Fytaasi

Fytaasi on entsyymi, joka katalysoi orgaanisten molekyylien sisältämien fosforihappoesteriryhmien hydrolyysiä. Alun perin fytaasilla tarkoitettiin vain entsyymiä, joka hajottaa fytiinihapon fosfaatti-ioniksi ja inositolin pentafosfaattijohdannaiseksi, mutta sittemmin fytaaseiksi on alettu kutsua entsyymejä, jotka hydrolysoivat myös muita yhdisteitä.

Historia

Ensimmäinen fytaasi löytyi 1907 kasvista (riisin leseistä) ja 1908 eläimestä (vasikan verestä ja maksasta). 1962 alkoi ensimmäinen fytaasien kaupallistamiseen tähtäävä projekti. Yhdysvaltalainen International Minerals & Chemicals (IMC) yritys tutki tässä projektissa yli 2000 erilaista mikrobia ja pyrki löytämään niistä eläinten rehukäyttöön sopivimman fytaasien tuottajan. IMC myi tuolloin kaivoksista louhittua epäorgaanista fosforia rehuteollisuudelle, mutta osasyynä sille miksi IMC aloitti kyseisen projektin, oli huoli näistä uusiutumattomista lähteistä louhitun fosforin loppumisesta joskus tulevaisuudessa. Aspergillus (ficuum) niger NRRL 3135 homekanta (ATCC koodi 66876) tunnistettiin lupaavaksi tuottajaksi, sillä se pystyi valmistamaan suuria määriä solunulkoisia fytaaseita. Eliö ei kuitenkaan sopinut kaupalliseen käyttöön ja projekti päättyi 1968 epäonnistumiseen.
A. niger homeen lupaavien ominaisuuksien tunnistus kuitenkin johti 1984 uuteen yritykseen A. niger mutanteilla, jotka oli tuotettu tuolloin hiljaittain kehitettyä yhdistelmä-DNA-tekniikkaa käyttäen. Tämän Yhdysvaltain maatalousministeriön rahoittaman projektin aloitti tohtori Rudy Wodzinski, joka oli aiemmin toiminut IMC:n projektissa. 1984 aloitetun projektin seurauksena onnistuttiin 1991 kloonaamaan osittain ensimmäinen fytaasin geenin phyA sekvenssi, joka oli lähtöisin kannasta A. niger NRRL 31235. 1993 kloonattiin koko sekvenssi ja sitä yliekspressoitiin A. niger homeessa fytaasien ylituottamiseksi.
1991 BASF yritys alkoi myymään ensimmäistä kaupallista A. niger homeessa tuotettua fytaasia kauppanimellä Natuphos, jota käytettiin eläinrehun ravintoarvojen parantamiseen.
1999 kolibakteerin fytaasien havaittiin olevan ominaisuuksiltaan parempia kuin A. niger homefytaasit. Löydön seurauksena alettiin kehittämään uudenlaisia bakteerifytaaseita, jotka olivat monilta ominaisuuksiltaan homefytaaseita ylivoimaisempia.

Toimintamekanismi ja rakenne

Fytaasientsyymit voidaan jakaa toimintamekanisminsa mukaan kahteen ryhmään, 3-fytaaseiksi (myo-inositoliheksakisfosfaatti-3-fosfohydrolaasit) ja 6-fytaaseiksi (myo-inositoliheksakisfosfaatti-6-fosfohydrolaasit) eli 4-fytaaseiksi. 3-Fytaasit hydrolysoivat ensiksi fosfaattiryhmän, joka on liittynyt yhdisteen hiiliketjun kolmosasemaan, kun 6-fytaasit hajottavat ensimmäiseksi esteriryhmän, joka on kuutosasemassa.
Fytaasientsyymit voidaan jakaa rakenteeltaan neljään ryhmään, jotka eroavat toisistaan aktiiviselta kohdaltaan. Suurin ryhmä on niin kutsutut histidiinihappofosfataasit.

Sienet ja homeet

Sienien ja homeiden fytaasientsyymit luokitellaan 3-fytaaseiksi. Niille on tyypillistä useat eri substraatit. Fytaaseja on tyypillisesti Aspergillus-suvun lajeissa esimerkiksi Aspergillus niger- ja Aspergillus fumigatus -homeissa. Lisäksi entsyymin on todettu olevan aktiivinen myös muun muassa leivinhiivassa ja Penicillium-suvun lajeissa.
Sienien ja homeiden fytaasientsyymeille sopiva pH on useimmiten hapan tai hivenen emäksinen ja optimaalisin lämpötila 50–75 °C.

Bakteerit

Bakteerien fytaasientsyymien toimintaa on tutkittu erityisesti kolibakteerilla ja entsyymejä on eristetty myös muun muassa Bacillus- ja Pseudomonas-suvun lajeista. Bakteerien fytaaseille on tyypillistä, että ne hajottavat erityisesti fytiinihappoa ja sen suoloja fytaatteja. Nämä entsyymit toimivat parhaiten happamissa olosuhteissa ja lämpötilan ollessa 40–70 °C. Erityisesti kolibakteerin fytaasientsyymi on osoittautunut käyttökelpoiseksi lisäksi sikojen ja siipikarjan ruokinnassa.

Muut mikro-organismit

Bakteerien ja sienien lisäksi fytaaseja esiintyy myös alkueläimissä. Tällaisia ovat muun muassa Paramecium tetraurelia ja Shewanella oneidensis, jonka entsyymi on aktiivinen kylmemmässä kuin monien muiden lajien entsyymit

Kasvit

Suurin osa kasvien fytaaseista on 6-fytaaseja. 3-fytaaseja esiintyy muun muassa lupiineissa. Entsyymiä on tavattu liljojen siitepölyssä, maississa, avokadossa, vehnän, rukiin ja speltin jyvissä, pavuissa ja öljykasveissa.

Eläimet

Selkärankaisten verestä fytaaseja on löydetty kaloilta, matelijoilta ja linnuilta. Nisäkkäistä märehtijöiden suolistossa on fytaasia, joka on suoliston mikrobien tuottamaa. Muut nisäkkäät saavat fytaasia pääasiassa ravintonsa mukana.

Aktivaattorit ja inhibiittorit

Monet metalli-ionit toimivat pieninä annoksina fytaasien aktivaattoreina. Tällaisia ovat muun muassa kalsium, magnesium, mangaani ja rauta. Suurina pitoisuuksina ne voivat kuitenkin myös haitata entsyymin toimintaa. Metalli-ionien vaikutus fytaasientsyymiin riippuu suuresti entsyymin tyypistä. Fytaasin inhibiittoreita ovat raskasmetallit, kuten elohopea, kadmium, nikkeli ja koboltti. Lisäksi entsyymin toimintaa heikentää muun muassa EDTA.

Käyttö

Eläinten ruokinnassa käytettävissä viljoissa fosforista 60–80 % on fytiinihappona, jota eläimet kuten siat eivät pysty normaalisti hyödyntämään. Tämän vuoksi eläinten rehuun voidaan lisätä fytaasia, joka parantaa fosforin hyödyntämistä. Fosforin parempi hyödyntäminen vähentää myös fosfaatin määrää eläinten lannassa ja sitä kautta myös maatalouden aiheuttamaa ympäristön fosfaattikuormitusta.
Teollisuudessa fytaasia on kokeiltu hyödyntää muun muassa alkoholijuomien valmistuksessa. Eräillä inositolin fosfaattijohdannaisilla voi olla myös terveyttä edistäviä vaikutuksia ja fytaaseja käyttämällä voidaan saada aikaiseksi edullinen menetelmä tuottaa näitä yhdisteitä. Laajempaa teollista käyttöä varten fytaasientsyymeistä pyritään kehittämään korkeampia lämpötiloja sietäviä ja niiden pH-profiilia pyritään parantamaan.