12. júla 2024
etanoool

Zaujímavý život mikroorganizmov – úvod k biotechnológiám a fermentáciám

Žijeme v dobe, kedy si dávame nesmierny pozor na hygienu: umývame si ruky, mávame pri seba dezinfekčné gély a celkovo sa snažíme vyhýbať priestorom, kde sa hemžilo viacero ľudí. Možno ste sa v tomto opise našli a aj keď nie, tak minimálne poznáte niekoho, kto spadá do tejto kategórie.

Keď sa týchto ľudí spýtate, že prečo to všetko robia, tak dostanete hromadu odpovedí, ktoré sa nakoniec spájajú s obavami z mikroorganizmov a baktérií. Samozrejme, strach a obavy sú niekedy na mieste. Ale skúsme si trochu oprášiť základy z biológie.

Mikroorganizmy sa charakterizujú ako mikroskopicky pozorovateľné organizmy, teda nedajú sa pozorovať voľným okom. Z hľadiska stavby bunky ich delíme do dvoch hlavných skupín a to na jednoduchšie prokaryoty a zložitejšie eukaryoty.

Zložitosť bunky charakterizujeme na základe stavby. Eukaryotické bunky majú celkovo komplexnejšiu štruktúru – sú prítomné ďalšie organely, ktoré prokaryoty nemajú.

Eukaryotické bunky môžu tvoriť väčšie organizmy, ako sme napríklad aj my ľudia. Ale aj nemusia. V mikroskopickom svete je tento typ buniek charakteristický hlavne pre kvasinky, mikroskopické plesne alebo huby. Na druhej strane prokaryotický typ bunky je charakteristický hlavne pre baktérie a archea, o ktorých si niečo povieme inokedy.

Možno pri tomto niekoho napadla otázka: „A čo vírusy?“ Vírusy sa neradia medzi živé organizmy. V zásade ide len o akúsi časticu, ktorá preniká a napáda živé bunky. Je tvorená nukleovou kyselinou (DNA alebo RNA) chránenou bielkovinovým obalom (tzv. kapsidou).

Po tomto úvode by som rada prešla ku gru článku. Chcem predstaviť zaujímavú stránku mikroorganizmov, primárne baktérií a kvasiniek. Baktérie sú všade okolo nás a možno viete, tak sa radia do dvoch hlavných skupín: patogénne a nepatogénne. Nepatogénne baktérie sú nám neškodné a majú veľké benefity. Radíme sem napríklad baktérie mliečneho kvasenia, ktoré patria medzi najpoužívanejšie baktérie pri výrobe fermentovaných výrobkov. Ich benefity dostávame hlavne z mliečnych výrobkov, ako sú rôzne druhy syrov, jogurtov alebo acidofilných mliek; patria sem o.i. zástupcovia rodov Lactococcus, Enterococcus, Streptococcus, Lactobacillus alebo Leuconostoc.

S týmto sa spája aj výskyt probiotických baktérií, ktoré sa taktiež nachádzajú vo fermentovaných výrobkoch. Ich benefity určite poznáte. Vo výžive sa spájajú hlavne so zlepšením funkcie čriev, kde napomáhajú celkovému tráveniu, obohacujú žalúdočnú mikroflóru po antibiotickej liečbe, znižujú hladinu cholesterolu a sú vhodnou prevenciou voči určitým typom rakoviny.

Patogénne baktérie sú tie, voči ktorým treba byť na pozore, ide hlavne o zástupcov rodu Salmonella, Helicobacter, VibrioShigella. Je ich samozrejme oveľa viac, vybrala som tých najznámejších. Všetci spomínaní patria do skupiny enterobaktérií, ktoré spája spôsobovanie primárnych infekcií. Nemusíte sa ich však tak báť, ak si dávate pozor na čerstvé a kvalitné potraviny, v prípade mäsa si dáte pozor na tepelné spracovanie, pred konzumáciou si overíte nezávadnosť potraviny (ako napríklad farbu, vôňu, štruktúru) a riadne si umývate ruky.  

Vo vedeckej obci sa poslednou dobou veľmi vyvíja a napreduje oblasť s názvom biotechnológie. Ak ste o tomto vednom odbore doposiaľ nepočuli, tak si ho môžete predstaviť ako vedu, ktorá sa zaoberá štúdium mikroorganizmov, ktoré dokážu mať pre človeka mnoho prínosov, či už v potravinárskej, poľnohospodárskej, technologickej alebo medicínskej sfére.

Hlavnou myšlienkou tohto vedného oboru je zlepšiť kvalitu ľudského života a celkového zdravia planéty. Síce to z časti znie ako moderné sci-fi, ale to však nie je úplná pravda… predsa už naši predkovia narazili na metlu ľudstva pri objavení piva čí vína. A práve fermentácia (kvasenie) a produkcia alkoholových nápojov patria medzi najstaršie a stále najviac využívané biotechnológie.

Keď sa pozrieme na fermentáciu z biochemického hľadiska, tak ide o štiepenie zložitejších organických molekúl na jednoduchšie (menšie) za pomoci enzýmov. Tento jav štiepenia zložitejších molekúl na jednoduchšie sa v biochémii nazýva katabolický metabolizmus (katabolizmus) a je veľmi dôležitý pre životné funkcie (opačný jav sa nazýva anabolizmus). Poďme sa pozrieť na jeden konkrétny príklad.

Alkoholové kvasenie sa najľahšie vysvetľuje na produkcii vína, nakoľko hroznové bobule obsahujú veľmi prístupný uhlíkový zdroj, ktorým je glukóza. Úplne vás nechcem zaťažovať biochemickými podrobnosťami, ale je dôležité vedieť, že glukóza je 6-uhlíkový sacharid dôležitý pre život. Poskytuje množstvo energie, ktoré mikroorganizmy alebo bunky nevyhnutne potrebujú na svoju funkciu a metabolizmus (tento poznatok by sa dal prepojiť aj s tým, že obmedzovanie sacharidov v strave nie je najšťastnejšia voľba – ale o tom potom). Za alkoholové kvasenie je zodpovedná primárne kvasinka Saccharomyces cerevisiae, ktorá sa prirodzene nachádza aj na povrchu hroznových bobúľ. 

Aby fermentácia vôbec začala prebiehať, musíme mať nastavené vhodné podmienky. Jednou z nich je zamedzenie prístupu kyslíka, nakoľko ide o tzv. anaeróbnu respiráciu. Druhým je zjednodušenie prístupu ku glukózovému zdroju, čo sa docieľuje rozmliaždením hrozna, nakoľko najviac glukózy je práve v dužine. A v neposlednom rade je dôležitá aj teplota kvasenia, ktorá sa pohybuje v rozmedzí 18 – 20 °C pri bielom víne a 20 – 30 °C pri červenom víne. Určenie teploty sa následne odráža na senzorickej kvalite vína a voľba záleží hlavne od skúseností vinára… a tomto by sa tiež dalo pokračovať donekonečna.  

Ale konečne k veci! Glukóza prechádza bunkovou membránou do vnútorného prostredia bunky (cytozolu) a začína jej glykolýza, teda enzymatické štiepenie glukózy. A tu začína biochémia – v desiatich krokoch s desiatimi rôznymi enzýmami nám tu ako vedľajši produkt vzniká energia (vo forme ATP) a ako konečný produkt molekula pyruvátu.

Pyruvát je dôležitý, pretože je prekurzorom rôznych metabolických procesov. Pri podmienkach spomenutých vyššie sa ďalej môže metabolizuje na, ehm, obľúbenú molekulu – etanol. Ale samozrejme, ani táto konverzia nie je jednoduchá. Z pyruvátu sa musí odštiepiť CO2 (oxid uhličitý, tvorí bublinky pri procese kvasenia), za čo je zodpovedný enzým pyruvátdekarboxyláza. Takto z pyruvátu vzniká toxický medziprodukt – acetaldehyd (už sme skoro tam!) –, z ktorého po redukcii vodíka (naväzovanie na komplex NADH + H+) vzniká, konečne, etanol.

Samozrejme zaujímavých dejov v tomto procese je omnoho viac a všetko má svoje biochemické opodstatnenie. Na záver by som chcela povedať, že nepoznáme len alkoholové kvasenie, ale aj mliečne (dôležité pri produkcii kyseliny mliečnej a tvorbe jogurtových výrobkov) a aj octové (produkcia kyseliny octovej z etanolu). O tom však, tiež, niekedy nabudúce.

[Vladimíra]

Absolventka inžinierskeho programu Chémia prírodných látok na Fakulte chemickej VUT v Brne.

Zdroje:  

https://www.britannica.com/science/microbiology/Types-of-microorganisms

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9781845694180500203

https://www.bio.org/what-biotechnology

microbenotes.com/alcohol-fermentation-ethanol/

https://proteopedia.org/wiki/index.php/Image:Pyruvate_decarb_1.jpg

Pridaj komentár