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

In de wereld van de industriële productie fungeren enzymen als de eigen instrumenten van de natuur, die chemische reacties versnellen die anders veel te lang zouden duren of extreme omstandigheden zouden vereisen. Onder deze enzymen zijn amylasen bijzonder waardevol omdat ze zetmeel, een veelvoorkomende energiebron in planten, afbreken tot eenvoudigere suikers. Hoewel deze enzymen nuttig zijn, breken veel van hen af of stoppen ze met werken wanneer de temperatuur stijgt, wat hun gebruik beperkt in processen die warmte vereisen. Hier komen hitte-minnende, of thermofiele, bacteriën in beeld. Deze microscopische organismen, die worden gevonden in extreme omgevingen zoals hete bronnen, produceren enzymen die stabiel en actief blijven, zelfs bij hoge temperaturen. Wetenschappers proberen deze robuuste biologische katalysatoren al lang te benutten om de efficiëntie te verbeteren in sectoren variërend van voedselverwerking tot de productie van wasmiddelen, maar veel regio's met geothermische activiteit blijven grotendeels onverkend voor deze specifieke bronnen.

Onderzoekers in Ethiopië richtten hun aandacht op de Wanzaye Hot Spring, een natuurlijke geothermische locatie in het noordwesten van het land, om te onderzoeken of haar water en sedimenten bacteriën bevatten die in staat zijn dergelijke hittebestendige enzymen te produceren. Het team verzamelde monsters van de bron, die zich in een koel, subhumide klimaat bevindt maar water uitstoot op een temperatuur van 42 graden Celsius. Door de monsters te verhitten tot 80 graden Celsius, filterden zij gewone bacteriën en schimmels eruit, waardoor alleen de taaie, sporevormende thermofielen overbleven. Vanuit deze overlevers isoleerden zij twintig verschillende bacteriekolonies en screenen deze op hun vermogen om zetmeel af te breken. Acht hiervan vertoonden sterke activiteit, en vier specifieke stammen, genaamd WA7, WA10, WA11 en WA12, werden geselecteerd voor diepgaandere studie. Alle vier werden ze geïdentificeerd als behorend tot het genus Bacillus, een groep bacteriën die bekend staat om hun veerkracht en het vermogen om beschermende sporen te vormen.

Om de enzymen te produceren, kweekten de onderzoekers deze bacteriën met een methode die solid-state fermentatie wordt genoemd, wat inhoudt dat microben worden gekweekt op vast agrarisch afval in plaats van in een vloeistof. Ze testten drie verschillende materialen: tarwezemelen, rijstzemelen en bananenschillen. De resultaten toonden aan dat tarwezemelen de superieure keuze waren, aangezien deze de hoogste enzymproductie ondersteunden. Het team bepaalde dat de bacteriën het beste groeiden en de meeste enzymen produceerden wanneer ze op een temperatuur van 55 graden Celsius en een neutrale pH van 7 werden gehouden, en dat de optimale tijd voor het oogsten van het enzym na 72 uur groei was. Zodra de bacteriën hun werk hadden gedaan, extraheerden de onderzoekers het ruwe enzymmengsel en zuiverden dit met een proces dat het toevoegen van zout om de eiwitten te precipiteren en vervolgens het wassen om onzuiverheden te verwijderen. Deze zuiveringsstap verhoogde de concentratie van het actieve enzym, waardoor het effectiever werd.

De gezuiverde enzymen werden vervolgens onderworpen aan een reeks tests om hun capaciteiten te begrijpen. Analyse onthulde dat de enzymen ongeveer 50 kilodalton groot zijn, een maat voor moleculair gewicht, en dat ze zetmeel primair afbreken tot maltose, een type suiker. Bij het testen op hittebestendigheid bleken de enzymen opmerkelijk robuust. Ze bereikten hun piekprestaties bij temperaturen tussen de 65 en 70 graden Celsius, afhankelijk van de specifieke bacteriestam. Nog indrukwekkender was dat de enzymen, nadat ze een uur lang op temperaturen variërend van 40 tot 80 graden Celsius hadden gezeten, meer dan 76,8 procent van hun oorspronkelijke activiteit behielden. Ze vertoonden ook stabiliteit over een breed scala aan zuurgraadniveaus, waarbij ze goed functioneerden in condities van licht zuur tot licht alkalisch.

Misschien wel de meest praktische demonstratie van hun potentieel betrof rauw enset-zetmeel, een basisvoedselgewas in Ethiopië. De onderzoekers mengden de gezuiverde enzymen met rauw ensetpoeder en ontdekten dat de enzymen het zetmeel konden omzetten in fermenteerbare suikers met een efficiëntie van meer dan 70 procent voor alle vier de stammen, waarbij de beste presteerder bijna 91 procent bereikte. Dit suggereert dat deze enzymen kunnen worden gebruikt om rauw zetmeel direct te verwerken, een proces dat vaak moeilijk en energie-intensief is. De studie concludeert dat de Wanzaye Hot Spring een waardevolle, voorheen onderbenutte bron is van industrieel relevante bacteriën. Door goedkoop agrarisch afval zoals tarwezemelen te gebruiken om deze microben te kweken, hebben de onderzoekers een kosteneffectieve manier aangetoond om enzymen te produceren die de hoge temperaturen kunnen weerstaan die vereist zijn door de moderne zetmeelverwerkende industrieën, wat een duurzaam pad biedt voor de lokale en wereldwijde productie.