Celuloza – od drzew do smakołyków Understand article

Tłumaczenie Katarzyna Badura. Ta sama cząsteczka, która utrzymuje potężne drzewa w pionie i doprowadziła do powstania pierwszych wielokomórkowych form życia – może być wykorzystana nawet w produkcji słodkich smakołyków.

Co jest najpowszechniejszą złożoną cząsteczką na Ziemi? Może jakiś syntetyczny polimer? W rzeczywistości możemy się natknąć na tą cząsteczkę w świecie naturalnym niemalże na każdym kroku – np. spacerując po lesie. A to dlatego, że mowa o celulozie – substancji produkowanej przez rośliny jako budulec strukturalny.

Rośliny na Ziemi produkują przynajmniej 100 miliardów (1011) ton celulozy rocznie – setki razy więcej niż największe ilości plastików produkowanych w tym samym przedziale czasowym. Poza tym, że jest niezwykle popularna, celuloza produkowana przez rośliny jest również wyjątkowo pożyteczna. Możliwe, że np. artykuł, który właśnie czytasz jest wydrukowany na wyprodukowanym z celulozy papierze, a do tego wszyscy ubieramy koszulki i spodnie uszyte z bawełny, kolejnego przykładu celulozy. Meble w naszych domach zbudowane sa najczęściej z drewna, które niemalże w całości stanowi celulozę, a niektórzy z nas wręcz mieszkają w drewnianych domach. Wiele osób używa drewna jako źródła energii do ogrzewania swoich domów, być może ze względu na podanczasowy urok prawdziwego ognia. Jako biopaliwo, drewno jest kluczowym odnawialnym źródłem energii.

Drzewo składa się głównie z celulozy, najpowszechniejszej na świecie cząsteczki.
Joseph / Flickr

Czym jest celuloza?

Pomimo olbrzymiego rozmiaru cząsteczkowego, celuloza jest zaskakująco prostym związkiem: zbudowanym wyłącznie z cząsteczek cukru – glukozy. Czasami na jedną makrocząsteczkę (olbrzymią jednostkę) celulozy składa się kilka tysięcy cząsteczek glukozy. Glukoza sama w sobie powstaje w roślinach z dwutlenku węgla i światła słonecznego na drodze procesu fotosyntezy.

Makrocząsteczka celulozy składa się z wiązki osobnych łańcuchów glukanowych. Każdy łańcuch glukanu składa się z cząsteczek celobiozy, zbudowanych z dwóch połączonych cząsteczek glukozy (ryc. 1). Liniowe łańcuchy glukanu wiążą się ze sobą wiązaniami wodorowymi, a duża liczba tych słabych wiązań nadaje celulozie jej szczególne właściwości. Na przykład wspomagają odporność celulozy na wodę, co pozwala jej na zachowanie właściwości strukturalnych nawet w wilgotnych warunkach. Dodatkowo powodują, że cząsteczka jest odporna na chemiczne ataki kwasów i zasad (Ross et al., 1991).

Ryc 1: Chemiczna struktura celulozy zbudowanej z cząsteczek glukozy. 1: cząsteczka glukozy; 2: celobioza (dwie cząsteczki glukozy połączone tlenem, zaznaczonym na czerwono); 3: łańcuch glukanu; 4: część makrocząsteczki celulozy ukazująca wiązania wodorowe (na niebiesko) łączące ze sobą łańcuchy glukanowe. (Pobrane z worthington-biochem.com, megazyme.com)

Celuloza: budulec nie tylko roślin

Te użyteczne właściwości świadczą o tym, że celulozę można znaleźć również w innych niż rośliny elementach świata żywego. Niektóre grzyby posiadają ściany komórkowe zbudowane z celulozy (choć u większości grzybów ściany te zbudowane są z chityny, innej powszechnie występującej makrocząsteczki). Glony, część ameb, a nawet niektóre zwierzęta bezkręgowe (głównie bezkręgowce morskie znane jako osłonice) również produkują celulozę. Na przykład, w strumieniach morskich, celuloza pomaga larwom w przemianie w osobniki dorosłe oraz stanowi część „tuniki”, swistego egzoszkieletu. W społeczności ameb, gdy w otoczeniu brakuje składników odżywczych, te jednokomórkowe formy życia wykorzystują celulozę jako budulec łodyg i porów, pozwalających na wygenerowanie wielokomórkowych, grzybopodobnych organizmów.

To może brzmieć zaskakująco, ale niektóre bakterie również wytwarzają celulozę (Ross et al., 1991; Zogaj et al., 2001). Sekwencjonowanie genomu ujawniło, że ta zdolność jest obecna pośród wielu gatunków bakterii: od ewolucyjnie pradawnych bakterii termofilnych do tych, które kojarzą się z roślinami lub kolonizują nasz przewód pokarmowy (Römling & Galperin, 2015). Ta ostatnia grupa obejmuje również dwa dobrze znane organizmy, E. coli i salmonellę (Escherichia coli, Salmonella typhimurium).

Obecne w morskich nurtach Ciona intestinalis, które posiada egzoszkielet zawierający celulozę
Fotografia: Stefan Siebert
 

Ale dlaczego bakterie wytwarzają celulozę? Ta cząsteczka, powiązana ściśle ze sztuwnością struktury w przypadku roślin, pomaga bakteriom w dostosowaniu się do zaskakująco szerokiej gamy wyspecjalizowanych środowisk. Celuloza pomaga bakteriom żyjącym w środowisku roślinnym na przyczepienie się do powierzchni roślin – a w przypadku bakterii patogennych, na ścisłe przylgnięcie do komórek gospodarza i wywołanie reakcji chorobowej. Niektóre bakterie żyjące w źródłach solnych (w tym gatunki ciepłolubne i cyjanobakterie) wytwarzają celulozę, która zdaje się chronić komórki bakteryjne przed wysuszeniem i innymi zagrożeniami środowiskowymi, takimi jak ultrafiolet czy środki dezynfekujące.

W rzeczywistości, to cyjanobakterie mogły przyczynić się do tego, że rośliny posiadły umiejętność produkcji celulozy. Na drodze ewolucji bakterie te stały się częścią komórek roślinnych, takich jak chloroplasty, wnosząc ze sobą genetyczne informacje potrzebne do produkcji celulozy; geny te można obecnie znaleźć w genomie roślin (Nobles et al., 2001). Ale jak do tego doszło? Teoria endosymbiozy sugeruje, że około miliarda lat temu, wolnożyjące fotosyntetyczne cyjanobakterie zostały schwytane przez przodków dzisiejszych alg, zapewniając tym samym ogromną przewagę nowopowstałym organizmom, które ewoluowały i różnicowały się dając podstawę wielu fotosyntetycznym gatunkom roślin i glonów. Teorię tę potwierdza fakt, że chociaż dzisiejsze chloroplasty utraciły większość swoich pierwotnych genów, to jednak pierwotny gen syntazy celulozy (enzymu potrzebnego do wytworzenia celulozy) został przeniesiony do genomu rośliny i nadal wykazuje uderzające podobieństwo do swoich odpowiedników w obecnych cyjanobakteriach.

Patogen układu pokarmowego Salmonella typhimurium wytwarza biofilmy celulozowe jako macierz pozakomórkową.
U Römling

Biofilmy: wytwarzanie połączeń

Jednym z głównych powodów, dla których bakterie wytwarzają celulozę jest produkcja „biofilmów” – warstw celulozowych, które tworzą macierz na zewnątrz komórek bakteryjnych i pozwalają środowiskom wielokomórkowym na trzymanie się razem. Takie społeczności komórkowe były pierwszą wielokomórkową formą życia obecną na Ziemi jakieś 3,1 miliarda lat temu. W dzisiejszym świecie istnieje wiele mikroorganizmów, które wykazują tendencje do podobnego życia w formach wielokomórkowych, funkcjonujących bardzo podobnie do tkanek w wyższych organizmach. Takie rozwiązanie ma na celu bardziej efektywne wykorzystanie otrzymywanego pożywienia.

Warstwy celulozy mogą również pomóc bakteriom w interakcji z wyższymi organizami takimi jak grzyby, rośliny czy zwierzęta. Gdy wysoce chorobotwórcze bakteria infekują organizm, biofilmy zapewniają bakterii mechanizm umożliwiający kontrolowanie zjadliwości (ciężkości) infekcji. Jednak w przypadku zakażeń przewlekłych, gdy bakterie rozregulowują swoją matrycę z biofilmem, stopień zjadliwości jest niski, co pozwala organizmowi gospodarza na współistnienie z bakteriami (Pontes et al., 2015; Ahmad et al., 2016).

Celuloza bakteryjna: supermateriał przyszłości?

Fermentowana herbata
kombucza, zyskująca coraz
bardziej na popularności, jest
produkowana z
wykorzystaniem osadu
celulozy bakteryjnej.

Römling & Galperin (2015)

Celuloza bakteryjna posiada kilka wyjątkowych cech, które odróżniają ją od celulozy roślinnej, a to dopiero początek fascynujących odkryć. Oto kilka z nich: jest nadzwyczaj czysta, ma dużą powierzchnię i zdolność zatrzymywania wody; jest to też naturalny nanomateriał. Celuloza bakteryjna ma duże znaczenie jako wartość ekonomiczna i niektóre produkty celulozy bakteryjnej są już produkowane komercyjnie. Na przykład:

  • Nata de coco’ jest popularnym, niskokalorycznym słodyczem z Filipin. Niemalże w całości stanowi celulozę bakteryjną produkowaną na drodze fermentacji mleka kokosowego.
  • Herbata kombucza jest tradycyjnym azjatyckim fermentowanym napojem herbacianym, produkowanym z wykorzystaniem osadu celulozy bakteryjnej z osadzonymi w niej licznymi szczepami bakterii i drożdży. Promowana jako zdrowy napój staje się coraz bardziej popularna na świecie.
  • W medycynie, celuloza bakteryjna wykorzystywana jest jako forma opatrunku, szczególnie przy ranach przewlekłych, jest bowiem mechanicznie wytrzymała i odporna na wodę. Ponieważ bakteryjna celuloza jest biodegradowalna i biokompatybilna, znalazła również zastosowanie w innych medycznych aspektach: na przykład, w dostarczaniu lekarstw, bądź też odbudowie zniszczonych tkanek, gdzie może pełnić funkcję biodegradowalnego, nieimmunogennego „rusztowania”, do którego mogą przyczepić się żywe komórki.

Ten wiekowy materiał naturalny jest na dobrej drodze, by stać się supermateriałem przyszłości – ujawniając kolejny sposób, w jaki bakterie mogą nam pomóc, zamiast szkodzić.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

  • Więcej informacji na temat skrobi, innej makrocząsteczki zbudowanej z cząsteczek glukozy, znajdziesz tutaj:

Author(s)

Dr Ute Römling jest profesorem fizjologii mikrobiologicznej w Instytucie Karolinska w Sztokholmie (Szwecja). Studiowała biochemię na Uniwersytecie Technicznym w Hannoverze (Niemcy), ale uważa się za mikrobiologa-samouka. W czasie trwania swojej kariery zawodowej jest zaangażowana w edukację naukową.


Review

Ten artykuł można potraktować jako świetny wstęp i nawiązanie do lekcji dotyczącej struktury i funkcjonowania biomolekuł. Fakt, że celuloza jest produkowana nie tylko przez komórki roślinne, ale również przez niektóre bakterie może sprowokować dyskusję i/lub badania nad biofilmami jak również naturą bakteryjnej zjadliwości. Możesz poprosić uczniów aby poszukali zastosowania bakteryjnej celulozy, np. do celów medycznych lub w jedzeniu i przedstawili efekty swojej pracy przed resztą klasy lub w ramach małego domowego projektu. Dodatkowo, możesz zadać im pytania sprawdzające zrozumienie tematu, takie jak:

  • Na czym polega istota celulozy w osłonkach?
  • Jaka jest rola celulozy w przypadku bakterii żyjących w śródłach soli?
  • Opisz i wyjaśnij funkcję biofilmu.
  • Co rozumiesz przez pojęcie „zjadliwości”?

Dr Shelley Goodman, nauczyciel nauk stosowanych, Wielka Brytania.




License

CC-BY