RÖPORTAJLAR|11 Şubat 2011 14:34

Ekstremofilik Mikroorganizmalar, Enerji Dengelerini Değiştirebilir mi?

Bu Haberi Paylaşın:

Söyleşi: Barış DOĞRU

Fotoğraflar: Özgür GÜVENÇ

Ekibinizin yaptığı çalışmalar hakkında genel bir bilgi alabilir miyiz?
Ebru Toksoy ÖNER:
Endüstriyel Biyoteknoloji ve Sistem Biyolojisi (Industrial Biotechnology and Systems Biology, IBSB) araştırma grubumuzun çalışma konuları biyoetanol ve mikrobiyal biyopolimer olmak üzere iki ana başlıkta toplanabilir. Biyoetanol konulu çalışmalarımızın ana amacı, fazla enerji gerektiren konvansiyonel üretim proseslerine alternatif olabilecek, toplam üretim maliyetini azaltan yeni ve yenilikçi teknolojiler geliştirmek. Bu doğrultuda, gerek ekstremofilik mikroorganizmalarla gerekse farklı Saccharomyces cerevisiae maya kültürleri ile çalışmalar yürütüyoruz. Mikrobiyal biyopolimer ile ilgili çalışmalardaki ana hedeflerimiz ise ekstremofilik mikroorganizmalardan ürettiğimiz ve endüstriyel öneme sahip biyopolimerlerin farklı endüstriyel uygulamalardaki rolünün araştırılarak pazar potansiyelinin belirlenmesi ve ekonomik üretim sistemlerinin geliştirilmesi.

Peki, neden özel olarak ekstremofilik mikroorganizmalarla çalışıyorsunuz?
ÖNER:
Ekstremofiller, yaşamak için çok zor olan şartları sadece tolere etmeyen, aynı zamanda optimum olarak bu doğal şartlarda büyüyen mikroorganizmalar. Yüksek sıcaklık, asidik, alkali veya ağır metal konsantrasyonu yüksek ortamlar, yüksek bası nçlar ve aşırı tuzlu ortamlar gibi insan hayatı için ekstrem olarak nitelendirilebilecek koşulları doğal kabul edip yaşayabilirler. Normal bir insanı öldürecek radyasyon dozunun beş bin katına dayanıklılık gösteren ve 131oC sıcaklıkta yaşayabilen ekstremofilik mikroorganizmalar var. Ekstremofillerin bu yaşam ortamları, dünyanın ilk oluştuğu koşullara benzediği için bu konudaki araştırmaların evrim ve uzaydaki farklı hayat formları konuları anda da önemli bilgiler sağlayacağı düşünülüyor. Günümüzde endüstride kullanılan kimyasalların birçoğu, endüstriyel uygulamaların gerektirdiği ekstrem sıcaklık, tuzluluk ve pH koşullarında özelliklerini koruyamıyorlar. İstenilen etkiyi göstermeleri için ise, yüksek miktarlarda ve sık kullanılmaları gerekiyor. Bu da üretim maliyetlerini çok artırıyor. Bu malzemelerin ektremofilik mikroorganizmalardan elde edilmiş olanları ise, ekstrem koşullara dayanıklı olmalarından dolayı endüstriyel şartlarda etkilerini koruyor ve dolayısıyla az miktarda kullanılmaları yeterli oluyor. Dolayısıyla üretim maliyetleri düşük seviyelerde kalıyor. Bu sebepten dolayı ekstremofilik mikroorganizmalar ve onlardan elde edilen enzim ve polimerlerin ticari önemi çok arttı. Diğer yandan, ekstremofilik mikroorganizmaların ürettiği enzim (ekstremozim) ve biyopolimerlerin üretildikleri ekstrem koşullarda fizikokimyasal özelliklerini korumalarını sağlayan özel yapılara sahip oldukları düşünüldü ve bu konudaki çalışmalar büyük önem kazanmıştı.

Hangi ekstremofilik mikroorganizmalarla çalışıyorsunuz?
ÖNER:
Çalışmalarımızda kullandığımız ekstremofilik mikroorganizmalar farklı kaynaklardan izole edilmiş ekstrem sıcak ortamlarda yaşayan termofiller ve yüksek miktarlarda tuz içeren ortamlarda yaşayan halofillerden oluşuyor. Termofiller, Antarktika’daki Rittman Dağında bulunan bir sıcak su kaynağından, İtalya’nın güneyindeki Stromboli adasındaki jeotermal topraklardan ve Bursa yakınlarındaki doğal sıcak su kaynaklarından; Halofiller ise, Antarktika’daki bir tuz gölünden ve İzmir Çamaltı tuzlasından izole ediliyor. Çalıştığımız termofilik mikroorganizmaların ürettiği amilaz enzimleri, global endüstriyel enzim piyasasının üçte birini teşkil ediyor ve gıdadan biyoyakıta kadar çok farklı endüstriyel uygulamaları var. Yüksek sıcaklıklarda aktivitelerini koruyabilen bu enzimler, özellikle deterjan endüstrisinde çok yaygın kullanılıyor. Çalışmalarımız bu enzimlerin karakterizasyonu ve iyileştirilmesi yanında biyoetanol üretim süreçlerindeki uygulanmasını da kapsıyor. Nişasta içeriği yüksek atık kaynaklarından biyoetanol üretimi gibi yeni jenerasyon biyoyakıt üretimi işlemlerine uygunlukları laboratuvar ortamında araştırılıyor. Halofilik mikroorganizmalar ise mikrobiyal biyopolimer üretimi araştırmalarında kullanılıyor. Bu mikroorganizmalardaki biyopolimer üretim mekanizmasının sistem bazlı yaklaşımla aydınlatılarak kontrol edilmesi ve bu yolla belli özelliklere sahip “akıllı biyopolimerler” üreten mikroorganizmaların, yani hücre fabrikalarının geliştirilmesi hedefleniyor. Aynı zamanda halofillik mikroorganizmalardan kontrollü şartlarda levan biyopolimerinin de mikrobiyal üretimi ile ilgili çalışmalar yapılıyor.
“Levan” konusunda biraz daha ayrıntılı bilgi alabilir miyiz?
ÖNER:
Levan, fruktoz ünitelerinden oluşan, çevreye dost ve biyobozunur bir şeker polimeridir. Yağ ve suda yüksek çözünürlük, kuvvetli yapışkanlık, biyo-uyumluluk ve film oluşturma gibi üstün özelliklere sahip bir biyopolimerdir. Kuraklık ve dondurucu soğuklara karşı bitkiler tarafından korunma amaçlı üretildiği bilinen bu fruktan polimerinin gıda, ilaç, kozmetik, boya, tekstil ve yapışkan sanayilerinde farklı uygulamaları var. Levan yem ve yiyecek sanayisinde probiyotik ve hipokolesterolemi etkileriyle, kozmetikte hücre yenileyici, cilt nemlendirici ve iritasyon engelleyici etkileriyle, ilaç sanayisinde de kaplama materyali olarak büyük bir potansiyel oluşturuyor. Ayrıca levan anti-tümör ajanı olarak ve bağışıklık sisteminin kuvvetlendirilmesinde de etkili ve bağırsak şorasını düzenlediği, kolesterolü düşürdüğü belirlendi. Birçok potansiyel uygulama alanı bulunan bu polimerin endüstriyel kullanımının önündeki tek engel, bakterilere ve bitkilere dayanan yüksek maliyetli üretim süreçleri. Levanın üretim maliyetleri, ticari polimerin fiyatına da yansıyor. Aynı saflıktaki ticari biyopolimerlerin fiyatları karşılaştırıldığında, levanın ne kadar pahalı bir polimer olduğu daha iyi anlaşılıyor. Levanın ortalama fiyatı 200 Euro/gram iken ksantan ve sodyum aljinat gibi üretim şartları standardize olmuş ucuz polimerlerin fiyatı 0.5-1 Euro/gram, biyoteknolojik önemi giderek artan ve pahalı olarak bilinen ticari pullulanın fiyatı bile 50- 70 Euro/gram arasında değişiyor. Bu sebeple, üretimiyle ilgili yapılan her türlü iyileştirmenin ekonomik değeri de çok büyük. Günümüzde, levan üretimine ticari ilgi yoğunlaştı. Dünyada endüstriyel olarak levan üretimini gerçekleştiren çok az sayıda şirket var ve halen üretim ekstremofilik olmayan kaynaklardan yapılıyor. Literatürde, ekstremofilik bir mikroorganizma tarafından levan üretimi ilk defa grubumuz tarafından yayınlandı. Bu konudaki Bilim “Enerji sorununa çözümler geliştirmek için laboratuvar ortamında yapay canlıların üretildiği günümüz teknolojisinin, çok yakın bir zamanda tüm global enerji dengelerini değiştirecek bir buluşla yeni bir vizyon kazanacağını düşünüyoruz” çalışmalarımızla, ekstremofilik bir mikroorganizmanın levan üretim sürecine sağladığı avantajları, atık kaynaklı üretim ile birleştirerek üretim maliyetlerinde ciddi iyileştirmeler sağlandı. Dünyada bu konuda büyük bir yarış olduğunu tahmin ediyoruz.

Bu konuda hangi aşamadasınız? Çalışmalarınız ne zaman fiiliyata geçecek?
ÖNER – Yalçın ARĞA:

Sistem biyolojisi, son on yılda ortaya çıkmış ve 21. yüzyılın bilimi olarak adlandırılıyor. Sistem biyolojisiyle gelen yeni dalgalar endüstriyel biyoteknoloji çalışmaları nı ivmelendirdi, kısa vadede bu alanda önemli uygulamalara olanak sağlamaya başladı. Bu hızla gelişen bir ortamın rekabetçi olması da kaçınılmaz. Nitekim ekstremofilik organizmaları n endüstriyel uygulamaları üzerine çalışmalar gerçekleştiren Türkiye’de ve dünyada birçok araştırma grubu bulunuyor. Öte yandan, IBSB olarak, sistem biyolojisi yaklaşımları ile ekstremofilik organizmaların endüstriyel biyoteknolojide kullanımı açısından Türkiye’deki tek araştırma grubuyuz. Gerek grubumuzun bilimsel altyapısı, gerekse laboratuvar altyapımız ve gerçekleştirdiğimiz üst düzey uluslararası yayın ve projeler düşünüldüğünde; araştırma grubumuzun bu rekabetçi ortamda ayakta kalabilecek güç ve olgunluğa eriştiğini söyleyebiliriz. 5-10 yıl gibi kısa bir süre içerisinde, sistem biyolojisinin sağlık hizmetlerinde, endüstriyel biyoteknolojide ve sürdürülebilir kalkınmada ses getirecek, uygulanabilir ilerlemeler sunması bekleniyor. Grubumuzun bu vadede hedefi, endüstriyel biyoteknolojide oluşması beklenen gelişmelerin gerçekleşmesi esnasında izleyici değil, bizzat geliştirici ve uygulayıcı olabilmek. Bu doğrultuda, farklı endüstri sektörlerindeki problemlere üniversite ve sanayi ortaklığında çözüm üretmenin çok önemli olduğunu düşünüyoruz. Bizim çalışmalarımızın yaşama geçmesi için akademisyen, sanayi ve ticaret işbirliğinin sağlanması çok önemli. Bu kapsamda özellikle ekolojiyle ilgili konularda sektörler ve disiplinlerarası iletişim ve işbirliğini geliştirmeyi hedefleyen uluslararası bir oluşumun temelleri atıldı; bizler de bunun hayata geçmesi için elimizden gelen tüm desteği sağlıyoruz.

Bu çalışmaların sonucunun, biyoetanol üretiminde, gıda krizini tetikleme tehlikesi taşıyan enerji tarımının yerini alabileceğini düşünüyor musunuz?
ÖNER:
Atık kaynaklarından yeni jenerasyon biyoyakıt üretim teknolojilerinin konvansiyonel teknolojilerin yerini alacağını düşünüyoruz. Son yıllarda bu konudaki gelişmeler hızla ilerliyor ve bu teknolojik gelişmeler, insanların ekolojik konularda gittikçe daha fazla bilinçlenmesiyle birleşerek ülkelerin Günümüzde biyolojik araştırmalar esaslı bir değişim geçiriyor. Bu değişimin simgesi olan Sistem Biyolojisinde en basit bakterilerden insana kadar geniş bir spektrumdaki biyolojik sistemlerin gerek çevreleriyle gerekse de sistem içi dinamik etkileşimlerinin aydınlatılması hedeşeniyor. Bunun için, matematiksel ve istatistiksel yöntemler biyolojik veriler ile bütünleştirilerek modeller geliştirilir ve bu modeller kullanılarak karmaşık dinamik biyolojik süreçlerin anlaşılması, kontrolü ve geliştirilmesi konularında yeni hipotezler üretilir. Sistem biyolojisi, son on yılda oluşturduğu yeni dalgalarla birlikte yeni fikirler, yeni araçlar ve yeni veriler ortaya koyarak biyolojik araştırmaları zenginleştirdi. Sistem yaklaşımı ile üretilen yüksek boyutlu veriler, analiz çalışmalarını gözlemlenebilir ufkumuzun ötesine zorluyor ve 5-10 yıl gibi kısa bir süre içerisinde, sağlık hizmetlerinde, endüstriyel biyoteknolojide ve sürdürülebilir kalkınmada ses getirecek, uygulanabilir ilerlemeler sunması bekleniyor. Araştırma grubumuz bünyesinde gerçekleştirilen çalışmalarda, ekstremofilik mikroorganizmaların metabolizmasını aydınlatan yüksek boyutlu modeller oluşturuldu. Oluşturulan modellerin bilgisayar ortamında benzetimi yoluyla biyopolimer ve biyoetanol üretim süreçlerinin verimlerini ve hızlarını artırmak amaçlı yeni üretim stratejileri geliştiriliyor ve geliştirilen hipotezler laboratuvarda test ediliyor.

Bir tahmin yürütmenizi istesek, ekstremofillerden enerji üretimi endüstriyel anlamda ve kapsamlı olarak ne zaman gerçekleştirilebilir? Ne kadar büyük bir enerji kaynağı olabileceğini tahmin ediyorsunuz?

ÖNER: Ekolojik problemler, iklim değişikliği, petrokimyasal enerji gibi sorunlara çözüm arayışı da ekstremofilik mikroorganizmalara fokuslanmayı tetiklemiş durumda. Son beş yılda, Amerika’da bu mikroorganizmaların enerji üretimiyle ilgili araştırmalara büyük ölçekte fonlar ayrılmaya başlandı. 2008 yılında Forbes dergisinde yayınlanmış olan bir makalede, “Energy Superbugs” olarak nitelendirilen ekstremofilik mikroorganizmaların yeni enerji ekonomilerinin oluşumunda kilit rol oynayacağı belirtildi. Tüm bu veriler göz önüne alındığında, ekstrem şartlarda yaşamayı başarabilen bu mikroorganizmaların, ekstrem bir hal almış olan enerji probleminin çözümünde büyük katkı sağlayacakları kesindir.

Bilim IBSB Grubunda çalışan doktora öğrencisi Deniz Köşebent’in Bioetanol Projesi için mikroskop altında Saccharomyces cerevisiae yani maya hücreleri üzerinde çalışırken çektiği bu fotoğraf, sanki bir mesaj gibi. Bakalım ekstrem şartlarda yaşamayı başarabilen bu mikroorganizmalar, ekstrem bir hal almış olan enerji probleminin çözümüne katkı sağlayabilecek mi?

Yar. Doç. Dr. K. Yalçın Arğa: “Sistem Biyolojisi Sürdürülebilirliğe Katkı Sağlayacak”

Günümüzde biyolojik araştırmalar esaslı bir değişim geçiriyor. Bu değişimin simgesi olan Sistem Biyolojisinde en basit bakterilerden insana kadar geniş bir spektrumdaki biyolojik sistemlerin gerek çevreleriyle gerekse de sistem içi dinamik etkileşimlerinin aydınlatılması hedeşeniyor. Bunun için, matematiksel ve istatistiksel yöntemler biyolojik veriler ile bütünleştirilerek modeller geliştirilir ve bu modeller kullanılarak karmaşık dinamik biyolojik süreçlerin anlaşılması, kontrolü ve geliştirilmesi konularında yeni hipotezler üretilir. Sistem biyolojisi, son on yılda oluşturduğu yeni dalgalarla birlikte yeni fikirler, yeni araçlar ve yeni veriler ortaya koyarak biyolojik araştırmaları zenginleştirdi. Sistem yaklaşımı ile üretilen yüksek boyutlu veriler, analiz çalışmalarını gözlemlenebilir ufkumuzun ötesine zorluyor ve 5-10 yıl gibi kısa bir süre içerisinde, sağlık hizmetlerinde, endüstriyel biyoteknolojide ve sürdürülebilir kalkınmada ses getirecek, uygulanabilir ilerlemeler sunması bekleniyor. Araştırma grubumuz bünyesinde gerçekleştirilen çalışmalarda, ekstremofilik mikroorganizmaların metabolizmasını aydınlatan yüksek boyutlu modeller oluşturuldu. Oluşturulan modellerin bilgisayar ortamında benzetimi yoluyla biyopolimer ve biyoetanol üretim süreçlerinin verimlerini ve hızlarını artırmak amaçlı yeni üretim stratejileri geliştiriliyor ve geliştirilen hipotezler laboratuvarda test ediliyor.

 

Dr. Faruk Küçükaşık:

“Biyopolimerin Maliyetini Yedi Kat Düşürdük”

Biyopolimerler maalesef yüksek üretim maliyetleri yüzünden hâlâ piyasada hak ettikleri gerçek yeri alamıyor. Boğaziçi Üniversitesi Çevre Bilimleri Enstitüsünde tamamladığım doktora çalışmalarım kapsamında, levan polimerinin pazar potansiyelinin artırılması amacıyla, ekonomik ve çevreye duyarlı şekilde üretimi için farklı atık kaynaklarının uygunluğunu araştırdım. Üretim için, ekonomik açıdan katma değeri çok az olan melas gibi endüstriyel tarım yan ürünlerini ya da portakal posası gibi tarımsal atıkları kullandık. Besin değeri bakımından çok zengin olan bu yan ürünler ve atıklar kullanıldığında, piyasa değeri çok yüksek olan bu biyopolimerin mikrobiyal üretim miktarının da oldukça önemli seviyelere çıktığı belirlenmiş durumda. Birim biyopolimer başına üretim maliyetini şu an için bile 7 kattan fazla düşürmemiz bence çok önemli bir başarıdır. Devam eden çalışmalar bize bu oranın çok daha azalacağını gösteriyor ve bir mühendis olarak, bu olumlu sonuçların faydalı bir endüstriyel ürüne dönüşmesinin emeklerimize değer katacağını düşünüyorum.

Enerji Süperböcekleri Forbes’da
Ekstremofillerden enerji üretimi bir süre önce, ünlü ekonomi dergisi Forbes’un da gündemindeydi. Haber metni aynen şöyle: “Oksijene ve güneş ışığına ihtiyaç duymuyorlar. Asit havuzlarında ve bir insanı öldürebilecek radyasyonun beş bin kat daha fazlasında yaşayabiliyorlar. Metal soluyabiliyor, nükleer atıkları yiyebiliyor, zehir içebiliyor ve hatta kendi yaralarını iyileştirebiliyorlar. Bilim insanları, ekstremofiller adını taşıyan bu süperböceklerin yeni enerji ekonomisinin sırrı olabileceğini düşünüyorlar.”