تولید مكمل اسيدآمينه لیزین براي تغذيه طيور

پروتئین ­ها از اجزای حیاتی خوراک­ طیور هستند و شامل 20 اسیدآمینه می­ باشند که 10 مورد از آنها ضروری می ­باشند یعنی نمی­ توانند از سایر اسیدهای آمینه در طی سوخت و ساز در بدن تولید گردند. لیزین، متیونین و ترئونین در میان اسیدهای آمینه به شکل افزودنی و معمولا به صورت بلوری(crystalline) به جیره طیور افزوده می ­شوند. با افزودن این اسیدهای آمینه ضروری تا حدودی می­توان از پروتئین خام جیره کاست یعنی به عبارت دیگر هزینه خوراک را کاهش داد و از طرف دیگر نیز سبب کاهش دفع نیتروژن به محیط زیست شد. محصول لیزین برای حفاظت از محیط زیست و توسعه پایدار باید از مواد اولیه تجدید پذیر و به شکلی ساده و اقتصادی بدون تولید بقایای نامناسب به دست آید و از نظر زیستی و اقتصادی برای مصرف کننده مناسب باشد.

 اهمیت ال-لیزین و تولید آن

در اینجا لازم به ذکر است که فقط ایزومر ال-لیزین در بدن طیور می­تواند مورد استفاده قرار گیرد از این رو همه لیزین تولیدی باید به شکل ایزومر ال باشد. ال-لیزین به عنوان یک اسیدآمینه ضروری برای طیور و افزودنی خوراکی عمدتا به روش تخمیر تولید می­گردد. مکمل لیزین تولیدی بهتر است که به شکل ریزدانه(granule) و قابل مخلوط کردن با بقیه اقلام خوراکی باشد.  این اسیدآمینه بیش از 40 سال به صورت مصنوعی تولید می­شود.امروزه میزان بالغ بر ششصد هزار تن از این مکمل اسید آمینه به طور سالانه در جهان تولید می­گردد. مکمل ال-لیزین به طور وسیعی در یک فرآیند زیستی که باکتری­های Coryneform و معمولا Corynebacterium glutamicum درآن دخیل هستند تولید می­گردد(پففرل و همکاران،2003). این میکروارگانیسم میزان زیادی ال-لیزین را تراوش می­کند که معمولا به صورت نمک کلرید خالص می­شود.

مقایسه روش تولید دو نوع لیزین تجاری

فرآیند معمول تولید ال-لیزین که از طریق تخمیر و به صورت بلوری حاصل می ­شود. روش معمول موجب تجمع زیست توده باکتریایی، فرآورده­های تخمیری و ... می­گردد. بخشی از این مواد به عنوان زباله و غیر قابل استفاده در خوراک درمی­آیند. در ضمن این روش هزینه زیادی نیز دارد  زیرا برای مدیریت و خنثی سازی مواد خطرناک مثل محلول آمونیاک و اسید کلریدریک هزینه زیادی صرف می­شود.

 کرچر و پففرل(2001) روش جدیدی را برای تولید ال-لیزین توسعه داده ­اند که شامل سه مرحله می­باشد:

1- تولید سویه Corynebacterium glutamicum در یک محیط تخمیری مناسب.  در این مرحله از هیدرولیزات نشاسته یا سوکروز به عنوان منبع کربن و از سولفات آمونیوم و آمونیاک به عنوان منبع نیتروژن استفاده شده است. در این فرآیند لیزین خالص تولید می­شود که از غشای سلولی به درون محیط کشت می­آید. ال-لیزین به شکل سولفات حل شده در محلول براث وجود دارد. نکته مهم این است که شرایط استریل برای این مرحله الزامی است یعنی میکروارگانیسم دیگری نباید و جود داشته باشد.

2- پس از تکمیل فرآیند تخمیر، براث تغلیظ می­شود.

3- سرانجام ریزدانه­های Biolys60 توسط خشک کردن در ریزدانه­ساز افشانه(spray granulator) شکل می­گیرند.

تنها مواد زاید این روش شامل آب دارای سطوح بسیار اندک آلودگی به موادآلی در مراحل 2 و 3 می­باشد.ال-لیزین سولفات و ال-لیزین هیدروکلرلید تولیدی از نظر تغذیه ای برابر می­باشند. بنابراین Biolys60 مکمل خوبی برای ارائه به بازار می­باشد.

 باکتری Corynebacterium glutamicum گرم مثبت، هوازی و غیربیماری زا بوده و یکی از مهمترین میکروارگانیسم های تولید کننده گلوتامات، لیزین و سایر اسیدهای آمینه است. فرانزل و همکاران(2010) به پژوهش بر روی دو سویه این باکتری برای تولید لیزین پرداختند. ایشان دریافتند که سویه جهش یافته DM1730 در مقایسه با سویه وحشی ATCC13032 برای تولید لیزین مناسب تر است. در ضمن آنها به این نتیجه رسیدند که کمبود آهن و تنش اکسیداتیو از عوامل محدودکننده برای تولید لیزین از این سویه می­باشند.

اونیشی و همکاران(2005) گزارش کردند که جهش gnd تازه در Corynebacterium glutamicum منجر به افزایش تولید ال-لیزین شد. نتایج آنها نشان دادند که این جهش مسئول کاهش تنظیم آلوستریک است و کربن بیشتری را برای مسیر پنتوز فسفات تامین می­کند که به عنوان منبع اصلی برای NADPH ضروری برای بیوسنتز ال-لیزین شناخته شده است، بنابراین محصول نهایی افزایش می­یابد.

متانول به عنوان جایگزینی برای مواد اولیه تخمیر شونده در تولید لیزین

 در حال حاضر ماده اولیه مورد تخمیر، قندهای محصولات کشاورزی می­باشند. با این حال در آینده این چنین محصولاتی با تقاضای روبه رشد انسانی مواجه خواهند شد که انتظار می­رود قیمت آنها افزایش یابد. از آنجایی که متانول نسبتا ارزان و با خلوص بالا می­باشد و نیز انتقال و ذخیره آن ساده است، توجه زیادی را از سوی صنعت تخمیر به عنوان یک ماده اولیه جایگزین به خود جلب کرده است. علاوه بر این به خاطر اینکه از گاز طبیعی که به ارزانی در بعضی از بخش­های جهان حاصل می­شود تولید می­گردد، لذا به طور مستقیم با مواد خام برای تغذیه انسانی رقابت نمی­کند. در پژوهشی که توسط موتویاما و همکاران(2001) برای تولید ال­-لیزین از متانول صورت گرفت، ایشان بیان کردند که یک سویه­ جهش یافته از یک Methylotroph اجباری یعنی Methylobacillus glycogens می­تواند چندین گرم ال-لیزین را در هر لیتر ظرف تخمیر تولید نماید.  به طور مشابهی اسچندل و همکاران(1990) یک Methylotroph اختیاری جهش یافته یعنی Bacillus methanolicus را برای تولید زیاد ال-لیزین در دمای نسبتا بالا(50 درجه سانتیگراد) توصیف نمودند. توسعه تولید ال-لیزین با متانول به عنوان یک منبع کربنی قابل پیش بینی است اما موفقیت آن هنوز محدود است. Methylophilus methylotrophus(type strain AS1) یک متیلوتروف اجباری ایزوله شده است. این سویه غیر بیماری زا و قادر به رشد سریع در متان به تولید زیست توده (Biomass) زیاد در دمای متوسط به بالا (35-38) می­باشد و به عنوان پروتئین تک یاخته­ای در حد وسیعی استفاده شده است. در ضمن بسیاری از ابزار ژنتیکی توسعه داده شده برای E. coli  قابل استفاده برای این میکروارگانیسم می­باشد. در پژوهش­های قبلی نشان داده شده است که M. methylotrophus مسیر diaminopimelic acid pathway(DAP) را برای بیوسنتز ال-لیزین اعمال می­کند و حداقل سه آنزیم کلیدی آسپارتوکیناز، دیهیدرو دیپیکولینات سینتاز(DDPS) و دیهیدرو دیپیکولینات ردوکتاز در آن دخیل می­باشند و DDPS از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. گونجی و یاسوئدا(2006) با استفاده از M. methylotrophusو DDPS مشتق شده از E. coli یک تولیدکننده ال-لیزین ساختند. تولید اولیه آن اندک بود و به نظر می­رسید که میزان زیادی از لیزین تولیدی داخل سلول می­ماند و بنابراین پیشنهاد گردید که M. methylotrophus سیستم صادر کردن و خروج ال-لیزین را ندارد. در حال حاضر شناخته شده است که C. glutamicum یک پروتئین ناقلی دارد که با ژن LysE کد می­شود و شامل 233 بقایای اسیدآمینه است که ال-لیزین و ال-آرژینین را صادر می­کنند. این ناقل دارای ساختاری می­باشد که برای پروتئین­های غشا تازه می­باشد. LysEبه عنوان دریچه اطمینانی برای صدور ال-لیزین اضافی پنداشته می­شود.

ایشان نتیجه گرفتند که این سویه می­تواند 3/11 گرم ال-لیزین را در هر لیتر متان تولید کند. تولید لیزین به طور مستقیم وابسته به رشد سلول نبود. ایشان در پایان بیان کردند که وارد کردن ژن­های مفید به سویه­ های باکتری میزبان موجب غنی تر شدن تولید لیزین می­گردد.

ایشیکاوا و همکاران(2008) نشان دادند که محیط با قدرت یونی کمتر اثر مثبتی بر تولید ال-لیزین با استفاده از M. methylotrophus  داشت.

روش آنزیمی تولید لیزین

لوچتنبرگر و همکاران(2005) بیان کردند که از Enzyme catalysis نیز می­توان برای تولید اسیدآمینه استفاده کرد.این کار از 40 سال قبل در ژاپن شروع شد و بیشتر برای متیونین کاربرد دارد.

References:

Fränzel, B., Poetsch, A., Trötschel, C., Persicke, M., Kalinowski, J., Wolters, D.A., 2010. Quantitative proteomic overview on the Corynebacterium glutamicum l-lysine producing strain DM1730. Journal of Proteomics 73, 2336-2353.

Gunji, Y., Yasueda, H., 2006. Enhancement of l-lysine production in methylotroph Methylophilus methylotrophus by introducing a mutant LysE exporter. Journal of Biotechnology 127, 1-13.

Ishikawa, K., Toda-Murakoshi, Y., Ohnishi, F., Kondo, K., Osumi, T., Asano, K., 2008. Medium Composition Suitable for l-Lysine Production by Methylophilus methylotrophus in Fed-Batch Cultivation. Journal of Bioscience and Bioengineering 106, 574-579.

Kircher, M., Pfefferle, W., 2001. The fermentative production of -lysine as an animal feed additive. Chemosphere 43, 27-31.

Koffas, M., Stephanopoulos, G., 2005. Strain improvement by metabolic engineering: lysine production as a case study for systems biology. Current Opinion in Biotechnology 16, 361-366.

Leuchtenberger, W., Huthmacher, K., Drauz, K., 2005. Biotechnological production of amino acids and derivatives: current status and prospects. Applied Microbiology and Biotechnology 69, 1-8.

Ohnishi, J., Katahira, R., Mitsuhashi, S., Kakita, S., Ikeda, M., 2005. A novel gnd mutation leading to increased l-lysine production in Corynebacterium glutamicum. FEMS Microbiology Letters 242, 265-274.

Pfefferle, W., Möckel, B., Bathe, B., Marx, A., 2003. Biotechnological manufacture of lysine. Adv Biochem Eng Biotechnol. 79, 59-112.

 ترجمه و تدوين توسط مديريت پايگاه علمي-خبري كاير ايراني،1393