Drojdiile ca Agenți Biotehnologici

Microorganismele incluzând bacteriile, drojdiile, fungii filamentoşi şi algele unicelulare au fost folosite în culturi submerse pentru obţinerea diferitelor produse printre care şi biomasa proteică. De la începuturile producţiei pe scară largă de penicilină, streptomicină şi de alte antibiotice şi până la conversia steroizilor de către o varietate de microorganisme, s-au dezvoltat şi o serie de echipamente pentru culturile submerse dintre care, mai utilizate sunt două tipuri: bioreactorul cu agitare mecanică, cu diferite variante de agitatoare şi sisteme de spargere a spumei, fermentatorul airlift care poate fi considerat un hibrid între fermentatorul clasic cu agitare mecanică şi tipul cu draft al fermentatorului airlift.

Factorii limitativi ai dezvoltării celulare în astfel de echipamente de fermentaţie sunt transferul de căldură şi transferul de masă, ultimul influenţând folosirea nutrienţilor, în special a oxigenului de către celule precum şi cantitatea produşilor de metabolism.

În jurul acestui subiect s-a dezvoltat o bogată literatură de specialitate, care descrie efectul acestor factori asupra dezvoltării culturilor submerse microbiene, cu punerea în evidenţă a factorului limitativ pentru producţia de masă celulară şi de metaboliţi primari sau secundari.

În Figura 1 sunt prezentate principalele aplicaţii industriale tradiţionale şi moderne ale drojdiilor bazate pe exploatarea dezvoltării drojdiilor şi pe procesele metabolice specifice acestora la nivel industrial.

Figura 1. Biotehnologii tradiţionale şi moderne bazate pe drojdii.

Accentul este pus pe relaţia dintre fiziologia celulelor de drojdie şi biotehnologie pe de o parte şi ADN recombinant şi tehnologiile de fermentaţie pe de altă parte. Privitor la drojdiile non Saccharomyces, creşterea importanţei lor industriale este în particular datorată producţiei masive de substanţe şi preparate biofarmaceutice. De asemenea a fost evidenţiată importanţa drojdiilor ca modele experimentale în studiile fundamentale ale ştiinţelor biomedicale.

Aspecte privind biologia drojdiilor

Drojdiile sunt benefice pentru omenire, deoarece în cea mai mare măsură sunt utilizate pentru producerea de alimente, vin, bere, substanţe bioterapeutice şi produse farmaceutice. În prezent au fost recunoscute aproximativ şapte sute de specii de drojdie. Deoarece drojdiile sunt adesea utilizate în biotehnologia tradiţională şi modernă, descoperirea de noi specii este legată şi de noile tehnologii.

Pentru descrierea domeniului drojdiilor au fost utilizate mai multe definiţii. În conformitate cu Guilliermond (1912) şi Lodder (1970) drojdiile sunt fungi unicelulari cu reproducere prin înmugurire ori fisiune. În acest sens, s-a recunoscut că drojdiile sunt fungi unicelulari adevăraţi, dar în realitate, majoritatea speciilor de drojdii sunt dimorfice şi produc pseudohife şi hife, pe lângă dezvoltarea unicelulară. Similar, majoritatea fungilor hifali sunt dimorfici şi, în mod uzual, aceştia au fost denumiţi yeast – like.

Identificarea, numirea şi plasarea drojdiilor în propiul lor cadru evolutiv sunt importante pentru multe domenii ale ştiinţei care includ agricultura, medicina, ştiinţele biologice, biotehnologia, industria alimentară.

Investigaţii comparative care includ morfologia, fiziologia, genetica, biochimia, ecologia şi genetica moleculară, au îmbogăţit taxonomia drojdiilor.

Prima perioadă în sistematica drojdiilor care se situează până la nivelul anilor 1960, este caracterizată prin studii aprofundate de morfologie, fiziologie nutriţională comparată şi genetică convenţională.

Iniţial pentru utilizări taxonomice se foloseau teste care se refereau la numărul atomilor de carbon asimilaţi şi la folosirea compuşilor azotului. Wickerman (1951) a extins aceste cercetări şi astăzi aproximativ un număr de 60 de teste sunt utilizate curent şi ele includ fermentaţia şi asimilarea compuşilor carbonului, asimilarea compuşilor azotului, cerinţele în vitamine, rezistenţa la cycloheximide, necesităţi de temperatură.

Studiile genetice relevă prezenţa diferitelor stadii sexuale. Ciclul sexual la ascomicete poate fi haplontic, diplontic ori diplohaplontic. Speciile de drojdii pot fi homotalice, heterotalice, sau o combinaţie a acestora.

A doua perioadă în sistematica drojdiilor este considerată de la 1960 până în prezent, şi este caracterizată printr-o aprofundare a studiului caracterelor morfologice datorită introducerii microscopiei electronice, a aplicării criteriilor biochimice şi a introducerii studiilor de genetică moleculară. Microscopia cu transmisie de electroni a relevat diferenţe între drojdiile ascomicete şi bazidiomicete. Drojdiile ascomicete au pereţii celulari transparenţi la electroni şi conţin în majoritate β - glucani, pătura externă fiind formată din α - manani. Drojdiile bazidiomicete au pereţii celulari cu o structură lamelară netransparentă la electroni şi formaţi în majoritate din β - glucani. Formarea mugurelui este de asemenea diferită la cele două grupuri de drojdii. Drojdiile ascomicete prezintă o înmugurire holoblastică, care constă în participarea întregului perete celular, la formarea noului perete, a mugurelui pe când la drojdiile bazidiomicete care au o înmugurire enteroblastică, participă numai stratul interior al peretelui celular.

Ultrastructura septului arată diferenţe importante între cele două clase de drojdii. Septul la majoritatea ascomicetelor are unul sau mai mulţi micropori. Septul simplu are un singur por central, pe lângă unii pereţi despărţitori de la unele bazidiomicete, care au o structură de tip dolipor, la care porul central este flancat de o membrană perforată numită parentezom.

Pentru diferenţieri taxonomice au fost utilizate caracteristici biochimice, compoziţia în glucide a pereţilor celulari şi capsulelor, spectrul de rezistenţă magnetică a pereţilor celulari, numărul unităţilor izoprenice din coenzima Q, citocromii, compoziţia în acizi graşi şi paternul izoenzimelor.

Introducerea studiilor ADN, furnizează în principal, un parametru obiectiv în estimarea distanţelor evolutive din punct de vedere taxonomic. Diferitele metode utilizate oferă soluţii la diferite niveluri taxonomice. Valoarea taxonomică a compoziţiei în baze a ADN (mol% G+C) este în special caracteristică taxonomică de specie. Tulpinile fenotipice care diferă au un procent mai mare de 2 – 3% în compoziţia bazelor, sunt considerate specii diferite. Limitele în compoziţia de baze a ADN, diferă pentru drojdiile ascomicete şi bazidiomicete. Cele mai multe drojdii ascomicete au procentul molar de guanină şi citozină (mol% G+C) mai mic de 50, pe când majoritatea bazidiomicetelor au acest procent peste 50 (Tabelul 1).