وبلاگ

‌ای بر فرایند‌های تخمیری
عبارت تخمیر[12] از واژه لاتین فرور[13] به معنی جوشان گرفته شده است. این اصطلاح بیان‌كننده نقشی است كه مخمر با كشت بر روی موادی مانند عصاره میوه یا جو جوانه زده (مالت) ایفا می‌كند. گازهای جوشان در این واكنش همان حباب‌های دی‌اكسید كربن هستند كه بر اثر فعل و انفعالات میكروارگانیسم‌های بی‌هوازی بر روی قندهای موجود (سوخت و ساز بی‌هوازی مواد غذایی در بافت‌ها) در عصاره متصاعد می‌شوند. از نظر زیست‌شیمی‌دانان و میكرب‌شناسان صنعتی، تخمیر مفهوم متفاوتی دارد. از نظر زیست‌شیمی‌دانان، تخمیر تولید انرژی توسط سوخت‌وساز تركیبات آلی است، در حالی كه از نظر میكرب‌شناسان صنعتی، مفهوم وسیع‌تری را شامل می‌شود. سوخت‌وساز بی‌هوازی قندها، نوعی فرایند اكسایش است كه به تولید نوكلئوتیدهای پیریدین احیا شده منجر می‌شود كه برای ادمه فرایند باید مجدداً اكسید شوند. در فاز اسیدی، اكسایش مجدد نوكلئوتید پیریدین احیا شده، با انتقال الكترون از طریق سیستم سیتوكرم[14] به عنوان دریافت‌كننده نهایی الكترون صورت می‌گیرد. اما در شرایط بی‌هوازی، اكسایش نوكلئوتیدپیریدین احیاشده، با احیای یک تركیب آلی همراه است كه اغلب محصول بعدی در سلسله واكنش‌های سوخت‌وساز به شمار می‌رود. در واكنش مخمر بر روی عصاره میوه و جو، NADH همراه با احیای اسیدپیرویک به اتانل حاصل می‌شود. گونه‌های مختلف میكروارگانیسم‌ها می‌توانند پیروات را به طیف وسیعی از محصولات

 نهایی احیا كنند. بنابراین از نظر زیست‌شیمی‌دانان «تخمیر نوعی فرایند تولید انرژی است كه در آن مواد آلی به عنوان دریافت‌كننده نهایی و همچنین دهنده الكترون عمل می‌كنند».

میكرب‌شناسان صنعتی به هر فرایندی كه برای تولید محصولات مورد نظر از طریق كشت انبوه میكروارگانیسم‌ها یا با بهره گرفتن از میكروارگانیسم‌ها در مقیاس صنعتی بكار گرفته شود، تخمیر می‌گویند. نخستین فرایند صنعتی تولید فرآورده‌های تخمیری یعنی اتانل از این جمله است. در فرایندهای تخمیر صنعتی عموماً از باكتری‌ها، مخمر‌ها و قارچ‌ها برای تولید فرآورده‌های زیستی استفاده می‌شود. اخیراً با توسعه فنون كشت سلول، استفاده از سلول‌های حیوانی و گیاهی در فرایندهای تخمیری امكان‌پذیر شده است.
میكروارگانیسم‌های مورد استفاده در فرایندهای بیوتكنولوژیک در اصل از محیط طبیعی جدا شده‌اند، اما برای سودمندی بیشتر به دنبال جداسازی توسط متخصصین ژنتیک صنعتی[15] به شكل ارگانیسم‌های برتر تغییر داده شده‌اند. موفقیت در انتخاب و بهبود برنامه‌ها در تمام صنایع مبتنی بر فرایندهای زیستی (مثلاً تولید آنتی‌بیوتیك‌ها) نتیجه مستقیم همكاری بین تكنولوژیست‌ها و ژنتیك‌دانهاست. برای فرمولبندی خصوصیات فیزیولوژیک و زیست شیمیایی ویژه‌ای كه جهت دستیابی به كامل‌ترین گستره فعالیت‌های بیوتكنولوژیک در ارگانیسم‌های جدید جستجو می‌شود، این همكاری ضروری‌تر خواهد بود. در اصل تمام خواص ارگانیسم‌ها به مجموع ژن‌های آنها بستگی دارد. ژن‌ها در دو دسته اصلی ساختاری و تنظیمی قرار می‌گیرند. ژن‌های ساختاری رمزگزار توالی اسیدهای امینه پروتئین‌ها هستند؛ پروتئین‌ها به عنوان آنزیم، با كاتالیز واكنش‌های سنتزی یا تجزیه‌ای توانایی‌های زیست‌شیمیایی ارگانیسم را تعیین می‌كنند و یا به عنوان اجزای ساختاری سلول‌ها نقش ساختمانی دارند. برعكس، ژن‌های تنظیمی با تعیین میزان تولید فرآورده‌های پروتئینی و در واكنش به علائم درون و بیرون سلولی كه این فرآورده‌ها در پاسخ بدانها تولید می‌شوند، تجلی ژن‌های ساختاری را كنترل می‌كنند.
مهندسی ژنتیكی بی‌تردید یكی از مهم‌ترین قلمروهای پیشرفت بیوتكنولوژی بوده است و برای تولید مواد شیمیایی ساده و پیچیده فرایندهای آماده‌ای دارد كه انجام آنها را از راه دستكاری میكروب‌ها قبلاً غیر عملی می‌پنداشتند. نمونه این فرایندها شامل سنتز پروتئین‌های جانوری ویژه، مانند انسولین، افزایش دامنه تولید آنزیم‌ها، هورمون‌ها، تركیبات ضد توموری و ضد ویروسی (اینترفرون)، مواد شیمیایی كوچك و بزرگی چون اتانول و یا ایجاد توانایی در به‌كارگیری مواد پیچیده‌ای چون سلولز و لیگنین برای تولید فرآورده‌های ارزشمند از آنهاست.
مهندسی ژنتیكی پتانسیل توسعه دامنه و قدرت هر جنبه‌ای از بیوتكنولوژی را داراست. نخست آنكه این روش‌ها به شكلی گسترده در بهبود فرایندهای میكروبی موجود به كار خواهند رفت؛ به عنوان مثال، بهبود یافتن پایداری كشت‌های موجود و حذف فرآورده‌های فرعی ناخواسته موجب افزایش بازده فرآورده‌های تخمیری خواهد شد. این اطمینان وجود دارد كه در همین دهه روش‌های نوتركیبی DNA زمینه تولید میكروارگانیسم‌های جدیدی را با خواص متابولیسمی جدید و غیر معمول فراهم خواهد ساخت. بدین ترتیب فرایندهای تخمیری مبتنی بر این پیشرفت‌های فنی در تولید طیف كاملی از تركیبات شیمیایی، به عنوان مثال اتیلین گلیكول[16] (به عنوان ضد یخ)، اكسید اتیلن[17] (مورد استفاده در پلی‌استرها[18] و مواد فعال کننده سطحی[19]) و پروپیلن گلیكول (مورد استفاده در صنعت پلاستیك‌ها) با صنایع پتروشیمی رقابت خواهد كرد. در صنایع غذایی، سویه‌های بهبودیافته باكتری‌ها و قارچ‌ها بزودی با تأثیرگذاری بر فرایند‌های سنتی، مانند نانوایی و پنیرسازی، موجب كنترل بیشتر و بازآفرینی طعم و بافت آنها خواهد شد (شجاع الساداتی، 1381).