukonna Lactobacillus ja Bifidobacterium esindajad on kõige tuntumad neist, keda kasutatakse mitte ainult inimeste seedimise parendamiseks, vaid ka farmaatsias või biomeditsiinis. Probiootikumid suudavad säilitada tasakaalu sellistes ökosüsteemides nagu inimese seedetrakt mitmel viisil, näiteks takistavad patogeenide kiiret vohamist (probiootilised bakterid hõivavad substraadi kiiremini ning patogeenidel pole kuhugi kinnituda). Probiootikumidest on kasu ka organismi üldise vastupanuvõime tõstmisel – nimelt stimuleerivad nad immunoglobuliinide teket mitte ainult soolestikus, vaid ka mujal organismis. Siiski probiootikumide tõhusus sõltub tüvest ja iga tüvi võib mõjuda peremehe tervisele erinevate mehhanismide näol. Näiteks piimhappebakterid vähendavad laktoosi talumatuse sümptomeid, alandavad kolesterooli taset, ennetavad diarröad (kõhulahtisust), vahendavad immuunvastuseid ja vähivastaseid aktiivsusi, leevendavad allergiaid. Nad võivad isegi ennetada või takistada patogeensete bakterite kasvu. Kõik need efektid sõltuvad kinnitumisest pinnale ja ellujäämisest konkreetsetes seedesüsteemi piirkondades. Lisaks on oluline patogeenide olemasolu ja kuidas bakterid nende vastu võidelda suudavad.[3]
Kasutusalad
Eksopolüsahhariide on võimalik kasutada toidus, farmaatsias, biomeditsiinis, heitvee töötlemisel ja veel paljudel aladel tänu nende laiale keemilise ja ehitusliku varieeruvusele. Üldjuhul on EPS-ide kasutamine piiratud, sest neid on kallis suuremates kogustes toota.[1]
EPS-id toidulisanditena
Toidus võivad rakuvälised suhkrud käituda stabiliseerijate, viskoossuse tekitajate, emulgaatorite või ka vett siduvate osakestena. Suur osa toidus kasutatavatest eksopolüsahhariididest on taimse päritoluga. Bakteriaalsetel EPS-idel on ainulaadsed reoloogilised (voolavad) omadused ja seetõttu suudavad nad tekitada vägagi tihkeid lahuseid madalatel kontsentratsioonidel. Üks esimesi tööstuslikult kasutatavaid EPS-e oli dekstraan, mida toodavad piimhappebakterid. Sõltuvalt keemilistest erinevustest, on ühed dekstraanid veeslahustuvad, teised mitte. Dekstraani saab kasutada kommivabrikutes, et parandada niiskuse säilitamist, viskoossust ja ka suhkru kristallisatsiooni. Jäätises takistab see kristallide moodustumist ja näiteks pudingitele annab dekstraan meeldiva pehme maitse.[1]
Kasulikkus tervisele
Viimastel aastatel on kasvanud vajadus kasutada piimhappebaktereid kui probiootikume. Arvestades seda, et nad suudavad taluda sappi ja happelist keskkonda, on piimhappebakterid võimelised tootma antimikroobseid ühendeid patogeensete ja kattu tekitavate bakterite vastu. Antimikroobsete ühendite tootmine võib olla kasulik probiootiliste bakterite kolooniatele soolelimaskestas, tõstes nende konkurentsi eelistusi normaalse seedesüsteemi mikrorfloora suhtes.[1]
Biotervendus ja heitvee puhastamine
Üha laienev ala biotehnoloogias on EPS-e tootvate mikroorganismide kasutamine heitvee puhastamisel. Biokilet kasutatav biotervendus on märksa tõhusam ja ohutum alternatiiv, sest bakteritel, kes kasvavad biokiles, on suurem võimalus kohaneda erinevate keskkonnatingimustega ja suurem tõenäosus ka ellu jääda. Biokile reaktoreid kasutatakse süsivesinike, raskmetallide eemaldamiseks tööstuslikest ja munitsipaalsetest heitvetest. Tänu võimele lagundada ja siduda metalliioone, suudavad eksopolüsahhariidid eemaldada keskkonnast kahjulikud raskmetallid. Enamasti on sellisteks bakteriteks sulfaate redutseerivad bakterid, lisaks veel ka Enterobacteria ja Pseudomonas’e esindajad.[1]
Tabel 2. Näiteid eksopolüsahhariidide kohta[2]
| Bakteriaalne eksopolüsahhariid | Polüsahhariidi monomeerid | Molekulmass | Omadused | Kasutusalad | Näited |
|---|---|---|---|---|---|
| Dekstraan | Glükoos | 106–109 | Laenguta, stabiilne, käitub nagu vedelik | Toit, farmaatsiatööstus | Leuconostoc mesenteroides |
| Alginaat | Glükuronaat ja mannuronaat | (0,3–1,3)x106 | Tarretav toime, biokile moodustamine | Toit ja meditsiin hüdrokolloid (imab liigse vedeliku) | Pseudomonas aeruginosa ja Azotobacter vinelandii |
| Ksantaan | Glükoos, mannoos ja glükuronaat | (2,0–50)x106 | Suure viskoossusega, kannatab laia temperatuuri, pH ja soolade kontsentratsiooni vahemikke | Toit, naftatööstus, farmaatsia, kosmeetika ja hügieenitarbed | Xanthomonas spp. |
| Tselluloos | Glükoos | ~106 | Venitatav, ei lahustu paljudes lahustes (nanokiud) | Toit (seedimata kiud), biomeditsiin (haava parandamine) | Acetobacter spp. |
| Suktsinoglükaan | Glükoos ja galaktoos | 5x103–1x106 | Kõrge viskoossusega, happe stabiliseerija | Toidu ja õli taastöötlemine | Alcaligenes faecalis var. myxogenes |
| Glükuronaan | Glükuronaat | 6x104–6x105 | Tarretav ja paksendav toime | Toidu- ja kosmeetikatooted | Gluconacetobacter hansenii, Sinorhizobium meliloti |
| Kolaanhape | Fukoos, glükoos, glükuronaat, galaktoos | 2x104–6x105 | Tarretav toime | Kosmeetika ja hügieenitarbed | Escherichia coli, Shigella spp., Salmonella spp., Enterobacter spp. |