ABTS

17.4 Phénols

L’oxydation du substrat classique Lacs ABTS par la laccase de Tetracystis aeria est répandue dans les algues chlorophycées. Par exemple, les espèces de la Moewusinia, y compris Chlamydomonas moewusii et T. aeria, excrètent des Lacs putatifs « vrais ». Les substrats phénoliques sont oxydés par ces enzymes de manière optimale à un pH neutre ou alcalin. La laccase de Tetracystis transforme efficacement d’autres composés tels que le bisphénol A, le 17α-éthinylestradiol, le nonylphénol et le triclosan en présence d’ABTS comme médiateur redox, tandis que l’anthracène, l’alcool veratrylique et l’adlérol restent inchangés. Les fonctions naturelles possibles des enzymes, telles que la synthèse de polymères complexes ou les processus de détoxification, peuvent aider à la survie des algues dans des environnements défavorables. Dans les eaux de surface contaminées, les algues vertes productrices de Lac pourraient contribuer à la dégradation environnementale des polluants phénoliques.

Le Lacutatif (CotA) de Bacillus pumilus MK001 cloné et exprimé dans E. coli s’est avéré être thermostable présentant une demi-vie de 60 minutes à 80°C et montrer des affinités de liaison potentielles avec l’acide férulique, l’acide caféique et la vanilline .

Les phénols sont des inhibiteurs connus pour la cellulase et les microorganismes fermentaires dans les processus de bioraffinage. L’ajout de Lac élimine les composés phénoliques et réduit par la suite la phase de latence du microorganisme fermentaire. Cependant, l’application de Lac diminue la libération de glucose pendant l’hydrolyse enzymatique. La proportion de lignine et la composition des phénols sont des acteurs clés dans l’inhibition de la cellulase lorsque l’hydrolyse enzymatique est combinée avec la détoxification du Lac .

Une application intéressante en biotechnologie environnementale est l’immobilisation du Lac pour éliminer les contaminants phénoliques par oxydation. Les nanoparticules de silice fumées présentent un potentiel intéressant en tant que matériau support pour l’immobilisation de Lac via une immobilisation assistée par sorption dans la perspective d’applications telles que l’élimination de micropolluants en phases aqueuses. L’immobilisation de Lacs provenant d’un genre de Léviathan, Coriolopsis polygonal, Cerrena unicolor, P. ostreatus, et T. versicolor sur des nanoparticules de silice fumée, séparément ou en combinaison, produit une activité accrue sur une gamme de pH entre 3 et 7. Les différents Lacs se distinguent par leurs optima de pH et leur affinité avec le substrat. L’exploitation de ces différences a permis la formulation d’un nanobiocatalyseur sur mesure capable d’oxyder une gamme de substrats plus large que les enzymes dissoutes ou immobilisées séparément. Le nanobiocatalyseur présente un potentiel d’oxydation biochimique pour l’élimination de plusieurs polluants cibles. Il a été confirmé que les nanobiocatalyseurs non-vocationnels obtenus par immobilisation de Lac sur des nanoparticules de silice possédaient un large spectre de substrat concernant la dégradation de polluants récalcitrants, tels que les EDC phénoliques (bisphénol A) .Cela souligne le potentiel des composites nanoparticules de silice fumées/laccase pour le traitement biologique avancé des eaux usées.

Les lacs sont capables de catalyser l’oxydation à un électron des composés phénoliques en intermédiaires radicaux qui peuvent ensuite se coupler les uns aux autres via des liaisons covalentes. Ces réactions sont censées jouer un rôle important dans le processus d’humification et la transformation des contaminants contenant des fonctionnalités phénoliques dans l’environnement. Un modèle de réaction a été développé par l’intégration d’équilibres de liaison métal-HA et d’équations cinétiques, prédisant le taux de transformation du triclosan en présence d’HA et d’ions métalliques divalents, notamment Ca2+, Mg2+, Cd2+, Co2+, Mn2+, Ba2+ et Zn2+ .

Les éthers diphényliques polybromés hydroxylés (OH-PBDE) ont été fréquemment trouvés dans la biosphère marine en tant que contaminants organiques émergents. La production des OH-PBDEs est probablement le résultat du couplage des radicaux bromophénoxy, générés par l’oxydation catalysée par Lac du 2,4-DBP ou du 2,4,6-TBP. La transformation des bromophénols par Lac est dépendante du pH, et est également influencée par l’activité enzymatique. Compte tenu de l’abondance du 2,4-DBP et du 2,4,6-TBP et de la distribution phylogénétique de Lac dans l’environnement, la conversion des bromophénols catalysée par Lac peut être potentiellement une voie importante pour la biosynthèse naturelle des OH-PBDEs .

Phanerochaete chrysosporium appartient à un groupe de champignons dégradant la lignine qui sécrètent diverses enzymes oxydoréductrices, notamment la lignine peroxydase (LiP) et la manganèse peroxydase (MnP). Cependant, la production de Lacs dans ce champignon n’a pas été complètement démontrée et reste controversée. La coexpression du gène LacIIIb de T. versicolor et du gène vpl2 de Pleurotus eryngii, ainsi que des gènes endogènes mnp1 et lipH8 a amélioré la coexpression des peroxydases et des laccases jusqu’à cinq fois par rapport aux espèces de type sauvage. Les souches transformantes ont un large spectre dans la biotransformation phénolique/non phénolique et un pourcentage élevé dans la décoloration des colorants synthétiques par rapport à la souche parentale et constituent une coexpression facile et efficace des laccases et des peroxydases dans les espèces de basidiomycètes appropriées .

Récemment, Lac a été appliqué à la nanobiotechnologie, qui est un domaine de recherche croissant, et catalyse les réactions de transfert d’électrons sans cofacteurs supplémentaires .

Les nanoparticules de carbone sont des candidats prometteurs pour l’immobilisation des enzymes. Par rapport au Lac libre, les enzymes immobilisées ont des taux de réaction significativement réduits. La limitation de diffusion induite par l’agrégation des nanoparticules de carbone ne peut être ignorée car elle peut conduire à une augmentation des temps de réaction, une faible efficacité et des coûts économiques élevés. En outre, ce problème est exacerbé lorsque de faibles concentrations de contaminants environnementaux sont présentes .

Le bisphénol A (BPA) est un produit chimique perturbateur endocrinien omniprésent dans l’environnement en raison de sa large utilisation industrielle. Le lac extracellulaire du champignon le plus cultivé au monde (c’est-à-dire le champignon à pourriture blanche, P. ostreatus) dégrade efficacement le BPA. L’exposition au BPA n’a pas d’effets nocifs sur ce champignon comestible .

L’élimination du BPA par Lac dans un réacteur enzymatique continu à membrane évalué dans des eaux usées synthétiques et réelles traitées biologiquement dans une configuration de réacteur basée sur un réacteur à réservoir agité couplé à une membrane céramique, a montré une élimination presque complète du BPA. La polymérisation et la dégradation sont des mécanismes probables de transformation du BPA par Lac .

Les organismes du phylum Basidiomycota ont un énorme potentiel de biorémédiation par leurs phénol oxydases dans la dégradation des phénoliques. Le lac et la tyrosinase se trouvent principalement chez T. versicolor et Agaricus bisporus, respectivement. De nouveaux producteurs prometteurs d’enzymes de type sauvage sont apparus et un certain nombre de souches recombinantes ont également été construites, principalement à partir de levures ou de souches d’Aspergillus comme hôtes. Les constructions permettent des applications pour la dégradation des phénols, polyphénols, crésols, alkylphénols, naphtols, bisphénols et (bis)phénols halogénés. Les méthodes biologiques et physico-chimiques pourraient être combinées pour rendre les procédés aptes à une utilisation industrielle .

Les peroxydases végétales ont une forte utilité potentielle pour la décontamination des eaux usées polluées par les phénols. L’utilisation à grande échelle de ces enzymes pour la dépollution du phénol nécessite un matériel contenant des peroxydases bon marché, abondant et facilement accessible. La pulpe de pomme de terre, un déchet de l’industrie de l’amidon, contient de grandes quantités de peroxydases actives, et les enzymes de la pulpe de pomme de terre conservent leur activité à un pH de 4 à 8 et sont stables dans une large gamme de températures. L’efficacité d’élimination du phénol de la pulpe de pomme de terre est supérieure à 95% .

Les Lacs immobilisés sur des billes de silice nanoporeuses dégradent plus de 90% du 2,4-dinitrophénol en peu de temps (12 heures). Le processus d’immobilisation améliore l’activité et la durabilité de Lac pour la dégradation du polluant. Les températures supérieures à 50°C réduisent l’activité enzymatique à environ 60%. Cependant, le pH et la concentration du médiateur n’ont pas pu affecter l’activité enzymatique. La cinétique de dégradation est conforme à une équation de Michaelis-Menten .

Les exsudats aqueux de ray-grass (Lolium perenne) peuvent dégrader le BPA à la fois en l’absence et en présence de matière organique naturelle (NOM). Dans les exsudats avec l’ajout de NOM, le processus de dégradation est plus long que sans NOM. Les activités de peroxydase et de Lac dans les exsudats ont suggéré une implication significative de ces enzymes dans la dégradation du BPA .

Les composés organofluorés sont devenus des éléments constitutifs importants pour une large gamme de matériaux avancés, de polymères, de produits agrochimiques et pharmaceutiques. Le concept d’introduction du groupe trifluorométhyle dans des phénols non protégés en employant un biocatalyseur (Lac), tBuOOH, et soit le réactif de Langlois, soit le sulfinate de zinc de Baran a été réalisé. La méthode repose sur la recombinaison de deux espèces radicalaires, à savoir le cation radicalaire phénolique généré directement par le Lac et le radical CF3. La trifluorométhylation catalysée par le Lac se déroule dans des conditions douces et dégrade les phénols substitués par le trifluorométhyle qui n’étaient pas disponibles par les méthodes classiques .

L’ascomycète d’eau douce producteur de Lac Phoma sp. souche UHH 5-1-03 a un potentiel pour l’élimination pratique des micropolluants. Le bisphénol A (BPA), la carbamazépine (CBZ), le 17α-éthinylestradiol (EE2), le diclofénac (DF), le sulfaméthoxazole (SMX), le nonylphénol technique (t-NP) et le triclosan (TCS) sont des substrats avec l’ordre de classement : EE2≫BPA>TCS>t-NP>DF>SMX>CBZ. Les métabolites obtenus indiquent des réactions d’hydroxylation, de cyclisation et de décarboxylation, ainsi qu’un couplage oxydatif typique des réactions Lac. Ces observations suggèrent fortement que le Lac extracellulaire de Phoma sp. contribue largement à la biotransformation fongique .

Une attention accrue a été accordée à la nanobiocatalyse. Lac immobilisé de manière réversible sur des microsphères magnétiques échelonnées en Cu(ΙΙ)- et Mn(ΙΙ)- a réussi à éliminer le BPA de l’eau. Par rapport au Lac libre, les stabilités thermique et de stockage du Lac immobilisé sont significativement améliorées. Plus de 85 % du BPA a été éliminé dans des conditions optimales .

Cependant, l’utilisation d’enzymes en solution pour le traitement de l’eau présente des limites : non-réutilisabilité, courte durée de vie des enzymes et coût élevé de l’utilisation unique. Chen et al. ont développé un nouveau type de biocatalyseur en immobilisant le lac fongique sur la surface des cellules de levure en utilisant des techniques de biologie synthétique. Ce biocatalyseur, appelé Surface Display Lac (SDL), peut être réutilisé avec une grande stabilité, puisqu’il a conservé 74 % de son activité initiale après huit réactions discontinues répétées. L’efficacité de SDL et la preuve de concept dans le traitement des contaminants de préoccupation émergente ont été démontrées avec le bisphénol A et le sulfaméthoxazole.