Как микроорганизмы, живущие в морских губках, могут помочь нам?
Ферменты - это важные молекулы, которые помогают химическим реакциям в живых организмах протекать быстрее и легче. Знаете ли вы, что энзимы присутствуют во многих продуктах, используемых в нашей повседневной жизни? Энзимы присутствуют в моющих средствах, в корме наших домашних животных и в нашей собственной пище. Губки, живущие в океанах, тоже нуждаются в помощи энзимов. Микроскопические организмы живут на морских губках, и эти микроорганизмы производят ферменты, которые помогают губкам переваривать питательные вещества! Эти полезные ферменты могут использоваться и человеком в пищевой промышленности, например, при производстве хлеба и сыра, а также в моющих средствах и для очистки загрязнений. В этой статье мы рассмотрим ферменты, вырабатываемые микроорганизмами, живущими в морских губках, и опишем некоторые способы их применения в промышленности.
Несколько фактов о губках
Когда вы слышите слово "губка", что приходит вам на ум? Наверное, губка, которую вы используете для мытья посуды, или губка, которую вы используете во время купания, верно? Это искусственные губки, изготовленные из синтетических материалов. Раньше для этих обычных задач мы использовали губки из океана, так называемые морские губки.
Морские губки - беспозвоночные животные, то есть у них нет позвоночника или черепа. Некоторые губки живут, прикрепленные к океанскому илу или к поверхности скал, и никогда не двигаются в течение всей своей жизни. Губки могут быть разных форм, размеров и цветов [ 1 ]. Эти животные могут обитать в морских глубинах, где мало или совсем нет света, или на мелководье, где солнечный свет более доступен.
Знаете ли вы, что губки питаются путем фильтрации? Вместо рта у них есть маленькие отверстия, называемые порами, расположенные по всему телу. Через эти отверстия вода проникает внутрь губки, перемещается по ней, а затем выходит через отверстие в верхней части губки. Пока вода проходит через их тело, губки поглощают кислород и другие питательные вещества, растворенные в воде.
Живут ли губки в одиночестве?
Хотя может показаться, что губка живет в одиночестве, прикрепленная к камню или океанскому дну, она не одинока! Внутри губки живут невидимые невооруженным глазом микроскопические организмы. Эти микроорганизмы - бактерии, археи, грибы и вирусы - выполняют важную для губок работу, в том числе помогают им переваривать питательные вещества и вырабатывают витамины, необходимые для их рациона. Микроорганизмы также выделяют защитные вещества, которые защищают губок от естественных хищников, конкурентов и вредных микроорганизмов (рис. 1А) [1].
Что же получают микроскопические приятели губок в обмен на эту помощь? Подсчитано, что губка весом 1 кг может фильтровать до 24 000 литров воды в день! Благодаря такому большому объему воды губки накапливают в своем теле больше питательных веществ, чем им требуется. Эта обильная пища помогает микроорганизмам, живущим в губках, вырабатывать полезные вещества (рис. 1B).
Что такое ферменты?
Знаете ли вы, что у микроорганизмов, растений и людей есть нечто общее? Все они производят вещества, называемые ферментами. Ферменты - это особые молекулы, благодаря которым химические реакции протекают быстрее. Работа некоторых ферментов заключается в том, чтобы расщеплять большие молекулы на более мелкие части. Ферменты, вырабатываемые микроорганизмами, живущими внутри губок, позволяют им выполнять свою полезную деятельность, например расщеплять крупные питательные вещества на витамины и другие вещества, которые губки могут легко усваивать!
Ученые обнаружили, что ферменты, вырабатываемые микроорганизмами губок, приносят пользу не только самим губкам - они могут быть чрезвычайно полезны и для человека! Люди нашли множество применений этим микробным ферментам. Ферменты микроорганизмов имеют некоторые преимущества перед ферментами растений и животных. Во-первых, микроорганизмы производят ферменты в больших количествах, а для выращивания микроорганизмов в лаборатории не требуется много времени и места. Кроме того, ферменты из микроорганизмов могут быть активными и стабильными в суровых условиях. Наконец, микробные ферменты не токсичны для человека [ 2 ].
Как используются ферменты?
Использование микробных ферментов в промышленных процессах привлекает все большее внимание в последние несколько лет. Это связано с тем, что использование таких ферментов позволяет сократить количество отходов и нанести меньший ущерб окружающей среде.
Знаете ли вы, что энзимы используются для создания многих продуктов, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни? Например, они используются при производстве кормов для животных, лекарств, моющих средств и бумаги [ 3 ]. Амилаза - один из видов ферментов, часто используемых в промышленности, поскольку она способна расщеплять крахмал, представляющий собой крупный сложный сахар, на более мелкие, пригодные для использования кусочки. При выпечке хлеба амилаза помогает тесту подняться, благодаря чему хлеб легче жуется и дольше хранится на полках наших магазинов [2].
Липаза - еще один интересный фермент. Он работает, расщепляя молекулы жира, называемые липидами. Некоторые фабрики просто выбрасывают липиды, которые трудно расщепить или смыть. Липаза может помочь очистить эти маслянистые загрязнения [2]. В пищевой промышленности липаза переваривает жир в сыре, что делает некоторые сыры более вкусными и помогает им дольше сохранять приятный аромат и вкус.
Исследования ферментов, получаемых из микроорганизмов, обитающих в морских губках, были проведены в небольшом количестве. Изученные на данный момент микробные ферменты потенциально очень полезны. Они были выделены из губок, обитающих в самых экстремальных морских условиях (рис. 2) [3].
В 2017 году был открыт новый фермент под названием эстераза, который вырабатывается бактерией, живущей в губке на глубине 760 м [ 4 ]! Этот фермент активен в присутствии большого количества соли, при относительно высоком pH (8-10) и при низких температурах (4-20°C). Как мы можем использовать этот фермент? Эстераза может быть использована для производства моющих средств, которые хорошо подходят для стирки вещей в холодной воде. Такие "холодные моющие средства" идеально подходят для удаления таких пятен, как кровь и пот.
В 2018 году в архее Halococcus [ 5 ] был обнаружен новый фермент под названием протеаза. Выделенный из индийской губки, Halococcus, как известно, любит соль. Протеаза расщепляет белки на более мелкие части, и оказалось, что наибольшую активность она проявляет в растворе, в три раза более соленом, чем морская вода! Удивительно, но протеаза была наиболее активна при температуре 70-80°C, так что этот невероятный фермент может идеально подойти для процессов, зависящих от высоких температур [5]. В кожевенной промышленности эта протеаза может удалять волос со шкур животных, снижая использование токсичных химикатов, которые обычно выбрасываются в окружающую среду. В хлебопекарной промышленности эта протеаза также может помочь в производстве муки с низким содержанием глютена для людей, которым необходимо придерживаться безглютеновой диеты [5].
Заключение
Теперь вы знаете, что морские губки - беспозвоночные животные и живут не в одиночку. Внутри губок живут микроскопические партнеры, между которыми осуществляется взаимное сотрудничество. Более того, эти микроорганизмы приспособились к морской среде, развив уникальные способности к расщеплению молекул. Поэтому ферменты морских микроорганизмов приспособлены к экстремальным условиям, таким как высокая или низкая температура, высокое давление, высокая соленость и широкий диапазон pH. Эти характеристики означают, что ферменты могут быть использованы для того, чтобы сделать некоторые промышленные процессы более экологичными и дешевыми. Несмотря на эти замечательные качества, исследований, посвященных этим ферментам, по-прежнему мало [2]. Ферменты, вырабатываемые микроорганизмами, живущими в губках, должны быть изучены более детально, чтобы можно было определить наиболее важные способы их использования на благо человека и планеты!
