Egzopolisacharydy – pozakomórkowe polimery węglowodanowe o bardzo zróżnicowanym składzie oraz właściwościach fizycznych, syntetyzowane przez mikroorganizmy i wydzielane na zewnątrz ściany komórkowej lub do środowiska pozakomórkowego.
Podział egzopolisacharydów Główny podział egzopolisacharydów uwzględnia strukturę powtarzającego się monomeru w polimerze. Z tego względu są one dzielone na 2 grupy: hetero- i homopolisacharydyMahapatra S., Banerjee D., 2013. Fungal Exopolysaccharide: Production, Composition and Applications. Microbiology Insights, 6, s. 1–16..
Homopolisacharydy składają się z jednego rodzaju monosacharydu. Ze względu na typ struktury wyróżnia się wśród nich trzy grupy. Pierwsza grupa ma budowę liniową składającą się z takich samych jednostek. Drugą grupę stanowią liniowe polisacharydy, w których budowie można wyróżnić krótkie, boczne łańcuchy obecne na jednej lub dwóch resztach tego samego monosacharydu łańcucha głównego. Przedstawicielem tej grupy jest np. skleroglukan produkowany przez kilka rodzajów grzybów. Ostatnią grupę stanowią rozgałęzione polisacharydy, do których należy chociażby dekstran produkowany głównie przez bakterie Leuconostoc mesenteroidesSutherland I.W. 2001. Polysaccharides: Bacterial and Fungal. Encyclopedia of Life Science, s. 1–8..
Ze względu na wiązania i charakter jednostek monomerycznych, homopolisacharydy można sklasyfikować jako α-D-glukany, β-D-glukany, fruktany i homopolisacharydy o innej budowie, jak np. poligalaktanyAtes O. 2015. Systems Biology of Microbial Exopolysaccharides Production. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 3, s. 1–16..
Heteropolisacharydy są to polisacharydy, w których skład wchodzi więcej niż jeden rodzaj reszty cukrowej i do tej grupy należą np. alginiany.
Egzopolisacharydy zostały również sklasyfikowane przez Flemminga i Wingendera w siedmiu kategoriach na podstawie ich funkcjonalności jako: konstruktywne lub strukturalne (wspomagające zatrzymywanie wody i ochronę komórek), sorpcyjne (złożone z naładowanych polimerów), powierzchniowo czynne (w tym molekuły o charakterze amfifilowym), aktywne, informacyjne, redoks-aktywne i odżywcze.
Przykłady egzopolisacharydów i ich podział ze względu na budowę HomopolisacharydyHeteropolisacharydy Glukany alginian gellan kwas hialuronowy heparyna sukcinoglikan ksantan welan ramzanβ-D-glukanyα-D-glukany celuloza kurdlan skleroglukan dekstran elsinan pullulan mutan Fruktany lewan fruktan typu inuliny Inne poligalaktany
Budowa egozpolisacharydów Egzopolisacharydy posiadają szkielety węglowe o dużej masie cząsteczkowej (do 300 kDa)Deming J.W., Young, J.N., 2017. The Role of Exopolysaccharides in Microbial Adaptation to Cold Habitats. Psychrophiles: From Biodiversity to Biotechnology, s. 259–284.. Składają się z monocukrów, takich jak D-glukoza, D-galaktoza i D-mannoza (heksozy). Ponadto, występują cukry, takie jak ryboza, arabinoza i ksyloza (pentozy), choć rzadko. Poza tym obecne są aminocukry: D-glukozamina, D-galaktozamina lub D-mannozamina oraz kwasy cukrowe, kwas glukuronowy, galakturonowy i mannuronowy. W bakteryjnych egzopolisacharydach zidentyfikowano także organiczne składniki niecukrowe, takie jak: octany, estry, pirogroniany, ketale, bursztyniany oraz składniki nieorganiczne – fosforan i siarczanShukla, A. i in. 2019. Depicting the Exemplary Knowledge of Microbial Exopolysaccharides in a Nutshell. European Polymer Journal, 119, s. 298–310.. Najczęstsze wiązania glikozydowe sekwencji monosacharydów mają postać β-1,4 lub β-1,3. Wykazują one charakterystyczną sztywność konstrukcyjną, podczas gdy inne połączenia, takie jak wiązania α-1,2 lub α-1,6 maja strukturę elastyczną. Polisacharydy pozakomórkowe są często związane i mogą również wchodzić w interakcje z innymi elementami składowymi komórki: białkami, lipidami, jonami nieorganicznymi i innymi makromolekułamiMishra A., Jha B. (2013). Microbial Exopolysaccharides. The Prokaryotes, s. 179–192..
Większość homopolisacharydów składa się z cukrów obojętnych jednakże istnieje kilka wyjątków, takich jak alginat, w którego skład wchodzi kwas polianionowy. Polimery, które należą do grupy homopolisacharydów obejmują celulozę, kurdlan, dekstran, pullulan i skleroglukan. Kurdlan i celuloza są liniowymi homopolisacharydami z β-1, 3 i β-1,4 wiązaniem glikozydowym, ale kilka innych to rozgałęzione homopolisacharydy, w tym skleroglukan zawierający wiązania β-1,3 oraz wiązania rozgałęziające β-1,6 oraz pullulan z wiązaniami α-1,3 w łańcuchu podstawowym i wiązaniami α-1, 6 tworzącymi rozgałęzieniaAndhare P., Chauhan K., 2014. Microbial Exopolysaccharides: Advances in Applications and Future Prospects. Biotechnology 3: Microbial biotechnology.. Mutan to rozgałęziony homopolisacharyd glukozy z wiązaniami α-1,3 połączonych z łańcuchami bocznymi wiązaniem α -1,6. Dekstran jest także rozgałęzionym homopolimerem, w którym monomery glukozy są połączone ze sobą poprzez wiązanie α-1,4. Wiązania łańcucha głównego z łańcuchami bocznymi maja postać α-1,6 lub α-1,3, rzadko α-1,2 . Do tej grupy zaliczany jest także lewan, również o budowie rozgałęzionej składający się z reszt D-fruktofuranozylowych połączonych wiązaniem β-2,6, a w miejscu rozgałęzienia wiązaniem β-2,1Donot F. i in., 2012. Microbial exopolysaccharides: Main examples of synthesis, excretion, genetics and extraction. Carbohydrate Polymers, 87, s. 951–962.. Elsinan to również homopolisacharyd złożony z głównie jednostek maltotriozy połączonych ze sobą wiązaniem α-1,3, ale zawierający również niewielką liczbę podobnie powiązanych jednostek maltotetrazy.
Budowa heteropolisacharydów jest bardziej złożona. W ich strukturze występują powtarzające się jednostki D-glukozy, D-galaktozy, L-ramnozy, N-acetyloglukozaminy (GlcNAc), N-acetylogalaktozaminy (GalNAc) lub kwasu glukuronowego (GlcA) oraz niekiedy podstawniki niewęglowodanowe: fosforan, acetyl i gliceryna. Przedstawicielem tej grupy jest szeroko rozpowszechniony gellan, który jest liniowym, anionowym heteropolisacharydem o prostym łańcuchu składającym się z monomerów D-glukozy, L-ramnozy i kwasu D-glukuronowego. Łańcuch jest zbudowany z powtarzającej się jednostki tetrasacharydowej o budowie: D-glukoza (β-1,4), kwas D-glukoronowy (β-1,4), D-glukoza (β-1,4) i L-ramnoza (α-1,3)Jindal N., Singh Khattar J., 2018. Microbial Polysaccharides in Food Industry. Biopolimers for Food Design, s. 95–123.. Kolejnym przykładem z tej grupy jest ksantan, w którym łańcuch główny składa się z jednostek D-glukozy połączonych wiązaniem β -1,4 z łańcuchem bocznym w pozycji C3 każdej reszty glukozy. Łańcuchy boczne składają się głównie z dwóch jednostek mannozowych z pozostałością kwasu glukuronowegoMollakhalili Meybodi N., Mohammadifar M.A., 2015. Microbial Exopolysaccharides: A Review of Their Function and Application in Food Sciences. Journal of Food Quality and Hazards Control, 2, s. 112–117.. Kwas hialuronowy składa się z powtarzających się jednostek disacharydów D-glukuronozylo-1,3-β-N-acetylo-D-glukozaminy powiązanych wiązaniem β-1,4. Kolejnym heteropolisacharydem jest kefiran zbudowany z podjednostek glukozy i galaktozy, w którym występują różnego rodzaju wiązania β- (1,6; 1,4; 1,2; 1,3). W porównaniu do wymienionych powyżej rozgałęzionych heteropolisacharydów, sukcinoglikan ma budowę liniową i zbudowany z jednostek glukozy oraz galaktozy połączonych na przemian wiązaniami β-1,4 i β-1,3.
Funkcje egzopolisacharydów Pozakomórkowe polisacharydy pełnią kluczową rolę w adaptacji mikroorganizmów do zmieniającego się otoczenia, zapewniając różnorodne korzyści, w tym między innymi: ochronę przed wysychaniem, głodem, fagocytozą, promieniowaniem UVSutherland I.W., 1990. Introduction and definition. Biotechnology of Microbial Exopolysaccharides, s. 1–11.. Matryca egzopolisacharydowa otaczająca komórki zapewnia również skuteczną barierę przeciwko reaktywnym biocydomRana S., Sheo L., Upadhyay L.S.B., 2020. Microbial exopolysaccharides: Synthesis pathways, types and their commercial applications. International Journal of Biological Macromolecules, 157, s. 577–583.. Ponad to egzopolisacharydy chronią komórkę przed inwazyjnymi drapieżnikami, a także sprzyjają pobieraniu składników odżywczychAndrew M., Jayaraman G., 2019. Structural features of microbial exopolysaccharides in relation to their antioxidant activity. Carbohydrate Research, 487: 107881..
Charakterystyczną rolą fizjologiczną egzopolisacharydów jest udział w tworzeniu na stałym podłożu biofilmu, ponieważ wykazują działanie podobne do kleju, scalając ze sobą komórki. Zostało dobrze udokumentowane, że mikroorganizmy tworzące biofilm są 1000 razy bardziej odporne na związki antybakteryjne, takie jak antybiotyki i środki powierzchniowo czynne, niż komórki planktoniczne. Ponad to oprócz funkcji scalających, polimery te umożliwiają kojarzenie różnych gatunków mikroorganizmów przez zatrzymywanie produktów przemiany materii jednego gatunku, które mogą stanowić substrat dla procesów metabolicznych innego gatunku. Szczególne właściwości posiadają egzopolisacharydy cyjanobakterii, które wydzielane do środowiska pomagają zasiedlać różnorodne podłoża, takie jak gleby pustynne, pomniki skalne i tworzyć środowisko życia dla innych mikroorganizmówRossi F. i De Philippis, R. (2015). Role of Cyanobacterial Exopolysaccharides in Phototrophic Biofilms and in Complex Microbial Mats. Life, 5(2), s. 1218–1238..
W niekorzystnych warunkach wywołanymi zmianami w środowisku jonowym, osmotycznym, pH lub w warunkach toksyczno-metalicznych, egzopolisacharydy mogą tworzyć ochronną strefę buforową wokół komórki chroniąc ją przed niekorzystnymi zmianami w jej strukturze. Taka warstwa ochronna jest szczególnie ważna m.in. dla ekstremofilów, które są w stanie przetrwać w skrajnych warunkach np. wysokiej i niskiej temperatury, wysokiego zasolenia, promieniowania, wysokiego i niskiego pH.
Zmieniające się stężenia egozpolisacharydów zapewniają różne formy ochrony od krioprotekcji i osmoprotekcji do możliwej obrony przed atakiem wirusów. W przypadku mikroorganizmów żyjących w środowisku wodnym obejmującym obszary, gdzie temperatura utrzymuje się poniżej 0 °C, podczas wzrostu lodu, egzopolisacharydy gromadzą się na granicy fazowej między lodem a solanką, zakłócają dyfuzję solanki, a tym samym zmniejszają strumień soli z napierającej powierzchni lodu. Modyfikują one również kształt i sposób rozmieszczenia komórek elementarnych lodu, poprawiając interakcje powierzchniowe i przepływ płynów. Ograniczają przy tym powstawanie kryształów lodu wewnątrz komórki oraz hamują penetrację lodu przez membrany, umożliwiając pełną aktywność metaboliczną.
Egzopolisacharydy pomagają także w zwiększeniu zdolności drobnoustrojów do kolonizacji w tkankach gospodarza, poprzez unikanie lub opóźnianie odpowiedzi obronnej ze strony układu immunologicznego. Badania nad patogenami potwierdziły, że produkcja egzopolisacharydów ułatwia zakotwiczenie mikroorganizmów do powierzchni komórek gospodarza i tworzenie rusztowań o strukturze biofilmu oraz chroni je przed antybiotykami. Ponad to egzopolisacharydy bogate w N-acetyloheksozaminy są również odpowiedzialne za właściwości patogenne mikroorganizmów.
Biosynteza egzopolisacharydów