Tsellulaasid (EC 3.2.1.4) on gruppensüüme, mis katalüüsivadtselluloosihüdrolüüsi.
Peamised tsellulaaside produtseerijad looduses onmikroseened. Lisaks toodavad tsellulaase ka mõnedbakterid ja algloomad (ntEpidinium ecauda).Mikroobid toodavad tsellulaase, et lagundada tselluloosi neile omastatavateks suhkruteks, peamiseltglükoosiks. Kuna tselluloosi (mis tavaolekus vees ei lagune) hüdrolüüs looduses on võimalik ainult rea erineva toimemehhanismi ja substraadispetsiifikaga ensüümide koosmõjul, siis mõistetakse nimetuse "tsellulaas" all kogutsellulolüütilist süsteemi. Tsellulolüütiline süsteem hõlmab lisaks "tõelistele" tsellulaasidele kahemitsellulaase japektinaase, aga ka madalmolekulaarsetel substraatidel aktiivseid ensüüme (nt beetaglükosidaas). (See on tingitud asjaolust, et tselluloosi molekulid on tihedalt seotud hemitselluloosi ja ligniini molekulidega ja ensüümid-tsellulaasid ei pääseks ilma hemitsellulaasideta ja teiste abistavate molekulideta tselluloosi molekulide ligi.) Üks kõige enam uuritud tsellulaaside produtseerija on filamentne pehmemädanikseenTrichoderma reesei, kes tänu suurele tsellulaaside produktsioonile on peamine tsellulaaside tööstuslikul tootmisel kasutatav mikroorganism.[1]
Tsellulaasid kuuluvad glükosüülhüdrolaaside hulka ja katalüüsivad β-1,4-glükosiidse sideme hüdrolüüsi tselluloosiahelas. Tselluloosiahel lagundatakse hüdrolüüsi käigus lahustuvateks tsellooligosahhariidideks, peamiselt tsellobioosiks. (Tsellobioos on disahhariid ja koosneb kahest glükoosimolekulist, mis on ühenduses keemilise sidemega hapniku aatomi kaudu.)
Tsellulaasid liigitatakse kahe mehhanismi järgikonfiguratsiooni retentsiooniga võiinversiooniga töötavateks ensüümideks.Glükosiidse sideme hüdrolüüsi katalüüsivad kaks glükosüülhüdrolaaside aktiivtsentris paiknevataminohappe jääki, millest esimene käitub vastavalt retentsioonile kuihappekatalüsaator ja protoneerib ehk annab prootoni glükosiidselehapnikule, teine käitub aga kasnukleofiilina ja ründab C1 poolatsetaalsetsüsinikku või üldise aluskatalüsaatorina ja deprotoneerib nukleofiilsevee molekuli. Retentsiooni korral, kui nukleofiiliks on teine katalüütiliselt aktiivne aminohape, toimub glükosiidse sideme hüdrolüüs ensüüm-glükosüül-vaheühendi kaudu, mis teises etapis hüdrolüüsitakse vee molekuli poolt. Sel juhul säilitab C1 süsinikuga seotud β-OH rühm oma algse beetaasendi. Inversiooni puhul on nukleofiiliks vee molekul ja toimub sideme hüdrolüüs ühes etapis ja C1-süsinikuga seotud OH-rühm läheb beetaasendist alfaasendisse.[2]
Tsellulaasid liigitatakse sarnaselt teistepolümeerselsubstraadil töötavate ensüümidega neile iseloomuliku toimemehhanismi järgi peamiselt ekso- ja endoensüümideks:
Avastati algselt seoses kitiini lagundamisega, kuid hilisemal uurimisel selgus, et lagundavad ka tselluloosi. Need ensüümid teevad katkeid kristallilise tselluloosi ahelatesse oksüdatiivset mehhanismi kasutades ning vajavad divalentsete metalliioonide kui ka välise elektroni doonori osalust.[5]
Tsellulolüütilised ensüümid võivad olla komplekseerunud, moodustades multiensüümkompleksi – tsellulosoomi, või mittekomplekseerunud. Mittekomplekseerunud tsellulaasid vabastatakse mikroorganismide poolt iseseisvalt rakuvälisessekeskkonda, tsellulosoomid eksisteerivad aga vaidraku välispinnaga seotult.[9] Tsellulosoomid võivad sisaldada lisaks tsellulaasidele ka erinevaid hemitsellulaase. Erinevalt mittekomplekseerunud ensüümidest, mis on iseloomulikud mikroseentele jaaeroobsetele bakteritele, on tsellulosoomid omasedanaeroobsetele bakteritele (ntClostridium thermocellum).[10][11]
Mittekomplekseerunud tsellulaasid koosnevad valdavalt kahestdomeenist: suuremast katalüütilisest domeenist ja väiksemast tselluloosile seondumise domeenist. Katalüütilises domeenis paiknevas ensüümi aktiivtsentris toimub glükosiidse sideme hüdrolüüs. Tselluloosile seondumise domeeni peamine teadaolev ülesanne on ensüümi kinnitamine tselluloosi pinnale. Nimetatud kaks domeeni on omavahel ühendatud peptiidse linkeriga, mis on tugevalt 0-glükosüleeritud. Lisaks sellele, etlinker ühendab kahte domeeni omavahel, on näidatud ka linkeri seondumist tselluloosiga, mistõttu oletatakse, et linker võib osaleda otseselt ka tselluloosi lagundamise protsessis.[12]
Mikroobide toodetavad tsellulaasid leiavad laialdast rakendust tööstuses, peamiselt tselluloosi lagundamise eesmärgil. Tänu üleekspressioonile on märgatavalt suurendatud mikroorganismide poolset tsellulaaside tootlikkust, mistõttu on odavnenud ka tsellulaaside kasutamine. Järgnevalt on toodud peamised valdkonnad, kus tsellulaase kasutatakse.
Tsellulaasidega töötlemist kasutatakse paberitööstuses kombineerituna mehaanilise töötlusega. Viimasega võrreldes võimaldab biomehaaniline töötlus saada parema kvaliteediga paberit ning säästa energiat kuni 40%. Tselluloosi "peenestamine" tsellulaaside abil võimaldab saada peenekoelisemat ja elastsemat paberit ning tagab ka paberi parema võime pleegituda. Lisaks kasutatakse tsellulaase koos hemitsellulaasidega ka vanapaberi ümbertöötamisel trükivärvi eemaldamise etapis. Sel viisil trükivärvi eemaldamine võimaldab kemikaalidega töötlusega võrreldes nii vältida paberi kolletumist kui ka vähendada ka kemikaalide kasutamisega kaasnevaid keskkonnariske.[13]
Tsellulaase kasutataksetekstiili märgtöötlusel, eeskätt tselluloosi sisaldavate materjalide viimistlemisel. Tavapäraneteksade kivipesu hõlmab esmalttärklise katte eemaldamist amülaasidega töödeldes, misjärel kulutatakse riiet masinpesul koospimsskiviga. Traditsioonilisel viisil töötlemise käigus jäävad riide külge hõõrdumise käigus tekkinud väikesedkiud, mis muudavad riide pärast pesu topiliseks. Alternatiivina traditsioonilisele kivipesule kasutatakse aga tsellulaaside vahendatud "kivipesu", mis kahjustab teksariiet vähem. Tsellulaasid lagundavad puuvillase teksariide ja ka muu tselluloosi sisaldava tekstiili pinnakihilt riidekiu otsi, mistõttu värvaine eemaldub osaliselt. Tsellulaasidega töödeldud riie on pehmem, siledam, värv säilib kirkam ning tänu väiksemale energia- ja veekulule on töötlus ka keskkonnasõbralikum.[13]
Tsellulaaside üheks perspektiivsemaks kasutusvaldkonnaks tulevikus on nende rakendamine teise generatsioonibioetanooli tootmisel. See on ka hetkel enim uuritud tsellulaaside kasutusvaldkond.Teise generatsiooni bioetanooli tootmise toorainena kasutatakse peamiseltpõllumajanduse-,puidu- jametsatööstuse jääke. Tsellulaase koos hemitsellulaasidega on võimalik kasutada taimse biomassi suhkrustamise etapis happelise hüdrolüüsi alternatiivina. Erinevalt happelisest hüdrolüüsist kasutatakse ensümaatilise hüdrolüüsi korral "pehmemaid" reaktsioonitingimusi, mistõttu ei teki järgnevaid etappe pärssivaid kõrvalühendeid ning samuti on ensümaatiline hüdrolüüs võrreldes happehüdrolüüsiga kordades keskkonnasõbralikum. Biomassi efektiivsema hüdrolüüsi nimel toimub tänapäeval intensiivne tsellulaasisegude parendamine. Eesmärgiks on muuta teise generatsiooni bioetanoolfossiilsete mootorikütustega konkurentsivõimeliseks.[13]
Tsellulaase kasutatakse puu- ja juurviljamahlade, aga kaveini jaõlle tootmisel. Tsellulaaside kasutamisel koos hemitsellulaaside ja pektinaasidega on võimalik nii suurendada toorainest kättesaadava mahla kogust kui ka tõsta jookide kvaliteeti. Ensüümide kasutamine mahlatootmisel võimaldab parandada mahla värvi, aroomi, maitset ja läbipaistvust ning pikendab säilivust.Lisaks kasutatakse samade klasside ensüüme mis mahla tootmisel ka kõrge kvaliteedigaoliiviõli tootmisel. Tööstuslikult toodetud ensüümisegude kasutamine võimaldab suurendada oliividest saadava õli hulka ningantioksüdantide jaE-vitamiini sisaldust, lisaks parandada oliiviõli aroomi ja maitset ning pidurdadarääsumist. Tsellulaase kasutatakse ka toiduvärvide –karotenoidide – tootmisel. Karotenoidid on looduses laialt levinudvärvipigmendid, mis annavad taimedele punase, oranži ja kollase värvi. Tänu looduslikule päritolule, mittetoksilisusele, laialevärvispektrile ja nii vesi- kui ka rasvlahustuvatele pigmentidele on karotenoidid toiduainetööstuses hinnatud värvained. Tsellulaase ja pektinaase kasutatakse karotenoide sisaldavate viljade (näiteks apelsinikoor, bataat, porgand) rakukestade lagundamiseks, misjärel vabanevad karotenoidid neile omaselt kompleksis valkudega. Selline seotud kompleks kaitseb pigmente oksüdeerumast, mistõttu looduslik värv säilib paremini. Samuti ei sadestu mittevesilahustuvad pigmendid välja, kuna on vees lahustuvate valkudega kompleksis.[13]
Silo ja kuivsööda töötlemine tsellulaaside, hemitsellulaaside ja pektinaasidega suurendab loomasööda toiteväärtust ja seeditavust. Tsellulaasidega on võimalik lagundada söödas sisalduvaid mitteseeditavaid ühendeid lihtmaoga loomadele kergesti seeditavateks. Näiteks on näidatud, et söödas leidub loomadele mitteseeditavaid tärkliserikkad ühendeid, mis on toiduks jämesoole patogeenidele. Selliste ühendite lagundamine võimaldab ennetada jämesoole patogeenide kasvu ja nende põhjustatud seedetrakti haigusi, samuti suurendada loomasööda toiteväärtust.
Tsellulaaside, hemitsellulaase ja pektinaase kasutatakse põllumajanduses viljasaagi suurendamiseks. Mõnede mikroseente tsellulaasidel (beetaglükanaas) on omadus lagundadataimepatogeeniderakumembraane.
Tsellulaasidel on omadus parandadamulla kvaliteeti ja vähendada taimede sõltuvustmineraalväetistest.Eksogeense tselluloosi lisamine võib kiirendada mullas oleva tselluloosi lagunemist, seega võib eksogeensete tsellulooside kasutamine tõhustada põhu lagunemist ja suurendada sellega mulla viljakust.[13]
Tsellulaaside lisamisega pesupulbritele saab suurendada tselluloosikiude sisaldavate kangaste värvi erksust, kohevust ja mustuse eemaldumist. Pesupulbrile lisatuna seostuvadaluselised tsellulaasid selektiivselt tselluloosikiududega ning aitavad koostöös traditsiooniliste ensüümidega (proteaasid,lipaasid) tselluloosikiudude vahelt mustust eemaldada. Lisaks, lagundades tselluloosikiududest kulumise/kulutamise tagajärjel välja ulatuvaid tselluloosiahelaid, väheneb tsellulaaside toimel riide topilisus ja suureneb värvierksus.[13]