ABTS
17.4 Fenoly
Oxidace klasického Lac substrátu ABTS lakázou Tetracystis aeria je u chlorofytních řas velmi rozšířená. Například druhy rodu Moewusinia, včetně Chlamydomonas moewusii a T. aeria, vylučují domnělé „pravé“ laky. Fenolické substráty jsou těmito enzymy oxidovány optimálně při neutrálním až alkalickém pH. Lakázy Tetracystis účinně transformují další sloučeniny, jako je bisfenol A, 17α-ethinylestradiol, nonylfenol a triclosan v přítomnosti ABTS jako redoxního mediátoru, zatímco anthracen, veratrylalkohol a adlerol zůstávají nezměněny. Možné přirozené funkce enzymů, jako je syntéza komplexních polymerů nebo detoxikační procesy, mohou napomáhat přežití řas v nepříznivém prostředí. V kontaminovaných povrchových vodách by zelené řasy produkující Lac mohly přispívat k odbourávání fenolických polutantů v prostředí .
Putativní Lac (CotA) z Bacillus pumilus MK001 klonovaný a exprimovaný v E. coli bylo zjištěno, že je termostabilní a vykazuje poločas rozpadu 60 minut při 80 °C a vykazuje potenciální vazebnou afinitu ke kyselině ferulové, kávové a vanilinové .
Fenoly jsou známými inhibitory celulázy a fermentačních mikroorganismů v procesech biorafinace. Přídavek Laku odstraňuje fenolické sloučeniny a následně zkracuje lag fázi fermentačního mikroorganismu. Aplikace Lac však snižuje uvolňování glukózy během enzymatické hydrolýzy. Podíl ligninu a složení fenolů jsou klíčovými hráči v inhibici celulázy při kombinaci enzymatické hydrolýzy s detoxikací Lac .
Jednou ze zajímavých aplikací v environmentálních biotechnologiích je imobilizace Lac za účelem odstranění fenolických kontaminantů oxidací. Nanočástice kouřového oxidu křemičitého mají zajímavý potenciál jako nosný materiál pro imobilizaci Lac prostřednictvím sorpčně asistované imobilizace z hlediska aplikací, jako je eliminace mikropolutantů ve vodných fázích. Imobilizace Lac z rodu Leviathan, Coriolopsis polygonal, Cerrena unicolor, P. ostreatus a T. versicolor na nanočástice fumigovaného oxidu křemičitého, samostatně nebo v kombinaci, vede ke zvýšené aktivitě v rozmezí pH mezi 3 a 7. Jednotlivé Lac se liší svým pH optimem a afinitou k substrátu. Využití jejich rozdílů umožnilo formulovat nanobiokatalyzátor na míru, který je schopen oxidovat širší spektrum substrátů než rozpuštěné nebo samostatně imobilizované enzymy. Nanobio katalyzátor má potenciál pro biochemickou oxidaci při eliminaci více cílových znečišťujících látek . Bylo potvrzeno, že nevokační nanobio katalyzátory získané imobilizací Lac na nanočástice oxidu křemičitého mají široké substrátové spektrum, pokud jde o degradaci rekalcitrantních polutantů, jako jsou fenolické EDC (bisfenol A) .To podtrhuje potenciál kompozitů nanočástic kouřového oxidu křemičitého a Lac pro pokročilé biologické čištění odpadních vod.
Lac jsou schopny katalyzovat jednoelektronovou oxidaci fenolických sloučenin na radikálové meziprodukty, které se následně mohou vzájemně spojovat pomocí kovalentních vazeb. Předpokládá se, že tyto reakce hrají důležitou roli v procesu humifikace a přeměny kontaminantů obsahujících fenolické funkční látky v životním prostředí. Integrací vazebných rovnováh mezi kovy a HA a kinetických rovnic byl vyvinut reakční model, který předpovídá rychlost transformace triklosanu v přítomnosti HA a dvojmocných iontů kovů včetně Ca2+, Mg2+, Cd2+, Co2+, Mn2+, Ba2+ a Zn2+ .
Hydroxylované polybromované difenylethery (OH-PBDE) byly často nalezeny v mořské biosféře jako nové organické kontaminanty. Produkce OH-PBDE je pravděpodobně výsledkem spojení bromfenoxy radikálů, které vznikají Lac-katalyzovanou oxidací 2,4-DBP nebo 2,4,6-TBP. Přeměna bromfenolů pomocí Lac je závislá na pH a je také ovlivněna enzymovou aktivitou. Vzhledem k hojnosti 2,4-DBP a 2,4,6-TBP a fylogenetickému rozšíření Lac v životním prostředí může být Lac-katalyzovaná přeměna bromfenolů potenciálně důležitou cestou pro přírodní biosyntézu OH-PBDE .
Phanerochaete chrysosporium patří do skupiny lignin-degradujících hub, které vylučují různé oxidoredukční enzymy, včetně ligninperoxidázy (LiP) a manganperoxidázy (MnP). Produkce Lacs u této houby však nebyla zcela prokázána a zůstává sporná. Koexprese genu LacIIIb z T. versicolor a genu vpl2 z Pleurotus eryngii a také endogenních genů mnp1 a lipH8 zlepšila kooverexpresi peroxidáz a lakas až pětinásobně ve srovnání s divokými druhy. Transformované kmeny mají široké spektrum v biotransformaci fenolických/nefenolických látek a vysoké procento v dekolorizaci syntetických barviv ve srovnání s rodičovským kmenem a představují snadnou a účinnou koexpresi lakas a peroxidáz u vhodných druhů basidiomycet .
V poslední době se Lac uplatňuje v nanobiotechnologiích, které jsou stále častější oblastí výzkumu, a katalyzuje reakce přenosu elektronů bez dalších kofaktorů .
Uhlíkové nanočástice jsou slibnými kandidáty pro imobilizaci enzymů. Ve srovnání s volným Lacem mají imobilizované enzymy výrazně sníženou reakční rychlost. Difuzní omezení vyvolané agregací uhlíkových nanočástic nelze ignorovat, protože může vést k prodloužení reakční doby, nízké účinnosti a vysokým ekonomickým nákladům. Tento problém se navíc zhoršuje, pokud jsou přítomny nízké koncentrace kontaminantů v životním prostředí .
Bisfenol A (BPA) je chemická látka narušující endokrinní systém, která je v životním prostředí všudypřítomná kvůli svému širokému průmyslovému využití. Extracelulární lak nejrozšířenější houby na světě (tj. houby bílé hniloby, P. ostreatus) účinně rozkládá BPA. Působení BPA nemá na tuto jedlou houbu žádné škodlivé účinky .
Odstranění BPA pomocí Lac v kontinuálním enzymatickém membránovém reaktoru hodnoceném v syntetických a skutečných biologicky upravených odpadních vodách v konfiguraci reaktoru založené na míchaném tankovém reaktoru spojeném s keramickou membránou ukázalo téměř úplné odstranění BPA. Polymerizace a degradace jsou pravděpodobné mechanismy transformace BPA pomocí Lac .
Organismy z fylu Basidiomycota mají obrovský bioremediační potenciál díky svým fenoloxidasám při degradaci fenolických látek. Lac a tyrosináza jsou především u T. versicolor a Agaricus bisporus. Objevili se noví slibní producenti enzymů divokého typu a byla také zkonstruována řada rekombinantních kmenů, jejichž základem jsou především kvasinky nebo kmeny Aspergillus jako hostitelé. Tyto konstrukty umožňují použití pro rozklad fenolů, polyfenolů, krezolů, alkylfenolů, naftolů, bisfenolů a halogenovaných (bis)fenolů. Biologické a fyzikálně-chemické metody by mohly být kombinovány, aby byly procesy vhodné pro průmyslové využití .
Rostlinné peroxidázy mají silný potenciál využití pro dekontaminaci odpadních vod znečištěných fenoly. Rozsáhlé použití těchto enzymů pro odstraňování fenolu vyžaduje levný, hojný a snadno dostupný materiál obsahující peroxidázy. Bramborová vláknina, odpadní produkt škrobárenského průmyslu, obsahuje velké množství aktivních peroxidáz a enzymy bramborové vlákniny si zachovávají svou aktivitu při pH 4-8 a jsou stabilní v širokém rozsahu teplot. Účinnost odstranění fenolu z bramborové vlákniny je více než 95 % .
Imobilizovaný Lac na nanoporézních kuličkách oxidu křemičitého rozloží v krátké době (12 hodin) více než 90 % 2,4-dinitrofenolu. Proces imobilizace zlepšuje aktivitu a udržitelnost Lac při rozkladu polutantu. Teploty nad 50 °C snižují aktivitu enzymu přibližně na 60 %. Avšak pH a koncentrace mediátoru nemohly aktivitu enzymu ovlivnit. Kinetika degradace je v souladu s Michaelis-Mentenovou rovnicí .
Vodné exudáty jívy vytrvalé (Lolium perenne) mohou degradovat BPA jak v nepřítomnosti, tak v přítomnosti přírodních organických látek (NOM). V exudátech s přídavkem NOM je degradační proces delší než bez NOM. Aktivity peroxidázy a Lac v exudátech naznačily významné zapojení těchto enzymů do degradace BPA .
Organofluorové sloučeniny se staly důležitými stavebními prvky pro širokou škálu pokročilých materiálů, polymerů, agrochemikálií a léčiv. Bylo dosaženo koncepce zavedení trifluormethylové skupiny do nechráněných fenolů za použití biokatalyzátoru (Lac), tBuOOH a buď Langloisova činidla, nebo Baranova sulfinátu zinečnatého. Metoda je založena na rekombinaci dvou radikálových druhů, a to fenolového radikálového kationtu generovaného přímo Lac a CF3-radikálu. Lac-katalyzovaná trifluormethylace probíhá za mírných podmínek a rozkládá trifluormethylsubstituované fenoly, které byly klasickými metodami nedostupné .
Sladkovodní askomyceta Phoma sp. kmen UHH 5-1-03 produkující Lac má potenciál pro praktické odstraňování mikropolutantů. Bisfenol A (BPA), karbamazepin (CBZ), 17α-ethinylestradiol (EE2), diklofenak (DF), sulfametoxazol (SMX), technický nonylfenol (t-NP) a triclosan (TCS) jsou substráty s pořadím: EE2≫BPA>TCS>t-NP>DF>SMX>CBZ. Získané metabolity indikují hydroxylační, cyklizační a dekarboxylační reakce, jakož i oxidační spojení typické pro Lacovy reakce. Tato pozorování silně naznačují, že extracelulární Lac Phoma sp. do značné míry přispívá k biotransformaci hub .
Zvýšená pozornost byla věnována nanobiokatalýze. Lac reverzibilně imobilizovaný na Cu(ΙΙ)- a Mn(ΙΙ)-chelátových magnetických mikrosférách byl úspěšný při odstraňování BPA z vody. Ve srovnání s volným Lacem je tepelná a skladovací stabilita imobilizovaného Lacu výrazně lepší. Za optimálních podmínek bylo odstraněno více než 85 % BPA .
Použití enzymů v roztoku pro úpravu vody má však omezení v podobě neopakovatelnosti, krátké životnosti enzymů a vysokých nákladů na jednorázové použití. Chen a kol. vyvinuli nový typ biokatalyzátoru imobilizací houbového Laca na povrchu kvasinkových buněk pomocí technik syntetické biologie. Tento biokatalyzátor se označuje jako povrchově zobrazený Lac (SDL) a lze jej opakovaně používat s vysokou stabilitou, neboť si po osmi opakovaných dávkových reakcích zachoval 74 % původní aktivity. Účinnost SDL a důkaz koncepce při zpracování kontaminantů vzbuzujících obavy byly prokázány s bisfenolem A a sulfamethoxazolem.