ABTS
17.4 Fenolok
A klasszikus Lac szubsztrát, az ABTS oxidációja a Tetracystis aeria laccáza által széles körben elterjedt a klorofícia algákban. Például a Moewusinia fajok, köztük a Chlamydomonas moewusii és a T. aeria, feltételezett “valódi” Laccákat választanak ki. A fenolos szubsztrátokat ezek az enzimek optimálisan semleges vagy lúgos pH-n oxidálják. A Tetracystis laccáz hatékonyan alakít át más vegyületeket, például biszfenol A-t, 17α-etinilösztradiolt, nonylfenolt és triklozánt ABTS mint redox mediátor jelenlétében, míg az antracén, veratrylalkohol és adlerol változatlanul marad. Az enzimek lehetséges, természetes funkciói, például komplex polimerek szintézise vagy méregtelenítési folyamatok segíthetik az algák túlélését kedvezőtlen környezetben. Szennyezett felszíni vizekben a Lac-termelő zöld algák hozzájárulhatnak a fenolos szennyezőanyagok környezeti lebontásához .
A Bacillus pumilus MK001-ből származó, klónozott és E. coliban termostabilnak bizonyult, felezési ideje 80°C-on 60 perc, és potenciális kötődési affinitást mutat a ferulasavval, a kávésavval és a vanillinnel .
A fenolok ismert inhibitorai a celluláznak és a fermentatív mikroorganizmusoknak a biofinomítási folyamatokban. A Lac hozzáadása eltávolítja a fenolos vegyületeket, és ezt követően csökkenti a fermentatív mikroorganizmus lag-fázisát. A Lac alkalmazása azonban csökkenti a glükóz felszabadulását az enzimatikus hidrolízis során. A lignin aránya és a fenolok összetétele kulcsszerepet játszik a celluláz gátlásában, amikor az enzimatikus hidrolízist Lac méregtelenítéssel kombinálják .
A környezeti biotechnológiában az egyik érdekes alkalmazás a Lac immobilizálása a fenolos szennyeződések oxidáció útján történő eltávolítására. A füstölt szilícium-dioxid nanorészecskék érdekes potenciállal rendelkeznek a Lac immobilizációjának hordozóanyagaként a szorpcióval támogatott immobilizáción keresztül olyan alkalmazások szempontjából, mint a mikroszennyező anyagok eltávolítása a vizes fázisokban. A Leviathan nemzetségből, a Coriolopsis polygonalból, a Cerrena unicolorból, a P. ostreatusból és a T. versicolorból származó Lac immobilizálása füstölt szilícium-dioxid nanorészecskékre, külön-külön vagy kombinációban, fokozott aktivitást eredményez a 3 és 7 közötti pH-tartományban. A különböző lacok pH-optimumuk és szubsztrát-affinitásuk tekintetében különböznek egymástól. Különbségeik kihasználása lehetővé tette egy olyan személyre szabott nanobiokatalizátor kifejlesztését, amely szélesebb szubsztrát-tartományt képes oxidálni, mint az oldott vagy külön-külön immobilizált enzimek. A nanobiokatalizátor potenciálisan alkalmas biokémiai oxidációra több célszennyezőanyag eltávolításában . Megerősítést nyert, hogy a szilícium-dioxid nanorészecskékre történő Lac immobilizálással nyert nem vokacionális nanobiokatalizátorok széles szubsztrátspektrummal rendelkeztek a visszahúzódó szennyezőanyagok, például a fenolos EDC-k (biszfenol A) lebontása tekintetében .Ez aláhúzza a füstölt szilícium-dioxid nanorészecskék/lakk kompozitokban rejlő potenciált a fejlett biológiai szennyvízkezelésben.
A lacok képesek katalizálni a fenolos vegyületek egyelektronos oxidációját radikális intermedierekké, amelyek ezt követően kovalens kötéseken keresztül kapcsolódhatnak egymáshoz. Ezek a reakciók feltehetően fontos szerepet játszanak a humifikációs folyamatban és a környezetben lévő fenolos funkcionalitást tartalmazó szennyező anyagok átalakulásában. A fém-HA kötési egyensúlyok és kinetikai egyenletek integrálásával reakciómodellt dolgoztunk ki, amely megjósolja a triklozán átalakulási sebességét HA és kétértékű fémionok, köztük Ca2+, Mg2+, Cd2+, Co2+, Mn2+, Ba2+ és Zn2+ jelenlétében.
A hidroxilált polibrómozott difenil-étereket (OH-PBDE-k) gyakran találták a tengeri bioszférában, mint újonnan megjelenő szerves szennyeződéseket. Az OH-PBDE-k keletkezése valószínűleg a 2,4-DBP vagy 2,4,6-TBP Lac-katalizált oxidációjából keletkező brómfenoxi-gyökök összekapcsolódásának eredménye. A brómfenolok Lac általi átalakulása pH-függő, és az enzimaktivitás is befolyásolja. Tekintettel a 2,4-DBP és a 2,4,6-TBP bőségére és a Lac filogenetikai eloszlására a környezetben, a brómfenolok Lac-katalizált átalakulása potenciálisan fontos útvonala lehet az OH-PBDE-k természetes bioszintézisének.
A Phanerochaete chrysosporium a ligninlebontó gombák egy csoportjába tartozik, amelyek különböző oxidoreduktív enzimeket választanak ki, beleértve a ligninperoxidázt (LiP) és a mangánperoxidázt (MnP). A Lacs termelését azonban ebben a gombában nem sikerült teljes mértékben bizonyítani, és továbbra is ellentmondásos. A T. versicolorból származó LacIIIb gén és a Pleurotus eryngii-ből származó vpl2 gén, valamint az mnp1 és lipH8 endogén gének koexpressziója akár ötszörösére javította a peroxidázok és laccázok koexpresszióját a vad típusú fajokhoz képest. A transzformált törzsek széles spektrummal rendelkeznek a fenolos/nem fenolos biotranszformációban és nagy százalékban a szintetikus festékek színtelenítésében a szülői törzshez képest, és a Lacs és a peroxidázok könnyű és hatékony koexpresszióját jelentik a megfelelő bazidiomycete fajokban .
A Lac-ot újabban a nanobiotechnológiában alkalmazzák, amely egyre növekvő kutatási terület, és további kofaktorok nélkül katalizálja az elektronátviteli reakciókat .
A szén nanorészecskék ígéretes jelöltek az enzim immobilizálására. A szabad Lac-hoz képest az immobilizált enzimek reakciósebessége jelentősen csökken. A szén nanorészecskék aggregációja által kiváltott diffúziós korlátozást nem lehet figyelmen kívül hagyni, mert ez megnövekedett reakcióidőt, alacsony hatékonyságot és magas gazdasági költségeket eredményezhet. Ráadásul ez a probléma súlyosbodik, ha a környezeti szennyező anyagok alacsony koncentrációban vannak jelen .
A bizfenol A (BPA) egy endokrin rendszert károsító vegyi anyag, amely széleskörű ipari felhasználása miatt mindenütt jelen van a környezetben. A világ legszélesebb körben termesztett gombájának (azaz a fehérrothadású gombának, a P. ostreatusnak) az extracelluláris Lac-ja hatékonyan bontotta le a BPA-t. A BPA-expozíciónak nincs káros hatása erre az ehető gombára .
A BPA eltávolítása Lac által egy folyamatos enzimatikus membránreaktorban, amelyet szintetikus és valódi biológiailag kezelt szennyvizekben vizsgáltak egy kerámia membránnal összekapcsolt kevert tartályos reaktoron alapuló reaktorkonfigurációban, a BPA szinte teljes eltávolítását mutatta. A BPA Lac általi átalakításának valószínű mechanizmusai a polimerizáció és a lebontás .
A Basidiomycota törzsbe tartozó organizmusok fenoloxidázaik révén hatalmas bioremediációs potenciállal rendelkeznek a fenolok lebontásában. A Lac és a tirozináz főként a T. versicolorban, illetve az Agaricus bisporusban található. Az enzimek új, ígéretes vad típusú termelői jelentek meg, és számos rekombináns törzset is létrehoztak, főként élesztő- vagy Aspergillus törzsek mint gazdaszervezetek alapján. A konstrukciók lehetővé teszik a fenolok, polifenolok, kreszolok, alkilfenolok, naftolok, biszfenolok és halogénezett (bisz)fenolok lebontását. A biológiai és a fizikai-kémiai módszereket kombinálva a folyamatok ipari felhasználásra is alkalmassá tehetők .
A növényi peroxidázok nagy potenciális hasznosságot jelentenek a fenollal szennyezett szennyvizek fertőtlenítésében. Ezeknek az enzimeknek a fenolmentesítésre történő nagyszabású felhasználásához olcsó, bőséges és könnyen hozzáférhető peroxidáz-tartalmú anyagra van szükség. A burgonyapép, a keményítőipar hulladékterméke, nagy mennyiségű aktív peroxidázt tartalmaz, és a burgonyapép enzimek pH 4-8-on is megőrzik aktivitásukat, és széles hőmérséklet-tartományban stabilak. A burgonyapép fenol-eltávolítási hatékonysága több mint 95% .
A nanopórusos szilikagömbökön imobilizált Lac rövid idő alatt (12 óra) lebontja a 2,4-dinitrofenol több mint 90%-át. Az immobilizációs eljárás javítja a Lac aktivitását és fenntarthatóságát a szennyezőanyag lebontásában. Az 50 °C feletti hőmérséklet körülbelül 60%-ra csökkenti az enzim aktivitását. A pH és a közvetítő koncentrációja azonban nem tudta befolyásolni az enzimaktivitást. A lebontási kinetika a Michaelis-Menten-egyenletnek felel meg .
A répafű (Lolium perenne) vizes exudátumai természetes szerves anyag (NOM) hiányában és jelenlétében is képesek lebontani a BPA-t. A NOM hozzáadásával készült exudátumokban a lebontási folyamat hosszabb, mint NOM nélkül. A peroxidáz és Lac aktivitás az exudátumokban ezen enzimek jelentős részvételére utalt a BPA lebontásában.
A szerves fluorvegyületek a fejlett anyagok, polimerek, agrokémiai és gyógyszeripari termékek széles skálájának fontos építőköveivé váltak. A trifluormetil-csoport bevezetésének koncepciója a védtelen fenolokba egy biokatalizátor (Lac), tBuOOH és vagy a Langlois-reagens, vagy a Baran-féle cink-szulfinát alkalmazásával valósult meg. A módszer két gyökfaj, nevezetesen a közvetlenül a Lac által generált fenolgyök-kation és a CF3-gyök rekombinációján alapul. A Lac-katalizált trifluormetilezés enyhe körülmények között zajlik, és lebontja a klasszikus módszerekkel nem elérhető trifluor-metil-szubsztituált fenolokat .
A Lac-termelő édesvízi aszkomycéta Phoma sp. törzs UHH 5-1-03 potenciállal rendelkezik a gyakorlati mikroszennyezőanyag-eltávolításban. Biszfenol A (BPA), karbamazepin (CBZ), 17α-etinilösztradiol (EE2), diklofenák (DF), szulfametoxazol (SMX), technikai nonylfenol (t-NP) és triklozán (TCS) szubsztrátok a rangsorban: EE2≫BPA>TCS>t-NP>DF>SMX>CBZ. A kapott metabolitok hidroxilációs, ciklizációs és dekarboxilációs reakciókra, valamint a Lac-reakciókra jellemző oxidatív kapcsolásra utalnak. A megfigyelések határozottan arra utalnak, hogy a Phoma sp. extracelluláris Lac-ja nagymértékben hozzájárul a gombák biotranszformációjához .
A nanobiokatalízisre fokozott figyelmet fordítottak. A Cu(II)- és Mn(II)-chelátált mágneses mikrogömbökre reverzibilisen immobilizált Lac sikeresen távolította el a BPA-t vízből. A szabad Lac-hoz képest az immobilizált Lac hő- és tárolási stabilitása jelentősen javult. Optimális körülmények között a BPA több mint 85%-át sikerült eltávolítani .
Az oldatban lévő enzimek vízkezelésre történő felhasználásának azonban korlátot jelent a nem újrafelhasználhatóság, a rövid enzim élettartam és az egyszeri felhasználás magas költsége. Chen és munkatársai egy új típusú biokatalizátort fejlesztettek ki úgy, hogy szintetikus biológiai technikák segítségével gombák Lac-ját immobilizálták az élesztősejtek felületén. A biokatalizátort felületmegjelenítő Lac-nak (SDL) nevezik, és nagy stabilitással újrafelhasználható, mivel nyolc ismételt kötegelt reakció után is megtartotta a kezdeti aktivitás 74%-át. Az SDL hatékonyságát és koncepciójának igazolását a felmerülő aggodalomra okot adó szennyező anyagok kezelésében a biszfenol A és a szulfametoxazol esetében bizonyították.