ABTS

17.4 Fenoli

Oxidarea substratului Lac clasic ABTS de către lactaza din Tetracystis aeria este larg răspândită în algele clorofile. De exemplu, speciile de Moewusinia, inclusiv Chlamydomonas moewusii și T. aeria, excretă Lacs putative „adevărate”. Substraturile fenolice sunt oxidate de aceste enzime în mod optim la un pH neutru sau alcalin. Lactaza Tetracystis transformă eficient alți compuși, cum ar fi bisfenolul A, 17α-etinilestradiolul, nonilfenolul și triclosanul în prezența ABTS ca mediator redox, în timp ce antracenul, alcoolul veratrilic și adlerolul rămân neschimbate. Posibilele funcții naturale ale enzimelor, cum ar fi sinteza de polimeri complecși sau procesele de detoxifiere, pot ajuta la supraviețuirea algelor în medii adverse. În apele de suprafață contaminate, algele verzi producătoare de Lac ar putea contribui la descompunerea în mediul înconjurător a poluanților fenolici .

Lac-ul putativ (CotA) din Bacillus pumilus MK001 clonat și exprimat în E. coli s-a constatat că este termostabil, prezentând un timp de înjumătățire de 60 de minute la 80°C și prezintă afinități potențiale de legare cu acidul ferulic, acidul cafeic și vanilina .

Fenolii sunt inhibitori cunoscuți pentru celulază și microorganismele fermentative în procesele de biorafinare. Adăugarea de Lac îndepărtează compușii fenolici și, ulterior, reduce faza de întârziere a microorganismului fermentativ. Cu toate acestea, aplicarea de Lac diminuează eliberarea de glucoză în timpul hidrolizei enzimatice. Proporția de lignină și compoziția de fenoli sunt actori cheie în inhibarea cellazei atunci când hidroliza enzimatică este combinată cu detoxifierea Lac .

O aplicație interesantă în biotehnologia mediului este imobilizarea Lac pentru a elimina contaminanții fenolici prin oxidare. Nanoparticulele de silice fumurie au un potențial interesant ca material suport pentru imobilizarea Lac prin imobilizare asistată de sorbție din perspectiva unor aplicații cum ar fi eliminarea micropoluanților din fazele apoase. Imobilizarea Lac din genul Leviathan, Coriolopsis polygonal, Cerrena unicolor, P. ostreatus și T. versicolor pe nanoparticule de silice fumurie, separat sau în combinație, produce o activitate crescută pe un interval de pH cuprins între 3 și 7. Diferitele Lacs diferă în ceea ce privește pH-ul optim și afinitatea lor pentru substrat. Exploatarea diferențelor lor a permis formularea unui nanobiocatalizator personalizat capabil să oxideze o gamă mai largă de substraturi decât enzimele dizolvate sau imobilizate separat. Nanobiocatalizatorul are potențialul de oxidare biochimică în vederea eliminării mai multor poluanți țintă . S-a confirmat faptul că nanobiocatalizatorii nevocali obținuți prin imobilizarea Lac pe nanoparticule de siliciu posedă un spectru larg de substrat în ceea ce privește degradarea poluanților recalcitranți, cum ar fi EDC-urile fenolice (bisfenol A) .Acest lucru subliniază potențialul compozitelor de nanoparticule de silice fumurie/lac pentru tratarea biologică avansată a apelor reziduale.

Lac-urile sunt capabile să catalizeze oxidarea cu un singur electron a compușilor fenolici în intermediari radicali care se pot cupla ulterior între ei prin legături covalente. Se crede că aceste reacții joacă un rol important în procesul de humificare și de transformare a contaminanților care conțin funcționalități fenolice în mediul înconjurător. A fost dezvoltat un model de reacție prin integrarea echilibrelor de legare a metalelor-HA și a ecuațiilor cinetice, care prezice rata de transformare a triclosanului în prezența HA și a ionilor metalici divalenți, inclusiv Ca2+, Mg2+, Cd2+, Co2+, Mn2+, Ba2+ și Zn2+ .

Eterii difenilici polibromurați hidroxilați (OH-PBDE) au fost găsiți frecvent în biosfera marină ca și contaminanți organici emergenți. Producerea OH-PBDE-urilor este probabil rezultatul cuplării radicalilor bromofenoxi, generați din oxidarea catalizată de Lac a 2,4-DBP sau 2,4,6-TBP. Transformarea bromofenolilor de către Lac este dependentă de pH și este, de asemenea, influențată de activitatea enzimatică. Având în vedere abundența de 2,4-DBP și 2,4,6-TBP și distribuția filogenetică a Lac în mediul înconjurător, transformarea bromofenolilor catalizată de Lac ar putea fi o cale importantă pentru biosinteza naturală a OH-PBDE-urilor.

Phanerochaete chrysosporium aparține unui grup de ciuperci care degradează lignina și care secretă diverse enzime oxidoreductoare, inclusiv lignin peroxidaza (LiP) și mangan peroxidaza (MnP). Cu toate acestea, producția de Lacs în această ciupercă nu a fost complet demonstrată și rămâne controversată. Coexpresia genei LacIIIb din T. versicolor și a genei vpl2 din Pleurotus eryngii, precum și a genelor endogene mnp1 și lipH8 a îmbunătățit cooverexpresia peroxidazelor și lactazelor de până la cinci ori în comparație cu speciile de tip sălbatic. Tulpinile transformante au un spectru larg în biotransformarea fenolică/non-fenolică și un procent ridicat în decolorarea coloranților sintetici în comparație cu tulpina parentală și reprezintă o coexpresie ușoară și eficientă a lactazelor și peroxidazelor în specii de basidiomicete adecvate .

Recent, Lac a fost aplicat la nanobiotehnologie, care este un domeniu de cercetare în creștere, și catalizează reacții de transfer de electroni fără cofactori suplimentari .

Nanoparticulele de carbon sunt candidați promițători pentru imobilizarea enzimelor. În comparație cu Lac liber, enzimele imobilizate au viteze de reacție semnificativ reduse. Limitarea difuzională indusă de agregarea nanoparticulelor de carbon nu poate fi ignorată, deoarece poate duce la creșterea timpilor de reacție, eficiență scăzută și costuri economice ridicate. Mai mult, această problemă este exacerbată atunci când sunt prezente concentrații scăzute de contaminanți de mediu .

Bisfenolul A (BPA) este o substanță chimică perturbatoare endocrină care este omniprezentă în mediul înconjurător din cauza utilizării sale industriale pe scară largă. Lac extracelular al celei mai cultivate ciuperci din lume (și anume, ciuperca cu putregai alb, P. ostreatus) a degradat eficient BPA. Expunerea la BPA nu are efecte nocive asupra acestei ciuperci comestibile .

Îndepărtarea BPA de către Lac într-un reactor cu membrană enzimatică continuă, evaluată în ape reziduale sintetice și reale tratate biologic într-o configurație de reactor bazată pe un reactor cu rezervor agitat cuplat la o membrană ceramică, a arătat o îndepărtare aproape completă a BPA. Polimerizarea și degradarea sunt mecanisme probabile de transformare a BPA de către Lac .

Organismele din phylum Basidiomycota au un potențial enorm de bioremediere prin fenol-oxidazele lor în degradarea substanțelor fenolice. Lac și tirozinaza se găsesc în principal în T. versicolor și, respectiv, Agaricus bisporus. Au apărut noi producători promițători de enzime de tip sălbatic și au fost construite, de asemenea, o serie de tulpini recombinante, bazate în principal pe drojdii sau tulpini de Aspergillus ca gazde. Construcțiile permit aplicații pentru degradarea fenolilor, polifenolilor, cresolilor, alchilfenolilor, naftolilor, bisfenolilor și (bis)fenolilor halogenați. Metodele biologice și fizico-chimice ar putea fi combinate pentru a face ca procesele să fie adecvate pentru utilizare industrială.

Peroxidazele vegetale au un puternic potențial de utilitate pentru decontaminarea apelor reziduale poluate cu fenoli. Utilizarea pe scară largă a acestor enzime pentru depoluarea cu fenol necesită materiale care să conțină peroxidaze ieftine, abundente și ușor accesibile. Pulpa de cartofi, un produs rezidual al industriei amidonului, conține cantități mari de peroxidaze active, iar enzimele din pulpa de cartofi își mențin activitatea la pH 4-8 și sunt stabile într-un interval larg de temperaturi. Eficiența de eliminare a fenolului din pulpa de cartofi este de peste 95% .

Lac imobilizat pe bile de silice nanoporoasă degradează mai mult de 90% din 2,4-dinitrofenol într-un timp scurt (12 ore). Procesul de imobilizare îmbunătățește activitatea și durabilitatea Lac pentru degradarea poluantului. Temperaturile de peste 50°C reduc activitatea enzimei la aproximativ 60%. Cu toate acestea, pH-ul și concentrația mediatorului nu au putut afecta activitatea enzimatică. Cinetica de degradare este în concordanță cu o ecuație Michaelis-Menten .

Exudatele apoase de iarbă de secară (Lolium perenne) pot degrada BPA atât în absența cât și în prezența materiei organice naturale (NOM). În exudatele cu adaos de NOM, procesul de degradare este mai lung decât în absența NOM. Activitățile peroxidazei și Lac din exudate au sugerat o implicare semnificativă a acestor enzime în degradarea BPA .

Compușii organofluorurați au devenit componente importante pentru o gamă largă de materiale avansate, polimeri, produse agrochimice și farmaceutice. S-a realizat conceptul de introducere a grupării trifluorometil în fenoli neprotejați prin utilizarea unui biocatalizator (Lac), a tBuOOH și fie a reactivului Langlois, fie a sulfatului de zinc al lui Baran. Metoda se bazează pe recombinarea a două specii radicale, și anume cationul radical fenol generat direct de Lac și radicalul CF3. Trifluorometilarea catalizată de Lac se desfășoară în condiții blânde și degradează fenoli trifluorometil-substituiți care nu erau disponibili prin metodele clasice.

Ascomiceta de apă dulce Phoma sp. tulpina UHH 5-1-03 producătoare de Lac are potențial pentru eliminarea practică a micropoluanților. Bisfenolul A (BPA), carbamazepina (CBZ), 17α-etinilestradiol (EE2), diclofenac (DF), sulfametoxazol (SMX), nonilfenol tehnic (t-NP) și triclosan (TCS) sunt substraturi cu ordinea de rang: EE2≫BPA>TCS>t-NP>DF>SMX>CBZ. Metaboliții obținuți indică reacții de hidroxilare, ciclizare și decarboxilare, precum și cuplarea oxidativă tipică pentru reacțiile Lac. Observațiile sugerează cu tărie că Lac-ul extracelular al Phoma sp. contribuie în mare măsură la biotransformarea fungică .

Atenție sporită a fost acordată nanobiocatalizei. Lac imobilizat în mod reversibil pe microsfere magnetice chelate cu Cu(ΙΙ)- și Mn(ΙΙ) a reușit să elimine BPA din apă. În comparație cu Lac liber, stabilitățile termică și de depozitare ale Lac imobilizat sunt semnificativ îmbunătățite. Mai mult de 85% din BPA a fost eliminat în condiții optime.

Cu toate acestea, utilizarea enzimelor în soluție pentru tratarea apei are limitări legate de nereutilizabilitatea, durata de viață scurtă a enzimelor și costul ridicat al unei singure utilizări. Chen et al. au dezvoltat un nou tip de biocatalizator prin imobilizarea Lac fungic pe suprafața celulelor de drojdie folosind tehnici de biologie sintetică. Biocatalizatorul este denumit Lac de suprafață (SDL) și poate fi reutilizat cu o stabilitate ridicată, deoarece a păstrat 74% din activitatea inițială după opt reacții discontinue repetate. Eficacitatea SDL și dovada conceptului în tratarea contaminanților cu probleme emergente au fost demonstrate cu bisfenol A și sulfametoxazol.

.