Production, Purification and Characterization of Thermostable Amylase from Thermophilic Bacteria Isolated from Water and Sediments of Wanzaye Hot Spring, Ethiopia

In der Welt der industriellen Fertigung fungieren Enzyme als die eigenen Werkzeuge der Natur, die chemische Reaktionen beschleunigen, die andernfalls viel zu lange dauern oder extreme Bedingungen erfordern würden. Unter diesen sind Amylasen besonders wertvoll, da sie Stärke – eine häufige Energiequelle in Pflanzen – in einfachere Zucker abbauen. Obwohl diese Enzyme nützlich sind, bauen sich viele ab oder hören auf zu arbeiten, wenn die Temperatur steigt, was ihren Einsatz in Prozessen, die Hitze erfordern, einschränkt. Hier kommen hitzeliebende oder thermophile Bakterien ins Spiel. Diese mikroskopisch kleinen Organismen, die in extremen Umgebungen wie heißen Quellen vorkommen, produzieren Enzyme, die selbst bei hohen Temperaturen stabil und aktiv bleiben. Wissenschaftler versuchen schon lange, diese robusten biologischen Katalysatoren zu nutzen, um die Effizienz in Branchen von der Lebensmittelverarbeitung bis zur Waschmittelherstellung zu verbessern, doch viele Regionen mit geothermischer Aktivität sind für diese spezifischen Ressourcen noch weitgehend unerforscht.

Forscher in Äthiopien richteten ihr Augenmerk auf die Wanzaye-Heißquelle, eine natürliche geothermische Fundstelle im Nordwesten des Landes, um zu untersuchen, ob ihre Gewässer und Sedimente Bakterien beherbergen, die in der Lage sind, solche hitzebeständigen Enzyme zu produzieren. Das Team entnahm Proben aus der Quelle, die sich in einem kühlen, subhumiden Klima befindet, aber Wasser mit einer Temperatur von 42 Grad Celsius ausstößt. Durch das Erhitzen der Proben auf 80 Grad Celsius filterten sie gewöhnliche Bakterien und Pilze heraus, sodass nur die zähen, sporenbildenden Thermophilen zurückblieben. Aus diesen Überlebenden isolierten sie zwanzig verschiedene Bakterienkolonien und untersuchten sie auf ihre Fähigkeit, Stärke zu zersetzen. Acht dieser zeigten eine starke Aktivität, und vier spezifische Stämme, die als WA7, WA10, WA11 und WA12 bezeichnet wurden, wurden für eine tiefergehende Untersuchung ausgewählt. Alle vier wurden der Gattung Bacillus zugeordnet, einer Gruppe von Bakterien, die für ihre Widerstandsfähigkeit und ihre Fähigkeit zur Bildung schützender Sporen bekannt ist.

Um die Enzyme zu produzieren, kultivierten die Forscher diese Bakterien mit einer Methode namens Feststofffermentation, bei der Mikroben auf festem landwirtschaftlichem Abfall anstatt in einer Flüssigkeit gezüchtet werden. Sie testeten drei verschiedene Materialien: Weizenkleie, Reiskleie und Bananenschalen. Die Ergebnisse zeigten, dass Weizenkleie die überlegene Wahl war, da sie die höchste Enzymproduktion unterstützte. Das Team stellte fest, dass die Bakterien am besten wuchsen und das meiste Enzym produzierten, wenn sie bei einer Temperatur von 55 Grad Celsius und einem neutralen pH-Wert von 7 gehalten wurden, und dass der optimale Zeitpunkt für die Ernte des Enzyms nach 72 Stunden Wachstums lag. Sob nachdem die Bakterien ihre Arbeit verrichtet hatten, extrahierten die Forscher das Rohなenzgemisch und reinigten es durch einen Prozess, bei dem Salz hinzugefügt wurde, um die Proteine auszufällen, und anschließend die Proteine wuschen, um Verunreinigungen zu entfernen. Dieser Reinigungsschritt erhöhte die Konzentration des aktiven Enzyms und machte es effektiver.

Die gereinigten Enzyme wurden anschließend einer Reihe von Tests unterzogen, um ihre Fähigkeiten zu verstehen. Analysen ergaben, dass die Enzyme eine Größe von etwa 50 Kilodalton aufwiesen – ein Maß für das Molekulargewicht – und dass sie Stärke primär in Maltose, eine Art von Zucker, abbauten. Bei Tests der Hitzetoleranz erwiesen sich die Enzyme als bemerkenswert robust. Sie erreichten ihre Spitzenleistung bei Temperaturen zwischen 65 und 70 Grad Celsius, abhängig vom spezifischen Bakterienstamm. Noch beeindruckender war, dass sie nach einem Aufenthalt bei Temperaturen zwischen 40 und 80 Grad Celsius für eine Stunde mehr als 76,8 Prozent ihrer ursprünglichen Aktivität beibehielten. Sie zeigten zudem Stabilität über einen weiten Bereich von Säuregraden hinweg und funktionierten sowohl in leicht sauren als auch in leicht alkalischen Bedingungen gut.

Die wohl praktischste Demonstration ihres Potenzials betraf rohe Enset-Stärke, ein Grundnahrungsmittel in Äthiopien. Die Forscher mischten die gereinigten Enzyme mit rohem Ensetpulver und fanden heraus, dass die Enzyme die Stärke mit einer Effizienz von über 70 Prozent in fermentierbare Zucker umwandeln konnten, wobei der beste Performer fast 91 Prozent erreichte. Dies deutet darauf hin, dass diese Enzyme verwendet werden könnten, um rohe Stärke direkt zu verarbeiten, ein Prozess, der oft schwierig und energieintensiv ist. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Wanzaye-Heißquelle eine wertvolle, bisher weitgehend ungenutzte Quelle für industriell relevante Bakterien ist. Durch die Verwendung von kostengünstigem landwirtschaftlichem Abfall wie Weizenkleie zur Kultivierung dieser Mikroben demonstrierten die Forscher einen kosteneffizienten Weg zur Produktion von Enzymen, die den hohen Temperaturen standhalten können, die in der modernen Stärkeverarbeitungsindustrie erforderlich sind, und bieten damit einen nachhaltigen Weg für die lokale und globale Fertigung.