پایان نامه مخمر ها و کارایی های آن
فصل اول
مقدمه و کلیات
بخش اول: مقدمه
مخمرها در سطح زمین انتشار جغرافیایی وسیعی دارند. این سلولها شیمیوارگانوتروف بوده و میتوانند از منابع کربنی مختلف استفاده کنند. بنابراین انتخاب ماده غذایی، تنوع گونهای مخمرها را در زیستگاههای خاص مشخص میکند. این موجودات از نظر اقتصادی، اجتماعی و بهداشتی دارای اهمیت زیادی در تمدن بشر هستند. از نظر مورفولوژیکی بر اساس اندازه، شکل سلول، مکانیسم تشکیل سلول دختر، رنگ و قوام کلنیها و تولید یا عدم تولید کپسول طبقه بندی میشوند.
اهمیت صنعتی مخمرها در تولید متابولیتهای اولیه و ثانویه بسیار ارزشمند مانند آنزیمها، واکسنها و بعضی از داروهای نوترکیب از یک طرف و نقش آنها در روشن شدن مکانیسمهای پایهای مولکولی بسیاری از بیماریها و ناهنجاریها در حوزهٔ زیست پزشکی، آنها را از سطح یک میکروارگانیسم تک سلولی فراتر برده و به یک حامی بشر تبدیل کرده است؛ از طرف دیگر در حوزهٔ پزشکی، پیشرفت قابل ملاحظهای در تولید پروتئینهای درمانی انسانی به وسیلهٔ مخمرهای مهندسی ژنتیکی شده صورت گرفته است (واکر، 1391).
کاربرد این دسته از تکسلولیها در صنایع تبدیلی، صنایع غذایی و بیوتکنولوژی نیز سابقه طولانی دارد. از نوعی مخمر (شبیه کاندیدا) با نام علمی Kluyveromyces sp. در تغذیه انواع مختلفی از موجودات آبزی استفاده شده است (Lavens et al, 1987; Lavens & Sorgeloos, 1991). این تک سلولیها عموماً از محیطهای طبیعی و یا فلور گیاهان و جانوران تهیه شده و پس از شناسایی بصورت انبوه کشت داده میشوند. ترکیبات محیط کشت که برای کشت میکروارگانسیمها استفاده میشوند، به طور مستقیم فنوتیپ فیزیولوژیکی و فرآیند تخمیر را که سبب آنالیز وکارایی سویه در کاربردهای صنعتی میکروارگانسیمها میشود را مشخص میکنند. به همین دلیل توسعهٔ موفقیت آمیز سویهها برای کشت در مقیاس وسیع به منظور تولید پروتئینهای هترولوگوس و سوختهای کم ارزش، مواد شیمیایی و موادی که شایستهٔ ساخت محیطهای کشت در مراحل مختلف توسعهٔ سویهها را دارند، مورد مطالعه قرار گرفتهاند (et al, 2005 Macauley-Patrick؛ Porro&Mattanovich, 2004).
امتیازات ویژه مخمرها شامل قابلیت تولیدآسان، سریع، مقاومت بالا به طیف وسیعی از مواد مختلف و عملآوری این موجودات موجب شده است که کاربرد فراوانی در صنعت آبزی پروری داشته باشند. بی شک تأمین منابع غذایی مناسب و ارزان قیمت یکی از جنبههای مهم در پرورش آبزیان به شمار میرود که در این میان مخمرهای تک سلولی با دارا بودن سایز مناسب (کمتراز 20 میکرون) و همچنین ترکیب و ارزش غذایی مناسب کاربرد روز افزونی در پرورش آبزیان خصوصاً زئو پلانکتونهای پرورشی دارند (;Bowen et al, 1985; Bowen, 1962 Bond, 1937؛ Weisz, 1946). با توجه به اسناد، استفاده از مخمرها بعنوان یکی از غذاهای پذیرفته شده برای پرورش آزمایشگاهی آرتمیا مطرح میباشد. محصولات مخمری همچنین به عنوان یک منبع پروتئینی در رژیم غذایی برای تولید میگو آب شور استفاده میشوند (Talloen, 1978; James&Makkeya, 1981).
پرورش آبزیان بخصوص ماهی قزلآلای رنگین کمان، به عنوان یکی از ماهیان با ارزش شیلاتی، جنبه اقتصادی بسیار مهمی در اقتصاد آبزی پروری دنیا دارد (WWW.FAO.ORG). در پرورش این خانواده از آبزیان تأمین نیازهای غذایی مناسب و بررسی شرایط ویژه رشد و بیماریها و آلودگیهای آنان از جمله مسائل پراهمیت تحقیقاتی میباشد. استفاده از مخمرها در صنعت پرورش دام، طیور و آبزیان از زمانی بیشتر مورد توجه قرار گرفت که مشخص شد این دسته از تک سلولیها میتوانند به عنوان فلور موقت و یا ثابت موجودات مختلف مطرح باشند. لذا بررسی، شناسایی و درک اهمیت و کاربرد این دسته از تک سلولیها از درجه اعتبار و اهمیت زیادی برخوردار میباشد.
1-2 بخش دوم: مخمر
1-2-1 معرفی
مخمرها دستهای از یوکاریوتهای تک سولی هستند که در فرمانرو قارچها شناخته میشوند. به صورت دقیقتر مخمرها، قارچهای آسکومیست[1] یا بازیدیومیست[2] هستند که به صورت رویشی از طریق جوانه زدن[3] یا تقسیم[4] تکثیر میشوند (واکر، 1391) (شکل 1-1).-
مخمرها بر اساس خصوصیاتی نظیر: اندازه، شکل سلول، مکانیسم تشکیل سلول دختر، رنگ و قوام کلنیها و تولید یا عدم تولید کپسول طبقه بندی میشوند (دیبا، 1390).
1-2-3 موقعیت
مخمرها در سطح کره زمین پخش شدهاند، آنها در سطح موادی که حاوی قند میباشند از جمله شهد گلها، روی میوهها، خاک، آبهای دریایی وشیرین، شیر، ترشحات حیوانات، سبزیجات، گیاهان، حشرات و دستگاهگوارشی پستانداران وجود دارند (Phaff&Starmer, 1987;Hagler&Ahearn, 1987).
علاوه بر میزبانهای طبیعی، بعضی از مخمرها در مکانهای ساخته شده به دست انسان یافت میشوند. برای مثال در بیمارستانها مخمرهای بیماریزا فرصت طلب مثل کاندیدا آلبیکنس[5] میتوانند رشد کنند. کاندیدا آلبیکنس عامل 80 درصد از عفونتهای قارچی بیمارستانی است (Spencer& Spencer, 1997). بسیاری از مخمرها همچنین عامل فساد مواد غذایی هستند (واکر، 1391).
1-2-4 علت توانایی رشد مخمرها در زیستگاههای مختلف
سلولهای مخمر فاقد کلروفیل هستند و مطلقاً شیمیوارگانوتروف بوده یعنی برای رشد به اشکال آلی و تثبیت شده کربن نیاز دارند. منابع کربن برای متابولیسم مخمر کاملاً متنوع بوده و شامل قندهای ساده، اسیدهای آلی و چرب، الکلهای آلیفاتیک، هیدروکربنها و … میباشند. مخمرهای مختلف میتوانند از منابع کربنی مختلف استفاده کنند. بنابراین انتخاب ماده غذایی، تنوع گونههای مخمرها را در زیستگاههای خاص مشخص میکند (واکر، 1391).
1-2-5 مورفولوژی کلنی مخمر
شکل کلنی سلولهای مخمر متغیر بوده و بعضی از آنها بیضی شکل، کروی، چند ضلعی وگاهی به هم چسبیده میباشند (چلیپیان و مجد، 1387) (شکل 1-2).
1-2-6 اندازه سلول مخمر
اندازهٔ سلولهای مخمر بسیار متغییر میباشد. طول گونههای مخمر میتواند از 2- 3 میکرومتر تا 20- 50 میکرومتر متفاوت باشد (Phaff et al, 1978). میانگین اندازهٔ سلولهای مخمری 2.5 تا 6 میکرومتر است (دیبا، 1390). به طور کلی مخمرها بزرگتر از باکتریها هستند و قطر آنها بین 1 تا 5 میکرون و طول آن ممکن است بین 5 تا 30 میکرون باشد (چلیپیان و مجد، 1387). اندازهٔ قطر بزرگ ساکارومایسس سروزیه[6] حداکثر 5 تا 10 میکرومتر و قطر کوچک آن 1 تا 7 میکرومتر است شایان ذکر است که میانگین اندازهٔ سلول ساکارومایسس سروزیه با بالا رفتن سن افزایش مییابد (واکر، 1391).
1-2-7 اهمیت مخمرها برای بشر
مخمرها از نظر اقتصادی، اجتماعی و بهداشتی دارای اهمیت زیادی در تمدن بشر هستند. آنها اغلب به عنوان قدیمیترین ارگانیسمهای اهلی شده برای ورآمدن خمیر نان (در مصر) از 6000 تا 2000 سال قبل از میلاد مسیح استفاده میشدهاند. در حقیقت تولید الکل اولین فعالیت بیوتکنولوژیکی در جهان است (واکر، 1391؛Spencer&Spencer, 1990).
1-2-7-1 کاربرد مخمرها در صنایع غذایی
مخمرها هر روز برای تهیه مواد غذایی در منزل میلیونها خانواده در سراسر جهان مورد استفاده قرار میگیرند (Hesseltine, 1974). در حال حاضر مخمرها بیشتر در تغذیه جانوران به کار میروند تا غذای انسان، برای مثال گونه marxianus Kluyveromyc جهت تخمیر ضایعات آب پنیر حاصل از ساخت پنیر به کار میرود و به تولید پروتئین تک سلولی[7] برای تغذیه جانوران و همچنین برخی الکلها، ضمن تقلیل آلودگی که به وسیله آب پنیر تولید میشود میانجامد.
ارزش غذایی مخمرها در وجود مقدار قابل توجه اسیدهای آمینه، ازت، فسفر، پروتئینها و ویتامینهای C، P، K،E، D، B2 و B1 در آنها میباشد. از این رو در بسیاری از ممالک از جمله آلمان در سال، چندین هزار تن مخمر خشک یا مرطوب تهیه مینمایند. مخمر بخصوص در ایام جنگ جهانی دوم که سربازان در نقاط دوردست از مرکز حضور داشتند و ارسال گوشت و سبزیجات بدانجا مقدور نبود، به شکل پروتئین میکروبی (SCP) در جیره غذایی بکار میرفتند (دیبا، 1390).
از طرفی کاربرد پروتئین تک سلولی (SCP) حاصل از مخمرها به عنوان چاشنی و افزودنیهای قابل دسترسی آرد ماهی استفاده میشود (Harrison, 1993). نظر به اینکه این قارچها قادرند مواد هیدرات کربن را تخمیر کنند بنابراین نام ساکارومایست یا قارچهای قندی به آنها داده شده است. در اثر تخمیر قندها، آنها به الکل و گاز کربنیک تبدیل میشوند که در صنایع غذایی مورد توجه هستند. مزهٔ مخمر تلخ و نامطبوع است و بهتر است آن را همراه آبمیوه یا شیرینی مصرف کرد (دیبا، 1390).
1-2-7-2 استفاده صنعتی از مخمرها
در جهان مدرن امروز، مخمرهای دستکاری شدهٔ ژنتیکی با هدف تولید بسیاری از عوامل مختلف دارویی برای پیشگیری و درمان بیماریهای انسان مورد استفاده قرار میگیرند (واکر، 1391).
در آینده احتمالاً مخمرها اثر قابل ملاحظهای بر تجدید انرژی، بیوتکنولوژی محیطی مانند کنترل بیولوژیکی و حفظ سلامت به ویژه مطالعه نارساییهای ژنتیکی انسان و سرطان خواهند داشت.
در خصوص انرژی، متابولیسم مخمر میتواند سوخت اتانولی را از مواد خام تخمیری کربوهیدراتی تجدید پذیر، تولید کند (واکر، 1391). استفاده از مخمر برای تولید اتانول زیستی به عنوان یک منبع تجدید پذیر امید بزرگی را برای بقاء تمدن بر روی این کره خاکی به وجود آورده است (Horecker, 1978).
اهمیت صنعتی مخمرها به عنوان ماشینهای تولیدی متابولیتهای اولیه و ثانویه بسیار ارزشمند مانند آنزیمها، واکسنها و بعضی از داروهای نوترکیب از یک طرف و نقش آنها در روشن شدن مکانیسمهای پایهای مولکولی بسیاری از بیماریها و ناهنجاریها در حوزهٔ زیست پزشکی از طرف دیگر، مخمرها را از سطح یک میکروارگانیسم تکسلولی فراتر برده و به یک حامی بشر تبدیل کرده است (واکر، 1391).
1-2-7-3 پروتئینهای درمانی
از زمان اولین پروتئین درمانی تجاری شده مخمر (واکسن هپاتیت B) چندین محصول دیگر برای استفاده کلینیکی (به عنوان مثال لوکین GM – CSF برای پیوند مغز استخوان، انسولین انسانی برای درمان دیابت) از سازمانهای نظارتی (به عنوان مثال اداره نظارت بر غذا و داروی آمریکا) پروانه دولتی دریافت کردهاند و تعداد زیادی در مرحله آزمون کلینیکی و یا مرحله تحقیق هستند. آخرین مورد تحقیق روی تولید واکسن درمانی HIV توسط یک شرکت بیوتکنولوژی در انگلستان است (واکر، 1391).
این خصوصیت با کلون کردن تعدادی ژنهای درمانی درون ژنوم مخمرهایی مثل Saccharomyces cerevisiae، Pichia pastoris و hansenula polymorpha ایجاد میشود که باعث تولید روز افزون پروتئینهای درمانی انسان به طور صنعتی شده است. این تلاشهای گروهی مخمر به ابداع روشهای جدید در پیشگیری و درمان تعدادی از بیماریهای انسانی شده است.
بنابراین مخمرها به طور روز افزون تبدیل به ارگانیسمهای میزبان پرطرفدار در تولید مواد دارویی نوترکیب شدهاند. برای افزایش و حفظ این محبوبیت شناخت مخمرها و خصوصیات ژنومی و مولکولی اهمیت بسیاری دارد (واکر، 1391).
علاوه بر استفادههای عملی در تهیه عوامل درمانی انسان، سلولهای مخمر به عنوان مدلهای تجربی در تحقیقات زیست پزشکی بسیار ارزشمند هستند. این تحقیقات زیست پزشکی شامل: سرطان شناسی، داروسازی، سم شناسی و ژنتیک انسانی است. دو نوع مخمر که به طور قابل توجه در این زمینه به کار میروند: Saccharomyces cerevisiae و Schizosaccharomyces pombe هستند. این ارگانیسمها از جمله شناخته شدهترین تک سلولیهای یوکاریوتی هستند که ژنوم آنها تعیین توالی شده است (واکر، 1391).
1-2-8 نقش مخمرها در سلامت و بیماری زایی انسان
استفاده از مخمرها در پزشکی درمانی فقط به دانش فنی DNA ی نوترکیب مربوط نمیشود. برای مثال، از زمانهای اولیه مخمرها برای کنترل بیولوژکی عفونتهای باکتریایی انسان استفاده میشدهاند.
پیشرفتهای هیجانانگیز دیگر به آنالیز عملکردی ژنوم مخمر بر میگردد و چنین آنالیزی ممکن است بینش وسیعی در شناخت ساختمان و عملکرد ژنوم انسانی فراهم کند (واکر، 1391).
تعدادی از فعالیتهای مخمرها برای انسان زیانبخش هستند؛ به عنوان مثال اثر پاتوژنیک برخی مخمرها بر انسان (مثل عفونتهای قارچی بیمارستانی توسط کاندیدا آلبیکنس)، فساد و افت کیفیت مواد غذایی (به ویژه غذاهایی با گلوکز زیاد و محصولات لبنی) توسط مخمرها؛ البته باید این نکته را مد نظر قرار داد که مخمرها عامل مسمومیت غذایی نیستند، بلکه برخی افراد در مقابل رژیمهای غذایی آلوده به مخمرها واکنشهای ازدیاد حساسیت را بروز میدهند. به عنوان مثال در بیمارانی که از بیماری کرون رنج میبرند، پاسخ آنتی بادی در برابر سویههای نانوایی ساکارومایسس سروزیه افزایش مییابد و این واکنش ازدیاد حساسیت به آنتیژنهای مخمر ممکن است نقش مهمی در افزایش اختلالات رودهای در این بیماران داشته باشد (واکر، 1391).
به طور کلی، قبلاً مخمرها فقط به عنوان موجودات با اهمیت صنعتی و یا ساکنین بی ضرر محیط زیست در نظر گرفته میشدند ولی در حال حاضر نشان داده شده است که آنها میتوانند به میزبانهای انسانی حمله کنند. در سالهای اخیر در خصوص برخی پاتوژنهای مخمری نوظهور مطالعات بسیاری انجام شده است. حتی ساکارومایسس سروزیه نیز در بیماری زایی انسان در افراد با سیستم ایمنی تضعیف شده نقش دارد (Hazen, 1995).
[1] Ascomycetes
[2] Basidiomycetes
[3] Budding
[4] Fission
[5] Candida albicans
[6] Saccharomyces cerevisia
[7] single cell protein) SCP)
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.