Mi az - több faanyagot pusztít el mint az erdőtüzek, az ember és az összes növényevő együttvéve?
Hogyan lehet az, hogy a növényi sejtek vázanyaga a cellulóz nem halmozódik fel és a kidőlt fák szinte nyomtalanul tűnnek el az erdőben?
Hogyan megy végbe a cellulóz lebontása?
És mégis miért érdekes mindez?





A cellulóz

A cellulóz a növényi sejtek vázanyaga, a Földön leggyakrabban előforduló biomasszából származó szénhidrát forrás, évente kb. 40 milliárd tonna mennyiségben képződik. Lebontására egyes baktériumok mellett csak a gombák képesek. Enzimeikkel e makromolekulákat még jelentős energiatartalmú kisebb vegyületekké, cukrokká bontják, így azok (más szervezetek számára is) felvehetővé és felhasználhatóvá válnak. A gombák lebontó működése teszi lehetővé, hogy az elhalt szerves anyag ne halmozódjon fel, hanem minél gyorsabban visszakerüljön a légzési folyamatokon keresztül a légkörbe. E folyamatok nélkül a szén-dioxid harminc év alatt elfogyna, és ezzel a földi élet jelenlegi formája is megszűnne.

A természetes faanyag a cellulóz mellett lignint és hemicellulózt is tartalmaz, ezek együtt komplex struktúrát, a lignocellulózt alkotják. A cellulózban a β-D-glükóz (szőlőcukor) egységek kapcsolódnak egymáshoz (mintegy 8000-12000 db), ezek láncokat alkotnak, a láncok pedig másodrendű kémiai kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz.


A cellulázok

A cellulóz bontását a celluláz enzimrendszer végzi. Működésére a második világháború alatt figyeltek fel a sátrak, ruhák, szövetek gyors degradálódása miatt. Ekkor kezdődtek meg a cellulázok működésére irányuló laboratóriumi vizsgálatok Trichoderma viridae és Trichoderma reesei fajokon. (A gombák között a Trichoderma fajokon kívül a Penicillium, Fusarium, Sporotrichum és Aspergillus fajok a legjelentősebb celluláz termelők.)

A „celluláz” valójában egy gyűjtőfogalom, minden olyan enzimet ide sorolunk amely valamilyen módon a cellulóz bontásában részt vesz:
-endocellulázok: random támadásokat intéznek a cellulóz lánc ellen, ezzel feldarabolódik az óriásmolekula különböző hosszúságú szakaszokra
-exocellulázok: a cellulóz lánc végéről kezdik a hasítást, és minden második cukornál hasítanak, így cellobióz egységek keletkeznek
-β-glükozidázok: a keletkezett cellobióz molekulákat hasítják ketté szőlőcukor egységekre.

Ezek a folyamatok a gomba sejteken kívül, extracellulárisan zajlanak. Az így keletkezett glükóz ezután különböző transzporterek segítségével bejutnak a sejtbe, és ott  belépnek a glükolízisbe illetve a pentóz-foszfát ciklusba. Ezt követően a cukor szén-dioxiddá alakul a légzési folyamatokban, és visszakerül a légkörbe, amely a fotoszintézis során beépül a keletkező glükózba, és így tovább...

Gyakorlati alkalmazások

A többféle gyakorlati alkalmazás közül csupán kettő, szívemhez közel állót emelnék ki.

Vegyünk például egy gombatermesztőt, aki elhatározza, hogy ő bizony téli fülőkét vagy kucsmagombát fog termeszteni nagy mennyiségben. A termesztési folyamat első lépéseként elmegy az erdőbe, összegyűjt pár termőtestet, és beviszi őket a laborba. Ott izolálnak különböző törzseket, majd következik a csíragyártás, azaz a kiválasztott törzs vagy törzsek felszaporítása valamilyen köztes anyagon (pl. búzaszem, köles). Az így előállított szemcsírával lehet aztán beoltani azt a szubsztrátot, amelyen a gombák tényleges termesztése zajlik.
Ez a folymat több hónapig (4-6) is eltarthat gombafajtól függően. Ez idő alatt a gomba nem termel profitot, a tenyészetek elfertőződhetnek és elöregedhetnek. Cél lehet tehát az, hogy kidolgozzunk egy olyan reprodukálható mérési technikát, amellyel még a laboratóriumban kiszelektálható a legnagyobb növekedési eréllyel bíró törzs. Mivel e gombákat fa alapanyagon fogják termelni, s a gombáknak azt kell majd hasznosítani, ezért talán a gombák celluláz komplexeinek vizsgálata a legalkamasabb erre. Feltehető, hogy minél nagyobb aktivitást mutat a celluláz komplex, a gomba annál gyorsabban növekszik a cellulóz tartalmú szubsztráton. Tehát, ha már a laboratóriumban eldől mely törzsek a legalkalmasabbak a termesztésre, a több hónapig tartó folyamat jelentősen lerövidül, a termesztő pedig pénzt és időt nyer.

Az előbbinél is nagyobb jelentősége lehet a hőstabil cellulázok ipari méretekben való alkalmazásának. Mivel a Föld olajkészletei végesek, az emberiség kénytelen találni újabb átmeneti energiaforrásokat. Erre nyújthat jó alternatívát az előbb ismertetett celluláz enzimrendszer.
A bioetanol, vagyis biológiai alapanyagból nyert etanol egyre nagyobb szerepet kap mint a fosszilis benzin alternatívája. A probléma az, hogy a bioetanol gyártásának kiindulási anyaga a keményítő, vagyis az a növényi cukorforrás, amit minden valamirevaló állat - így az ember is - élelemként képes hasznosítani. Ha tehát a kukorica- és egyéb terméseket a fermentálóba küldjük, hogy "biobenzin"-t készítsünk belőlük, pontosan ennyivel jut kevesebb az "asztalunkra és vályúba".

A probléma egy megoldása lehet, ha az egyébként elégetett mezőgazdasági hulladékot dolgozzuk fel bioetanollá. A hulladék azért hulladék, mert nem lehet közvetlenül felhasználni, jórészt a lignocellulóz nagy ellenállóképességének köszönhetően.

A folyamat első lépéseként a lignocellulózt kell fellazítani, megbontani (ligninázokkkal és hemicellulázokkal például), majd a cellulózt hidrolizálni cellulázokkal. E folyamat eredménye β-D-glükóz, azaz szőlőcukor lesz, amelyet Saccharomyces cerevisiae (élesztő) segítségével erjesztve desztilláció és szűrések után 99,9%-os etanolt kapunk végeredményül. Ez a jelenlegi Otto-motoros autókban 20-22% arányban keverhető be a benzinbe.
Végleges megoldást természetesen nem jelent a bioetanol használata, maximum lelassíthatja az olajkészletek fogyását. Kérdéses az is, hogy a növénytermesztésben keletkező hulladékok nagyarányú felhasználása, nem befolyásolná-e negatív irányba a talajok termőképességét és általában a szén körforgását a bioszférában? A kérdésekre adott válaszok tehát további kérdésekhez vezetnek, a lényeg, hogy ne féljünk feltenni őket és tovább keressük a válaszokat.


Coughlan MP.; Biotechnol.Gen.Eng. 3:39 :The prperties of fungal and bacterial cellulases with comment on their production and application
Bhat MK.; Biotechnol. Adv. 15:583 : Cellulose degrading enzymes and their potential industrial applications
Turner P.; Microbial Cell Factories 6:9 : Potential and utilization of thermophiles and thermostable enzymes in biorefining
Szabó Zsuzsanna: A Morchella esculenta L.(Pers.) celluláz enzimkomplexének vizsgálata (ELTE TTK szakdolgozat)
Barabás Judit: A Flammulina velutipes celluláz komplexének vizsgálata (ELTE TTK szakdolgozat)