Sinh tổng hợp xenlulaza của vi sinh vật
Reese et al., 1950 (dẫn theo Nguyễn Xuân Thành, 2003) khẳng định quá trình phân giải xenlulo tự nhiên là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự tham gia phối hợp của phức hệ enzyme xenlulaza. Sự điều hòa sinh tổng hợp xenlulaza được thực hiện nhờ cơ chế cảm ứng, kìm hãm xenlulo tự nhiên và các dẫn xuất của chúng là những tác nhân cảm ứng đặc hiệu với các thành phần trong phức hệ
xenlulo. Quá trình tổng hợp xenlulaza chịu sựđiều khiển của bộ máy di truyền và các quá trình sinh hóa. Nhiều tác giả khẳng định xenlulaza là enzyme cảm ứng và chất cảm ứng tốt nhất là xenlulo và lactoza. Lê Văn Nhương và Nguyễn Lan Hương (2001) cho rằng thực tế VSV tổng hợp xenlulaza mạnh nhất trên môi trường có hàm lượng xenlulo cao nhất hay có chất cảm ứng thích hợp. Từ đó có thể coi sự tổng hợp xenlulaza là có tính cảm ứng không chặt chẽ vì xenlulo là cơ
chất không hòa tan, phân tử lớn, bản thân không thể thâm nhập vào tế bào để gây ra các phản ứng sinh hóa. Vì vậy để thu được nguồn enzyme cao người ta thường sử dụng cơ chất không thể thủy phân như: Bã mía, rơm rạ, bột giấy hoặc có thể
nuôi cấy kết hợp với VSV đồng hóa tốt xenlobioza.
Agrios, G.N (1997) nhận định rằng sự kìm hãm tổng hợp xenlulaza xảy ra rất mạnh mẽ trong môi trường có chứa hydratcacbon dễ tiêu, đặc biệt là glucoza. Khi
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 16
đó, quá trình sinh tổng hợp xenlulaza chưa bắt đầu. Thậm chí khi tế bào đang tổng hợp xenlulaza người ta bổ sung glucoza thì cường độ tổng hợp xenlulaza bị giảm ngay lập tức. Nhiều sản phẩm của chu trình Kerbs (axit nitric, succinic…) là chất ức chế quá trình sinh tổng hợp xenlulaza. Nguồn nitơ hữu cơ tác động rõ rệt tới quá trình tổng hợp xenlulaza, khi nuôi Thermoactinomyces trên môi trường có avicel nếu bổ sung nước chiết nấm men hay pepton thì khả năng sinh C1, C2 sẽ tăng lên.
Cơ chế phân giải xenlulo
Quá trình phân giải xenlulo của VSV được thực hiện bởi phức hệ enzyme xenlulaza. Phức hệ này gồm 3 enzyme chủ yếu sau đây:
- Endoglucanaza hay CMCaza có khả năng cắt đứt các liên kết bên trong phân tử xenlulo làm giảm nhanh chiều dài chuỗi, làm tăng chậm các nhóm khử, thủy phân liên kết β – 1,4 glucozit một cách tùy tiện và giải phóng xenlodextrin, xenlobioza và glucoza. Enzyme này phân giải mạnh mẽ các xenlulo hòa tan nhất là dạng xenlulo vô định hình nhưng hoạt động rất yếu ở vùng kết tinh.
- Exoglucanaza có khả năng tấn công chuỗi xenlulo từ đầu không khử và giải phóng xenlobioza và glucoza. Enzyme này không phân giải xenlulo kết tinh cũng như các xenlulo hòa tan, tác dụng yếu lên CMC nhưng hoạt động mạnh lên xenlulo vô định hình.
Coughlan và Folan (1979) nhận định rằng: β – 1,4 glucozidaza hay xenlobiaza có khả năng thủy phân xenobioza hay xenlo – oligosacazit (xenlodextrin) hòa tan trong nước giải phóng glucoza. Enzyme này có hoạt tính cực đại trên xenlobioza và hoạt động giảm dần theo chiều dài của chuỗi xenlodextrin. Chức năng của β – 1,4 glucozidaza chỉ là điều chỉnh sự tích lũy chất cảm ứng của enzyme xenlulaza.
Về động học phản ứng của các enzyme này, Reese và các cộng sự lần đầu
đưa ra cơ chế phân giải vào năm 1950.
Reese Elwyn et al., (1950) nói rằng enzyme C1 tương ứng với endo – glucanaza là “tiền nhân tố thủy phân” hay enzyme không đặc biệt làm biến dạng xenlulo tự nhiên thành các chuỗi xenlulo hoạt động có mạch ngắn hơn, sau đó enzyme Cx tương ứng với exo – glucanaza tiếp tục phân cắt, giải phóng các đường
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 17 hòa tan và cuối cùng tạo thành glucozo dưới tác dụng của xenlobioza (dẫn theo Nguyễn Xuân Thành, 2003).
Năm 1995, Klyosov et al., lại cho rằng quá trình chuyển hóa xenlulo có thể
xảy ra do nhiều phức hệ enzyme xenlulaza, sơ đồ sau thể hiện những bước chính của quá trình thủy phân xenlulo:
Hình 1.2. Quá trình phân hủy xenlulo (Klyosov, 1995)
Chú giải: - E1 : Endoglucanaza; - E3 : Xenlobioza; - E2 : Xenlobiohydrolaza; - E4 : Exoglucozidaza;
Con đường (4) E4 là enzyme xúc tác, nhưng trong trường hợp này còn có cả
E2 hay E3, có khi cả hai enzyme này cùng xúc tác với E4. Con đường (5) ngoài E1 còn có cả E2 cùng xúc tác.
Klyosov cũng đồng thời khẳng định “Các thành phần trên đi theo con
đường nào phụ thuộc vào cấu trúc phân tử cơ chất và mức độ polyme hóa, điều kiện thủy phân, thành phần phức hợp xenlulaza và một số yếu tố khác”.
Vi khuẩn và xạ khuẩn phân giải xenlulo
Trong tự nhiên, khu hệ VSV có khả năng phân giải xenlulo rất đa dạng và phong phú bao gồm nhiều loại cả vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn. Để phân giải xenlulo tự nhiên đòi hỏi sự tham gia phối hợp rất phức tạp của phức hệ enzyme xenlulaza. Các VSV thường không có khả năng tạo ra được một tỉ lệ cân đối các enzyme. Vì thế trong quá trình phân giải xenlulo cần có sự hiệp đồng để tạo ra phức hệ
enzyme xenlulaza hoàn chỉnh. Nấm được đánh giá là thường có khả năng khả
năng sinh enzyme đa dạng nhất, sau đó đến vi khuẩn và xạ khuẩn.
Vi khuẩn (VK): Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về VK phân giải xenlulo. Năm 1785, lần đầu tiên L.Popov đã phát hiện ra rằng các VK kỵ khí tham gia vào quá trình lên men xenlulo. Thế kỷ 19 các nhà khoa học đã phân lập được