ساختار و ویژگی های لاکتیک اسید، 3-هیدروکسی پروپیونیک اسید (3-HP)

در سال 2013، در حدود 300،000 تن لاکتیک اسید، عمدتا” توسط تخمیر، تولید شد. به علت طعم اسیدی خوشایند و ویژگی نگهدارندگی این ماده شیمیایی، بیشترین کاربرد آن در غذا و نوشیدنی ها می باشد. محصول با خالص کمتر آن در صنعت نساجی و چرم استفاده می شود. کاربرد در حال رشد D-لاکتیک اسید و B-لاکتیک اسید به عنوان ماده شیمیایی واحد ساختمانی در سنتز پلی استر های زیست تجزیه پذیر است. 3-هیدروکسی پروپیونیک اسید (3-HP) یک هیدروکسی اسید غیر طبیعی است که می تواند به طور متابولیکی از ای کلای مهندسی شده تهیه شود و همانند لاکتیک اسید، نه تنها یک واحد ساختمانی برای پلیمرها هست، بلکه یک سطح شیمیایی برای سنتز مواد شیمیایی دیگری همچون اکریلیک اسید (از دهیدراته شدن 3-HP بدست می آید) نیز می باشد. پلیمرهای با پایه اکریلیک اسید در پوشاک، نساجی، چسب ها، تصفیه آب و … استفاده می شود.

بیوسنتز L-لاکتیک اسید توسط ارگانیسم ها :

از لحاظ فنی L-لاکتیک اسید توسط لاکتوباسیل های گوناگون تولید می شود. انتخاب میکروارگانیسم ها بسته به نوع منبع کربنی است که استفاده می کنند. به منظور ترنسفورماسیون کامل یک سوبسترا، لاکتوباسیل های تخمیر کننده باید استفاده گردد به علت اینکه آنها در طی گلیکولیز، به ازای هر مولکول D-گلوکز دو مولکول L-گلوکز تولید می کنند. D-لاکتیک اسید توسط اسپورولاکتوباسیلوس لاوولاکتیکوس ( Sporolactobacillus laevolacticus ) تولید می شود. همچنین به صورت متابولیکی می توان قارچ و مخمر نان را مهندسی کرده تا لاکتیک اسید بیشتری تولید کنند، اما به لحاظ عملکرد در زمان، قابل مقایسه با فرآیندهای بر اساس لاکتوباسیل نخواهند بود.

تخمیر و بازیافت لاکتیک اسید :

لاکتیک اسید را می توان از دو طریق سنتز شیمیایی و یا تخمیر تولید کرد. سنتز شیمیایی با افزودن H₂O به اکریلیک اسید و یا افزودن HCN به استالدهید به سمت تولید راسمیک اسید هدایت می شود. در تخمیر، انتخاب میکروارگانیسم بسته به نوع منبع کربن تعیین می شود. لاکتوباسیلوس دلبروکی (Lactobacillus delbrueckii) یا لاکتوباسیلوس لیشمانی ( L. leichmannii ) ، دکستروز یا دیگر محلول های شکر را ترجیح می دهند، درحالیکه لاکتوباسیلوس بولگاریکوس ( L. bulgaricus ) تنها از آب پنیر به عنوان منبع کربن استفاده می کند. محیط تخمیر حاوی 12-18% شکر، یک منبع نیتروژن، فسفات و ویتامین B است.

به علت از دست رفتن فعالیت لاکتوباسیل ها در pH کمتر از 5/4، فرآیند تخمیر در pH با بازه ی بین 5/5 تا 6 و دمای 45-50 درجه سانتی گراد، تحت شرایط فقر O₂ و در حضور CaCO₃ (جهت حفظ پایداری pH) به عنوان بافر تنظیم می گردد. فرآیند پس از 2 تا 6 روز بسته به غلظت سوبسترا، کامل می شود. پس از حذف توده ی سلول، کلسیم-لاکتات با افزودن H₂SO₄ تبدیل به اسید آزاد می شود که در ادامه توسط کروماتوگرافی تعویض یونی خالص می گردد. از سوی دیگر استری شدن با متانول، تولید لاکتیک اسید متیل استر می کند که به کمک تقطیر خالص می شود. استفاده از غشاهای مایع و استفاده مستقیم از تبادل کننده یون در محیط تخمیر، بدون ته نشینی نمک کلسیم در حال پیشرفت است. برای کاربردهای پلی استری نیز، یک لاکتید در طی تغلیظ و تخلیص از طریق تقطیر در خلاء شکل می گیرد.

3-هیدروکسی-پروپیونیک اسید (3-HP) :

به منظور تولید این ترکیب غیر طبیعی از گلوکز یا  به عنوان ماده خام در یک میکروارگانیسم مسیر های متابولیکی مصنوعی بسیاری ساخته و مورد بررسی قرار می گیرد. یکی از مسیرهای ارجح، استفاده از میزبان ای کلای و شروع با گلوکز آزاد است، که از طریق پیرووات و L-آلانین به تولید β-آلانین منجر می شود که خود می تواند در دو مرحله آنزیمی از مالونیل سمی آلدهید به 3-HP تبدیل گردد. این مسیر تا حدی مورد توجه است اما آنزیمی که ایزومر L- را به β-آلانین (آلانین-3،2-آمینوموتاز) تبدیل می کند تا به حال در طبیعت یافت نشده بود.

در نتیجه، فعالیت آنزیم آلانین-3،2-آمینوموتاز بر اساس پروتئین مربوطه آن توسط ترکیبی از طراحی پروتئین و تغییر آنزیم مهندسی شده است، و یافت شد که L-آلانین پس از بیان در ای کلای آن را فعال می کند. در مسیر دیگر گلیسرول به عنوان منبع C ، به 3-هیدروکسی-پروپیونالدهید هیدراته می شود، (با استفاده از ژن گلیسرول دهیدراتاز از باکتری کلبسیلا پنومونی ( Klebsiella pneumonia ))، سپس تحت اثر آلفا کتوگلوتریک سمی آلدهید دهیدروژناز (از باکتری آزوسپیریلوم برازیلنس ( Azospirillum brasiliense )) به 3-HP تبدیل می شود، در این فرآیند افزودن ویتامین B12 به محیط لازم است، به علت تشکیل ویتامین B12 در سیتوپلاسم باکتری کلبسیلا پنومونی، تلاش بر این است که تمامی مسیر در این باکتری به عنوان میزبان انجام پذیرد. با این حال میزان محصولات هنوز رضایت بخش نبوده و در حدود g/l 40 است. پیشرفت های گفته شده، نمونه هایی جدید از بیولوژی سنتتیک هستند که دیگر بر اساس مسیرهای طبیعی و آنزیمی نیستند اما تلاش ها برای طراحی هر دو مسیر و آنزیم های مورد نیاز ادامه خواهد داشت.

نویسنده : مرضیه بصیرنژاد _ کارشناس ارشد رشته علوم سلولی و مولکولی