เอ็กโซเอนไซม์หรือเอนไซม์นอกเซลล์คือเอนไซม์ที่ถูกหลั่งออกมาจากเซลล์และทำหน้าที่อยู่นอกเซลล์นั้นเอ็กโซเอนไซม์ถูกผลิตขึ้นโดยทั้ง เซลล์ โปรคาริโอติกและยูคาริโอติกและได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นส่วนประกอบที่สำคัญของกระบวนการทางชีวภาพ หลายอย่าง โดยส่วนใหญ่ เอนไซม์เหล่านี้เกี่ยวข้องกับการย่อยสลายโมเลกุล ขนาดใหญ่ การย่อยสลายโมเลกุลขนาดใหญ่เหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการที่ส่วนประกอบของโมเลกุลเหล่านั้นจะสามารถผ่านเยื่อหุ้มเซลล์และเข้าไปในเซลล์ได้ สำหรับมนุษย์และสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนอื่นๆ กระบวนการนี้ได้รับการอธิบายได้ดีที่สุดโดยระบบย่อยอาหารซึ่งย่อยอาหาร แข็ง ^{[ 1 ]}ผ่านทางเอ็กโซเอนไซม์ โมเลกุลขนาดเล็กที่สร้างขึ้นจากกิจกรรมของเอ็กโซเอนไซม์จะเข้าสู่เซลล์และถูกนำไปใช้ในหน้าที่ต่างๆ ของเซลล์แบคทีเรียและเชื้อราก็ผลิตเอ็กโซเอนไซม์เพื่อย่อยสารอาหารในสภาพแวดล้อม ของพวกมัน เช่นกัน และสิ่งมีชีวิตเหล่านี้สามารถนำมาใช้ในการทดสอบ ในห้องปฏิบัติการ เพื่อระบุการมีอยู่และหน้าที่ของเอ็กโซเอนไซม์ดังกล่าวได้^{[ 2 ]} จุลินทรีย์ ก่อโรคบางชนิดยังใช้เอนไซม์ภายนอกเซลล์เป็นปัจจัยก่อโรคเพื่อช่วยในการแพร่กระจายของจุลินทรีย์ก่อโรค เหล่านี้ ^{[ 3 ]}นอกเหนือจากบทบาทสำคัญในระบบชีวภาพแล้วมนุษย์ยังใช้เอนไซม์ภายนอก เซลล์ของ จุลินทรีย์ ประเภทต่างๆ มาตั้งแต่ สมัยก่อนประวัติศาสตร์เพื่อวัตถุประสงค์ที่หลากหลาย เช่นการผลิตอาหารเชื้อเพลิงชีวภาพการผลิตสิ่งทอและในอุตสาหกรรมกระดาษ^{[ 4 ]} บทบาทสำคัญอีกประการหนึ่งที่เอนไซม์ภายนอกเซลล์ของจุลินทรีย์มีคือในระบบนิเวศตาม ธรรมชาติและการบำบัดทางชีวภาพของสิ่งแวดล้อมบนบกและในทะเล^{[ 5 ]}

มีข้อมูลจำกัดมากเกี่ยวกับการค้นพบเอนไซม์ภายนอกเซลล์ครั้งแรก ตาม พจนานุกรม Merriam-Websterคำว่า "exoenzyme" ได้รับการยอมรับในภาษาอังกฤษครั้งแรกในปี 1908 ^{[ 6 ]}หนังสือIntracellular Enzymes: A Course of Lectures Given in the Physiologicalโดย Horace Vernon เชื่อกันว่าเป็นสิ่งพิมพ์แรกที่ใช้คำนี้ในปีนั้น^{[ 7 ]}จากหนังสือเล่มนี้ สามารถสันนิษฐานได้ว่าเอนไซม์ภายนอกเซลล์ที่รู้จักเป็นครั้งแรกคือเปปซินและทริปซินเนื่องจาก Vernon กล่าวถึงว่าทั้งสองชนิดถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ Briike และ Kiihne ก่อนปี 1908 ^{[ 8 ]}

ในแบคทีเรียและเชื้อราเอ็กโซเอนไซม์มีบทบาทสำคัญในการช่วยให้สิ่งมีชีวิตเหล่านี้สามารถโต้ตอบกับสิ่งแวดล้อมได้อย่างมีประสิทธิภาพ แบคทีเรียหลายชนิดใช้เอนไซม์ย่อยอาหารเพื่อย่อยสลายสารอาหารในสภาพแวดล้อม เมื่อย่อยแล้ว สารอาหารเหล่านี้จะเข้าสู่แบคทีเรีย ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในการขับเคลื่อนวิถีทางของเซลล์โดยอาศัยเอนโดเอนไซม์^{[ 9 ]}

เอ็กโซเอนไซม์จำนวนมากยังถูกใช้เป็นปัจจัยก่อโรคด้วยเชื้อก่อ โรค ทั้งแบคทีเรียและเชื้อราสามารถใช้เอ็กโซเอนไซม์เป็นกลไกหลักในการทำให้เกิดโรคได้กิจกรรมทางเมตาบอลิซึมของเอ็กโซเอนไซม์ช่วยให้แบคทีเรียสามารถบุกรุก สิ่งมีชีวิต ที่เป็นโฮสต์ ได้ โดยการทำลายชั้นป้องกันภายนอกของเซลล์โฮสต์หรือโดยการ ทำให้ เนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่ตาย^{[ 3 ]}แบคทีเรียแกรมลบจำนวนมากมีอินเจกติโซมหรือ ส่วนยื่นคล้าย แฟลเจลลาเพื่อส่งเอ็กโซเอนไซม์ที่ก่อโรคเข้าไปในเซลล์โฮสต์โดยตรงโดยใช้ระบบการหลั่งแบบที่สาม^{[ 10 ]}ไม่ว่าจะด้วยกระบวนการใด เชื้อก่อโรคก็สามารถโจมตีโครงสร้างและหน้าที่ของเซลล์โฮสต์รวมถึงดีเอ็นเอในนิวเคลียสได้^{[ 11 ]}

ใน เซลล์ ยูคาริโอติก เอ็กโซเอนไซม์จะถูกผลิตขึ้นเช่นเดียวกับ เอนไซม์อื่นๆผ่านการสังเคราะห์โปรตีนและถูกขนส่งผ่านทางเส้นทางการหลั่งหลังจากเคลื่อนที่ผ่านร่างแหเอนโดพลาสมิกแบบหยาบแล้วพวกมันจะถูกประมวลผลผ่านทางเครื่องมือกอลจิซึ่งพวกมันจะถูกบรรจุในเวสิเคิลและปล่อยออกนอกเซลล์^{[ 12 ]}ในมนุษย์เอ็กโซเอนไซม์ส่วนใหญ่สามารถพบได้ในระบบย่อยอาหารและใช้สำหรับการย่อยสลายสารอาหารหลักผ่านกระบวนการไฮโดรไลซิส การ ย่อยสลายสารอาหารเหล่านี้ทำให้สามารถนำไปรวมเข้ากับ เส้นทางการเผาผลาญอื่นๆได้^{[ 13 ]}

แหล่งที่มา: ^{[ 3 ]}

โคอะกูเลส

โคอะกูเลสจะจับกับโปรทรอม บิน ช่วยให้เกิดการแข็งตัวของเลือดในเซลล์ โดยเปลี่ยนไฟบริโนเจนให้เป็นไฟบริน ในที่สุด แบคทีเรีย เช่นสแตฟิโลค็อกคัส ออเรียสใช้เอนไซม์นี้สร้างชั้นไฟบรินรอบเซลล์เพื่อป้องกันตัวเองจากกลไกการป้องกัน ของร่างกาย

ผลการทดสอบทางแบคทีเรีย ด้านซ้าย: การทดสอบเอนไซม์อะไมเลสในอาหารเลี้ยงเชื้อแป้ง A แสดงผลบวก D แสดงผลลบ ด้านขวา: การทดสอบเอนไซม์ไลเปสในอาหารเลี้ยงเชื้อน้ำมันมะกอก 1 แสดงผลบวก 3 แสดงผลลบ

การผลิตเอนไซม์ย่อยอาหารภายนอกเซลล์ชนิดใดชนิดหนึ่งโดยเซลล์แบคทีเรียสามารถประเมินได้โดยใช้การทดสอบ บนจานเพาะ เชื้อ นำแบคทีเรียมาขีดลงบนวุ้นและปล่อยให้บ่มการปล่อยเอนไซม์เข้าสู่บริเวณรอบเซลล์จะทำให้โมเลกุลขนาดใหญ่บนจานเพาะเชื้อแตกตัว หากไม่มีปฏิกิริยาเกิดขึ้น แสดงว่าแบคทีเรียไม่ได้สร้างเอนไซม์ภายนอกเซลล์ที่สามารถโต้ตอบกับสิ่งแวดล้อมได้ แต่หากมีปฏิกิริยาเกิดขึ้น แสดงว่าแบคทีเรียมีเอนไซม์ภายนอกเซลล์ และโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ถูกไฮโดรไลซ์จะเป็นตัวกำหนดเอกลักษณ์ของเอนไซม์นั้น^{[ 2 ]}

แหล่งเอนไซม์ภายนอกเซลล์จากจุลินทรีย์ ได้แก่ อะไมเลสโปรตีเอส เพคติเนส ไลเปสไซลาเนส และเซลลูเลส ถูกนำมาใช้ประโยชน์ในด้าน เทคโนโลยีชีวภาพและอุตสาหกรรมที่หลากหลายรวมถึง การผลิต เชื้อเพลิงชีวภาพการผลิตอาหาร การผลิตกระดาษ ผงซักฟอก และการผลิตสิ่งทอ^{[ 4 ]}การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพเป็นประเด็นสำคัญของนักวิจัยในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยมุ่งเน้นไปที่การใช้จุลินทรีย์ในการเปลี่ยนชีวมวลให้เป็น เอทาน อลเอนไซม์ที่น่าสนใจเป็นพิเศษในการผลิตเอทานอล ได้แก่ เซลโลไบโอไฮโดรเลส ซึ่งละลายเซลลูโลสผลึก และไซลาเนสซึ่งไฮโดรไลซ์ไซแลนให้เป็นไซโลส [ ^{29 ] รูป}แบบหนึ่งของการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพคือการใช้ประชากรแบคทีเรีย หลาย สายพันธุ์ ผสมกัน หรือกลุ่มแบคทีเรียที่ทำงานร่วมกันเพื่ออำนวยความสะดวกในการย่อยสลาย วัสดุ เซลลูโลสให้เป็นเอทานอลโดยการหลั่งเอนไซม์ภายนอกเซลล์ เช่น เซลลูเลสและแลคเคส^{[ 29 ]}นอกจากบทบาทสำคัญในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพแล้ว ไซลาเนสยังถูกนำไปใช้ในงานอุตสาหกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพอื่นๆ อีกมากมาย เนื่องจากความสามารถในการไฮโดรไลซ์เซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลสการใช้งานเหล่านี้รวมถึงการย่อยสลายของเสียทางการเกษตรและป่าไม้ การใช้เป็นสารเติมแต่งในอาหารสัตว์เพื่อช่วยให้ปศุสัตว์ดูดซึมสารอาหารได้มากขึ้น และเป็นส่วนผสมในการทำขนมปังเพื่อปรับปรุงการขึ้นฟูและเนื้อสัมผัสของขนมปัง^{[ 30 ]}

Lipases are one of the most used exoenzymes in biotechnology and industrial applications. Lipases make ideal enzymes for these applications because they are highly selective in their activity, they are readily produced and secreted by bacteria and fungi, their crystal structure is well characterized, they do not require cofactors for their enzymatic activity, and they do not catalyze side reactions.^[31] The range of uses of lipases encompasses production of biopolymers, generation of cosmetics, use as a herbicide, and as an effective solvent.^[31] However, perhaps the most well known use of lipases in this field is its use in the production of biodiesel fuel. In this role, lipases are used to convert vegetable oil to methyl- and other short-chain alcoholesters by a single transesterification reaction.^[32]

Cellulases, hemicellulases and pectinases are different exoenzymes that are involved in a wide variety of biotechnological and industrial applications. In the food industry these exoenzymes are used in the production of fruit juices, fruit nectars, and fruit purees, and in the extraction of olive oil, among many other uses.^[33] The role these enzymes play in these food applications is to partially breakdown the plant cell walls and pectin. In addition to the role they play in food production, cellulases are used in the textile industry to remove excess dye from denim, soften cotton fabrics, and restore the color brightness of cotton fabrics.^[33] Cellulases and hemicellulases (including xylanases) are also used in the paper and pulp industry to de-ink recycled fibers, modify coarse mechanical pulp, and for the partial or complete hydrolysis of pulp fibers.^[33] Cellulases and hemicellulases are used in these industrial applications due to their ability to hydrolyze the cellulose and hemicellulose components found in these materials.

การบำบัดทางชีวภาพเป็นกระบวนการที่ กำจัด สารมลพิษหรือสารปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมโดยใช้สิ่งมีชีวิตทางชีวภาพ หรือผลิตภัณฑ์ของสิ่งมีชีวิตเหล่านั้น การกำจัดสารมลพิษที่เป็นอันตรายเหล่านี้ส่วนใหญ่ดำเนินการโดยจุลินทรีย์ ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติหรือที่นำเข้ามาโดยเจตนา ซึ่งมีความสามารถในการย่อยสลายหรือดูดซับสารมลพิษที่ต้องการ ประเภทของสารมลพิษที่มักเป็นเป้าหมายของกลยุทธ์การบำบัดทางชีวภาพ ได้แก่ ผลิตภัณฑ์ ปิโตรเลียม (รวมถึงน้ำมันและตัวทำละลาย ) และยาฆ่าแมลง [ ^{34 ] นอกเหนือ}จากความสามารถของจุลินทรีย์ในการย่อยและดูดซับสารมลพิษแล้ว เอนไซม์ภายนอกที่หลั่งออกมายังมีบทบาทสำคัญในกลยุทธ์การบำบัดทางชีวภาพหลายอย่าง^{[ 35 ]}

เชื้อราได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีความสามารถในการทำการบำบัดทางชีวภาพ และถูกนำมาใช้เพื่อช่วยในการกำจัดสารมลพิษหลายชนิด รวมถึงสารไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก หลายวง (PAHs) สารกำจัดศัตรูพืช สี ย้อมสังเคราะห์คลอโรฟีนอลวัตถุระเบิด น้ำมันดิบ และอื่นๆ อีกมากมาย^{[ 36 ]}แม้ว่าเชื้อราจะสามารถย่อยสลายสารปนเปื้อนเหล่านี้ได้ภายในเซลล์ แต่ พวกมันยังหลั่ง เอนไซม์ออกซิเด ทีฟ ภายนอกเซลล์จำนวนมาก ที่ทำงานภายนอกเซลล์อีกด้วย แง่มุมที่สำคัญอย่างหนึ่งของเชื้อราในแง่ของการบำบัดทางชีวภาพคือพวกมันหลั่งเอนไซม์ออกซิเดทีฟภายนอกเซลล์เหล่านี้จากปลายเส้นใย ที่ยืดออกเรื่อยๆ ^{[ 36 ]}แลคเคสเป็นเอนไซม์ออกซิเดทีฟที่สำคัญที่เชื้อราหลั่งออกมาและใช้ออกซิเจนในการออกซิไดซ์สารมลพิษหลายชนิด สารมลพิษบางชนิดที่ใช้แลคเคสในการบำบัด ได้แก่น้ำเสีย ที่มีสีย้อม จากอุตสาหกรรมสิ่งทอ สารมลพิษในน้ำเสีย (คลอโรฟีนอล, PAH เป็นต้น) และ สารประกอบที่มี กำมะถันจากกระบวนการแปรรูปถ่านหิน^{[ 36 ]}

แบคทีเรียยังเป็นแหล่งที่มีศักยภาพของเอนไซม์ภายนอกเซลล์ที่สามารถช่วยในการบำบัดทางชีวภาพของสิ่งแวดล้อมได้ มีตัวอย่างมากมายของการใช้แบคทีเรียเพื่อจุดประสงค์นี้ และเอนไซม์ภายนอกเซลล์ของแบคทีเรียครอบคลุมเอนไซม์แบคทีเรียหลายประเภท ที่น่าสนใจเป็นพิเศษในด้านนี้คือไฮโดรเลส ของแบคทีเรีย เนื่องจากมี ความเฉพาะเจาะจง ของสารตั้งต้นต่ำโดยธรรมชาติและสามารถใช้กับมลพิษหลายชนิดรวมถึงของเสียที่เป็นของแข็งได้^{[ 37 ]}ของเสียพลาสติก รวมถึง โพลียู รีเทน นั้นย่อยสลายได้ยากเป็นพิเศษ แต่มีการระบุเอนไซม์ภายนอกเซลล์ในแบคทีเรียแกรมลบComamonas acidovoransที่สามารถย่อยสลายของเสียโพลียูรีเทนในสิ่งแวดล้อมได้^{[ 37 ]}การใช้เอนไซม์ภายนอกเซลล์ของจุลินทรีย์โดยปราศจากเซลล์ในฐานะตัวแทนของการบำบัดทางชีวภาพก็เป็นไปได้เช่นกัน แม้ว่ากิจกรรมของเอนไซม์มักจะไม่แข็งแกร่งนัก และการนำเอนไซม์เข้าสู่สภาพแวดล้อมบางอย่าง เช่น ดิน เป็นเรื่องที่ท้าทาย^{[ 37 ]}นอกจากจุลินทรีย์บนบกแล้ว แบคทีเรียในทะเลและเอนไซม์ภายนอกของพวกมันยังแสดงศักยภาพในการเป็นตัวเลือกในด้านการบำบัดทางชีวภาพ แบคทีเรียในทะเลถูกนำมาใช้ในการกำจัดโลหะหนัก การย่อยสลาย ปิโตรเลียม/ ดีเซลและการกำจัดไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกหลายวง เป็นต้น^{[ 38 ]}