ABTS

17.4 Fenoles

La oxidación del sustrato clásico Lac ABTS por la lacasa de Tetracystis aeria está muy extendida en las algas clorofíceas. Por ejemplo, las especies de Moewusinia, incluyendo Chlamydomonas moewusii y T. aeria, excretan lacasas putativas «verdaderas». Los sustratos fenólicos son oxidados por estas enzimas de forma óptima a pH neutro o alcalino. La lacasa de Tetracystis transforma eficazmente otros compuestos como el bisfenol A, el 17α-etinilestradiol, el nonilfenol y el triclosán en presencia de ABTS como mediador redox, mientras que el antraceno, el veratrilalcohol y el adlerol permanecen inalterados. Las posibles funciones naturales de las enzimas, como la síntesis de polímeros complejos o los procesos de desintoxicación, pueden contribuir a la supervivencia de las algas en entornos adversos. En las aguas superficiales contaminadas, las algas verdes productoras de Lac podrían contribuir a la descomposición ambiental de los contaminantes fenólicos.

Se descubrió que la Lac putativa (CotA) de Bacillus pumilus MK001 clonada y expresada en E. coli es termoestable y presenta una vida media de 60 minutos a 80°C y muestra afinidades potenciales de unión con el ácido ferúlico, el ácido cafeico y la vainillina.

Los fenoles son inhibidores conocidos de la celulasa y de los microorganismos fermentadores en los procesos de biorrefinería. La adición de Lac elimina los compuestos fenólicos y posteriormente reduce la fase de latencia del microorganismo fermentador. Sin embargo, la aplicación de Lac disminuye la liberación de glucosa durante la hidrólisis enzimática. La proporción de lignina y la composición de los fenoles son actores clave en la inhibición de la celulasa cuando la hidrólisis enzimática se combina con la detoxificación de Lac.

Una aplicación interesante en biotecnología ambiental es la inmovilización de Lac para eliminar los contaminantes fenólicos vía oxidación. Las nanopartículas de sílice pirogenada tienen un interesante potencial como material de soporte para la inmovilización de Lac vía inmovilización asistida por sorción en la perspectiva de aplicaciones como la eliminación de microcontaminantes en fases acuosas. La inmovilización de Lac del género Leviathan, Coriolopsis polygonal, Cerrena unicolor, P. ostreatus y T. versicolor en nanopartículas de sílice pirógena, por separado o en combinación, produce un aumento de la actividad en un rango de pH entre 3 y 7. Los diferentes Lacs se diferencian en su óptimo de pH y en su afinidad por el sustrato. La explotación de sus diferencias permitió la formulación de un nanobiocatalizador a medida capaz de oxidar un rango de sustratos más amplio que las enzimas disueltas o inmovilizadas por separado. El nanobiocatalizador tiene potencial para la oxidación bioquímica en la eliminación de múltiples contaminantes objetivo . Se ha confirmado que los nanobiocatalizadores no vocacionales obtenidos por inmovilización de Lac en nanopartículas de sílice poseían un amplio espectro de sustratos en cuanto a la degradación de contaminantes recalcitrantes, como los EDCs fenólicos (bisfenol A) .Esto subraya el potencial de los compuestos de nanopartículas de sílice pirógena/lac para el tratamiento biológico avanzado de aguas residuales.

Las lacas son capaces de catalizar la oxidación de un electrón de los compuestos fenólicos en radicales intermedios que posteriormente pueden acoplarse entre sí mediante enlaces covalentes. Se cree que estas reacciones desempeñan un papel importante en el proceso de humificación y en la transformación de contaminantes que contienen funcionalidades fenólicas en el medio ambiente. Se desarrolló un modelo de reacción mediante la integración de los equilibrios de unión metal-HA y las ecuaciones cinéticas, prediciendo la tasa de transformación del triclosán en presencia de HA e iones metálicos divalentes, incluyendo Ca2+, Mg2+, Cd2+, Co2+, Mn2+, Ba2+ y Zn2+.

Los éteres difenílicos polibromados hidroxilados (OH-PBDEs) se han encontrado frecuentemente en la biosfera marina como contaminantes orgánicos emergentes. La producción de OH-PBDEs es probablemente el resultado del acoplamiento de radicales bromofenoxi, generados a partir de la oxidación catalizada por Lac de 2,4-DBP o 2,4,6-TBP. La transformación de los bromofenoles por parte de Lac depende del pH y también de la actividad enzimática. En vista de la abundancia de 2,4-DBP y 2,4,6-TBP y la distribución filogenética de Lac en el medio ambiente, la conversión de bromofenoles catalizada por Lac puede ser potencialmente una ruta importante para la biosíntesis natural de OH-PBDEs .

Phanerochaete chrysosporium pertenece a un grupo de hongos degradadores de lignina que secretan varias enzimas oxidorreductoras, incluyendo la lignina peroxidasa (LiP) y la manganeso peroxidasa (MnP). Sin embargo, la producción de Lacs en este hongo no ha sido completamente demostrada y sigue siendo controvertida. La coexpresión del gen LacIIIb de T. versicolor y del gen vpl2 de Pleurotus eryngii, así como de los genes endógenos mnp1 y lipH8, mejoró la coexpresión de peroxidasas y lacasas hasta cinco veces en comparación con las especies de tipo salvaje. Las cepas transformantes tienen un amplio espectro en la biotransformación fenólica/no fenólica y un alto porcentaje en la decoloración de tintes sintéticos en comparación con la cepa parental y son una coexpresión fácil y eficiente de Lacs y peroxidasas en especies de basidiomicetos adecuadas .

Recientemente, Lac se ha aplicado a la nanobiotecnología, que es un campo de investigación cada vez mayor, y cataliza reacciones de transferencia de electrones sin cofactores adicionales .

Las nanopartículas de carbono son candidatos prometedores para la inmovilización de la enzima. En comparación con el Lac libre, las enzimas inmovilizadas tienen tasas de reacción significativamente reducidas. La limitación difusional inducida por la agregación de las nanopartículas de carbono no puede ignorarse porque puede conducir a un aumento de los tiempos de reacción, a una baja eficiencia y a unos costes económicos elevados. Además, este problema se agrava cuando hay bajas concentraciones de contaminantes ambientales.

El bisfenol A (BPA) es una sustancia química que altera el sistema endocrino y que está omnipresente en el medio ambiente debido a su amplio uso industrial. La laca extracelular del hongo más cultivado del mundo (es decir, el hongo de la podredumbre blanca, P. ostreatus) degrada eficazmente el BPA. La exposición al BPA no tiene efectos nocivos en este hongo comestible.

La eliminación del BPA por Lac en un reactor enzimático continuo de membrana evaluado en aguas residuales sintéticas y reales tratadas biológicamente en una configuración de reactor basada en un reactor de tanque agitado acoplado a una membrana cerámica, mostró una eliminación casi completa del BPA. La polimerización y la degradación son los mecanismos probables de transformación del BPA por parte de Lac.

Los organismos del phylum Basidiomycota tienen un enorme potencial de biorremediación por sus fenoloxidasas en la degradación de fenólicos. La laca y la tirosinasa se encuentran principalmente en T. versicolor y Agaricus bisporus, respectivamente. Han surgido nuevos y prometedores productores de enzimas de tipo salvaje y también se han construido varias cepas recombinantes, basadas principalmente en levaduras o cepas de Aspergillus como huéspedes. Las construcciones permiten aplicaciones para la degradación de fenoles, polifenoles, cresoles, alquilfenoles, naftoles, bisfenoles y (bis)fenoles halogenados. Los métodos biológicos y fisicoquímicos podrían combinarse para que los procesos sean aptos para el uso industrial.

Las peroxidasas vegetales tienen una gran utilidad potencial para la descontaminación de las aguas residuales contaminadas con fenoles. El uso a gran escala de estas enzimas para la descontaminación del fenol requiere un material que contenga peroxidasa que sea barato, abundante y fácilmente accesible. La pulpa de patata, un producto de desecho de la industria del almidón, contiene grandes cantidades de peroxidasas activas, y las enzimas de la pulpa de patata mantienen su actividad a pH 4-8 y son estables en un amplio rango de temperaturas. La eficiencia de eliminación del fenol de la pulpa de patata es superior al 95%.

Lac inmovilizada en perlas de sílice nanoporosa degrada más del 90% del 2,4-dinitrofenol en poco tiempo (12 horas). El proceso de inmovilización mejora la actividad y la sostenibilidad de Lac para la degradación del contaminante. Las temperaturas superiores a los 50°C reducen la actividad de la enzima hasta aproximadamente el 60%. Sin embargo, el pH y la concentración del mediador no pudieron afectar a la actividad de la enzima. La cinética de degradación se ajusta a una ecuación de Michaelis-Menten.

Los exudados acuosos de ryegrass (Lolium perenne) pueden degradar el BPA tanto en ausencia como en presencia de materia orgánica natural (NOM). En los exudados con adición de NOM, el proceso de degradación es más largo que sin NOM. Las actividades de peroxidasa y Lac en los exudados sugieren una participación significativa de estas enzimas en la degradación del BPA.

Los compuestos organofluorados se han convertido en importantes bloques de construcción para una amplia gama de materiales avanzados, polímeros, agroquímicos y productos farmacéuticos. Se ha logrado el concepto para la introducción del grupo trifluorometilo en fenoles no protegidos empleando un biocatalizador (Lac), tBuOOH, y el reactivo de Langlois o el sulfato de zinc de Baran. El método se basa en la recombinación de dos especies radicales, a saber, el catión radical de fenol generado directamente por el Lac y el radical CF3. La trifluorometilación catalizada por Lac se produce en condiciones suaves y degrada fenoles trifluorometilados que no estaban disponibles por métodos clásicos.

El ascomiceto de agua dulce Phoma sp. cepa UHH 5-1-03 que produce Lac tiene potencial para la eliminación práctica de microcontaminantes. El bisfenol A (BPA), la carbamazepina (CBZ), el 17α-etinilestradiol (EE2), el diclofenaco (DF), el sulfametoxazol (SMX), el nonilfenol técnico (t-NP) y el triclosán (TCS) son sustratos con el orden de clasificación: EE2≫BPA>TCS>t-NP>DF>SMX>CBZ. Los metabolitos obtenidos indican reacciones de hidroxilación, ciclación y descarboxilación, así como el acoplamiento oxidativo típico de las reacciones Lac. Las observaciones sugieren fuertemente que el Lac extracelular de Phoma sp. contribuye en gran medida a la biotransformación fúngica.

Se ha prestado mayor atención a la nanobiocatálisis. El Lac inmovilizado de forma reversible en microesferas magnéticas recubiertas de Cu(ΙΙ) y Mn(ΙΙ) consiguió eliminar el BPA del agua. En comparación con el Lac libre, las estabilidades térmica y de almacenamiento del Lac inmovilizado mejoran significativamente. Se eliminó más del 85% del BPA en condiciones óptimas.

Sin embargo, el uso de enzimas en solución para el tratamiento del agua tiene las limitaciones de la no reutilización, la corta vida útil de las enzimas y el alto coste de un solo uso. Chen et al. desarrollaron un nuevo tipo de biocatalizador mediante la inmovilización del hongo Lac en la superficie de células de levadura utilizando técnicas de biología sintética. El biocatalizador se denomina surface display Lac (SDL) y puede reutilizarse con gran estabilidad, ya que conservó el 74% de la actividad inicial tras ocho reacciones repetidas por lotes. La eficacia de SDL y la prueba de concepto en el tratamiento de contaminantes de interés emergente se demostraron con bisfenol A y sulfametoxazol.