Oswajamy biotechnologię (XIII) — biosurfaktanty

Oswajamy biotechnologię (XIII) —
biosurfaktanty
Biosurfaktanty — to naprawdę jest biotechnologia
Z czym kojarzy Wam się biotechnologia? Większość z nas na pewno w
pierwszej kolejności wymieni organizmy modyfikowane genetycznie,
klonowanie czy komórki macierzyste. Inni dodadzą jeszcze być może
opracowywanie nowych szczepionek. Czy się pomylą? W żadnym wypadku.
To naprawdę jest biotechnologia. Naprawdę, ale czy tylko?
Oprócz oblicza tak znanego nam z mediów i obiegowych opinii biotechnologia ma
jeszcze drugie, bardziej praktyczne i przyziemne, co nie znaczy, że mniej ważne.
Bo czy kandydat na ten kierunek wyobraża sobie, że będzie w przyszłości
zajmował się opracowywaniem nowych źródeł otrzymywania detergentów? Wbrew
pozorom to także może stanowić zadanie dla biotechnologa.
To jak się odżywiamy i w jakim żyjemy środowisku ma niebagatelny wpływ na
nasze zdrowie i samopoczucie, nie wszystko da się wytłumaczyć „genami”. Rozwój
przemysłu w minionych dekadach, jak również obecnie, nie pozostaje bez
znaczenia dla otaczającego nas świata. Zanieczyszczenie środowiska jest faktem,
zaś wiążącego się z nim niekorzystnego wpływu na nasze zdrowie nikt już chyba
dzisiaj nie podważa. Znalezienie skutecznych rozwiązań — oto coś dla
biotechnologa.
Jednym ze skutków nadmiernego rozwoju przemysłu na niektórych terenach, jak
również nieumiejętnej gospodarki odpadami jest zanieczyszczenie gleby metalami
ciężkimi. Do kategorii tej zaliczane są pierwiastki metaliczne, których gęstość
przekracza 5,0 g cm-3 a liczba atomowa leży w zakresie 21-92. Niektóre z nich,
takie jak miedź, cynk czy nikiel są niezbędne do przebiegu prawidłowych funkcji
życiowych. Jednakże wzrost ich stężenia powyżej pewnej bezpiecznej granicy jest
dla organizmów żywych szkodliwy. Indukowane są zmiany konformacyjne białek i
kwasów nukleinowych, zaburzone zostaje prawidłowe funkcjonowanie enzymów i
transport komórkowy, rośnie ryzyko mutacji. Całkowita zawartość metali ciężkich
w glebie tylko w niewielkim stopniu wpływa na stopień ich toksyczności względem
organizmów żywych. Decydujące znaczenie ma tu natomiast ich biodostępność,
czyli stężenie jonów metali w roztworze glebowym. Mniejszy wpływ mają również
inne czynniki, na przykład właściwości fizykochemiczne gleby.
Obecnie przy remediacji gleb skażonych metalami ciężkimi stosuje się dwie,
całkiem sobie przeciwstawne strategie. Pierwsza polega na pozostawieniu
szkodliwych związków w glebie, jednakże w formie nieszkodliwej — zostają one
przeprowadzone do postaci słabo rozpuszczalnej, a zatem o niskiej
biodostępności. Druga z metod zakłada natomiast zwiększenie rozpuszczalności
metali ciężkich a następnie usunięcie ich z gleby. Wykorzystuje się do tego celu
związki powierzchniowo czynne, czyli surfaktanty. Charakteryzuje je amfifilowa
budowa: posiadają one zarówno część hydrofobową jak i hydrofilową. Ich
działanie opiera się na zmniejszaniu napięcia powierzchniowego wewnątrz cieczy
i na granicy faz. Z tego powodu znajdują szerokie zastosowanie, m. in. w
przemyśle kosmetycznym, farmaceutycznym, spożywczym ale również tekstylnym
czy rolnictwie oraz właśnie w ochronie środowiska. Produkowane na szeroką
skalę surfaktanty otrzymywane są na drodze syntez chemicznych. Oprócz wielu
zalet posiadają one również wady — pomimo skuteczności w działaniu wykazują
niejednokrotnie wysoką toksyczność oraz tendencję do długiego zalegania w
glebie.
Stosunkowo nowym sposobem otrzymywania surfaktantów jest ich biosynteza z
udziałem mikroorganizmów. Biosurfaktanty czyli powierzchniowo czynne
cząsteczki wytwarzane przez żywe komórki, produkowane są z udziałem bakterii
(Acinetobacter, Pseudomonas, Bacillus, Corynebacterium) jak również
drożdży(Candida, Torulopsis, Saccharomyces) i grzybów strzępkowych
(Penicillium spiculisporum, Curvularia lunata). Choć produkcja surfaktantów to
domena głównie mikroorganizmów, znane są również surfaktanty pochodzenia
roślinnego czy zwierzęcego.
Pierwsze doniesienia o biosurfaktantach pojawiły się w latach czterdziestych XX
wieku. Prace kontynuowane w następnych dziesięcioleciach pozwoliły na ich
poznanie i podział na glikolipidy, lipopeptydy i lipoproteiny, fosfolipidy, naturalne
lipidy oraz specyficzne biosurfaktanty, do których zaliczane są np. całe komórki
niektórych drobnoustrojów. Badania w tej dziedzinie koncentrują się zwykle na
biosurfaktantach niskocząsteczkowych, ponieważ dla nich istnieją dobrze
opracowane procedury biosyntezy i izolacji.
Związki te posiadają szereg zalet: różnorodność form chemicznych, a zatem
wysoką specyficzność działania w skrajnych warunkach środowiska (temperatura,
pH, zasolenie), mniejszą toksyczność oraz biodegradowalność. Można je
produkować z wielu surowców, w tym, na przykład, z odpadów przemysłu
tłuszczowego.
Czemu surfaktanty tak dobrze usuwają metale ciężkie z wody? Tłumaczy się to
działaniem mechanizmów desorpcji oraz kompleksowania. Cząsteczki surfaktanta
gromadząc się na granicy faza stała – roztwór glebowy powodują obniżenie
napięcia międzyfazowego i działania sił kapilarnych a także uczestniczą w
zwilżaniu metali. Skutkuje to znacznym wzrostem stężenia metali w roztworze
glebowym. W fazie wodnej kationy metalu są kompleksowane przez cząsteczki i
micele biosurfaktanta, co również przyspiesza desorpcję. Siła wiązań pomiędzy
kationami metali ciężkich a naładowanymi ujemnie częściami cząsteczek
biosurfaktanta jest na tyle duża, że w wyniku płukania kompleksy te są usuwane
w całości.
Podejmowane są również próby wykorzystania pian biosurfaktantów do
oczyszczania gleby z metali ciężkich. Niestety, metoda ta choć bezpieczniejsza dla
środowiska niż wykorzystanie klasycznej syntezy chemicznej, nie pozbawiona jest
wad. Główną z nich są przede wszystkim koszty. Z tego powodu poszukuje się
tańszych podłoży hodowlanych, wydajniejszych szczepów produkcyjnych a także
optymalnych warunków biosyntez. Obszar ten niewątpliwie otwiera nowe
możliwości i jak najbardziej stanowi szansę dla biotechnologów, również polskich;
szansę, którą warto wykorzystać.
Olga Andrzejczak
Literatura:
Gumienna Małgorzata, Czarnecki Zbigniew, Rola mikroorganizmów w syntezie
związków powierzchniowo czynnych, „Nauka. Przyroda. Technologie”, Tom 4
(2010)
.
Paraszkiewicz Katarzyna, Długoński Jerzy, Wykorzystanie drobnoustrojowych
surfaktantów do usuwania metali ciê¿kich z gleby, „Biotechnologia”, Tom 77
(2007), s. 81-94
.
Opracowywanie nowych źródeł otrzymywania detergentów także może,
wbrew pozorom, stanowić zadanie dla biotechnologa
Już wkrótce Terapia genowa a leczenie chorób monogenowych Pauliny
Kłos-Wojtczak
.
Data publikacji: 31.08.2011r.