Cerrena Unicolor

17.4 Fenoli

L’ossidazione del substrato Lac classico ABTS dalla laccasi di Tetracystis aeria è diffusa nelle alghe cloroficee. Ad esempio, le specie della Moewusinia, tra cui Chlamydomonas moewusii e T. aeria, espellono i presunti “veri” Lacs. I substrati fenolici sono ossidati da questi enzimi in modo ottimale a pH da neutro a alcalino. Il Tetracystis laccase trasforma efficacemente altri composti come bisfenolo A, 17α-etinilestradiolo, nonilfenolo e triclosan in presenza di ABTS come mediatore redox, mentre antracene, veratrylalcohol e adlerol rimangono invariati. Possibili funzioni naturali degli enzimi, come la sintesi di polimeri complessi o processi di disintossicazione, possono aiutare la sopravvivenza delle alghe in ambienti avversi. Nelle acque superficiali contaminate, le alghe verdi che producono Lac potrebbero contribuire alla disgregazione ambientale degli inquinanti fenolici .

Il Lac putativo (CotA) di Bacillus pumilus MK001 clonato ed espresso in E. coli è risultato termostabile con un’emivita di 60 minuti a 80°C e mostra potenziali affinità di legame con acido ferulico, acido caffeico e vanillina .

I fenoli sono noti inibitori della cellulasi e dei microrganismi fermentativi nei processi di bioraffinazione. L’aggiunta di Lac rimuove i composti fenolici e successivamente riduce la fase di lag del microrganismo fermentativo. Tuttavia, l’applicazione di Lac diminuisce il rilascio di glucosio durante l’idrolisi enzimatica. La proporzione di lignina e la composizione dei fenoli sono attori chiave nell’inibizione della cellulasi quando l’idrolisi enzimatica è combinata con la disintossicazione Lac .

Un’applicazione interessante nella biotecnologia ambientale è l’immobilizzazione del Lac per eliminare i contaminanti fenolici tramite l’ossidazione. Le nanoparticelle di silice fumata hanno un potenziale interessante come materiale di supporto per l’immobilizzazione Lac tramite immobilizzazione assistita da assorbimento nella prospettiva di applicazioni come l’eliminazione di microinquinanti in fasi acquose. Immobilizzare Lac da un genere Leviatano, Coriolopsis polygonal, Cerrena unicolor, P. ostreatus e T. versicolor su nanoparticelle di silice fumate, separatamente o in combinazione, produce un’attività aumentata su un intervallo di pH compreso tra 3 e 7. I diversi Lacs differiscono per il loro pH optima e l’affinità del substrato. Sfruttando le loro differenze ha permesso la formulazione di un nanobiocatalizzatore su misura in grado di ossidare una gamma di substrati più ampia rispetto agli enzimi disciolti o immobilizzati separatamente. Il nanobiocatalizzatore ha il potenziale per l’ossidazione biochimica nell’eliminazione di più inquinanti bersaglio . È stato confermato che i nanobiocatalizzatori non professionali ottenuti mediante immobilizzazione Lac su nanoparticelle di silice possedevano un ampio spettro di substrato per quanto riguarda la degradazione di inquinanti recalcitranti, come gli EDC fenolici (bisfenolo A) .Ciò sottolinea il potenziale delle nanoparticelle di silice fumata / compositi laccase per il trattamento biologico avanzato delle acque reflue.

I LAC sono in grado di catalizzare l’ossidazione di un elettrone di composti fenolici in intermedi radicali che possono successivamente accoppiarsi tra loro tramite legami covalenti. Si ritiene che queste reazioni svolgano un ruolo importante nel processo di umificazione e nella trasformazione di contaminanti contenenti funzionalità fenoliche nell’ambiente. Un modello di reazione è stato sviluppato dall’integrazione di equilibri di legame metallo-HA ed equazioni cinetiche, prevedendo il tasso di trasformazione del triclosan in presenza di HA e ioni metallici bivalenti tra cui Ca2+, Mg2+, Cd2+, Co2+, Mn2+, Ba2+ e Zn2+ .

Gli eteri di difenile polibromurato idrossilato (OH-PBDE) sono stati frequentemente trovati nella biosfera marina come contaminanti organici emergenti. La produzione di OH-PBDE è probabilmente il risultato dell’accoppiamento dei radicali bromofenossi, generati dall’ossidazione catalizzata da Lac di 2,4-DBP o 2,4,6-TBP. La trasformazione dei bromofenoli da parte del Lac è dipendente dal pH ed è anche influenzata dall’attività enzimatica. In considerazione dell’abbondanza di 2,4-DBP e 2,4,6-TBP e della distribuzione filogenetica di Lac nell’ambiente, la conversione catalizzata da Lac di bromofenoli può essere potenzialmente una via importante per la biosintesi naturale di OH-PBDE .

Phanerochaete chrysosporium appartiene ad un gruppo di funghi degradanti la lignina che secernono vari enzimi ossidoriduttivi, tra cui lignina perossidasi (labbro) e manganese perossidasi (MnP). Tuttavia, la produzione di Lacs in questo fungo non è stata completamente dimostrata e rimane controversa. La coespressione del gene LacIIIb da T. versicolor e del gene vpl2 da Pleurotus eryngii, e anche i geni endogeni mnp1 e lipH8 hanno migliorato la cooverespressione di perossidasi e laccasi fino a cinque volte rispetto alle specie wild-type. I ceppi trasformanti hanno un ampio spettro nella biotrasformazione fenolica/non fenolica e un’alta percentuale nella decolorazione dei coloranti sintetici rispetto al ceppo parentale e sono una coespressione facile ed efficiente di Lacs e perossidasi in specie basidiomicete adatte .

Recentemente, Lac è stato applicato alla nanobiotecnologia, che è un campo di ricerca in aumento, e catalizza reazioni di trasferimento di elettroni senza cofattori aggiuntivi .

Le nanoparticelle di carbonio sono candidati promettenti per l’immobilizzazione enzimatica. Rispetto al Lac libero, gli enzimi immobilizzati hanno ridotto significativamente le velocità di reazione. La limitazione diffusionale indotta dall’aggregazione di nanoparticelle di carbonio non può essere ignorata perché può portare a tempi di reazione aumentati, bassa efficienza e costi economici elevati. Inoltre, questo problema è esacerbato quando sono presenti basse concentrazioni di contaminanti ambientali .

Il bisfenolo A (BPA) è una sostanza chimica che altera il sistema endocrino che è onnipresente nell’ambiente a causa del suo ampio uso industriale. Lac extracellulare del fungo più coltivato al mondo (es., fungo bianco-marciume, P. ostreatus) efficacemente degradato BPA. L’esposizione al BPA non ha effetti nocivi su questo fungo commestibile .

La rimozione del BPA da parte del Lac in un reattore a membrana enzimatica continua valutato in acque reflue sintetiche e reali trattate biologicamente in una configurazione di reattore basata su un reattore a serbatoio agitato accoppiato a una membrana ceramica, ha mostrato una rimozione quasi completa del BPA. La polimerizzazione e la degradazione sono probabili meccanismi di trasformazione del BPA da parte del Lac .

Gli organismi del phylum Basidiomycota hanno un enorme potenziale di biorisanamento dalle loro fenol ossidasi nella degradazione dei fenolici. Lac e tirosinasi sono principalmente in T. versicolor e Agaricus bisporus, rispettivamente. Sono emersi nuovi promettenti produttori di enzimi wild-type e sono stati costruiti anche diversi ceppi ricombinanti, basati principalmente su lieviti o ceppi di Aspergillus come ospiti. I costrutti consentono applicazioni per la degradazione di fenoli, polifenoli, cresoli, alchilfenoli, naftoli, bisfenoli e fenoli alogenati (bis). I metodi biologici e fisico-chimici potrebbero essere combinati per rendere i processi adatti all’uso industriale .

Le perossidasi vegetali hanno una forte utilità potenziale per la decontaminazione delle acque reflue inquinate dal fenolo. L’uso su larga scala di questi enzimi per il disinquinamento del fenolo richiede materiale contenente perossidasi economico, abbondante e facilmente accessibile. La polpa di patata, un prodotto di scarto dell’industria dell’amido, contiene grandi quantità di perossidasi attive e gli enzimi della polpa di patata mantengono la loro attività a pH 4-8 e sono stabili in un ampio intervallo di temperature. L’efficienza di rimozione del fenolo della polpa di patate è superiore al 95%.

Lac immobilizzato su perle di silice nanoporosa degradano più del 90% di 2,4-dinitrofenolo in breve tempo (12 ore). Il processo di immobilizzazione migliora l’attività e la sostenibilità del Lac per la degradazione dell’inquinante. Temperature superiori a 50°C riducono l’attività enzimatica a circa il 60%. Tuttavia, il pH e la concentrazione del mediatore non potrebbero influenzare l’attività enzimatica. La degradazione cinetica è in accordo con un’equazione di Michaelis-Menten .

Gli essudati acquosi di loglio (Lolium perenne) possono degradare il BPA sia in assenza che in presenza di materia organica naturale (NOM). Negli essudati con l’aggiunta di NOM, il processo di degradazione è più lungo che senza NOM. Le attività di perossidasi e Lac negli essudati hanno suggerito un coinvolgimento significativo di questi enzimi nella degradazione del BPA .

I composti organofluorinici sono diventati importanti elementi costitutivi per una vasta gamma di materiali avanzati, polimeri, agrochimici e farmaceutici. Il concetto per l’introduzione del gruppo trifluorometilico nei fenoli non protetti impiegando un biocatalizzatore (Lac), tBuOOH, e il reagente di Langlois o il solfinato di zinco di Baran è stato raggiunto. Il metodo si basa sulla ricombinazione di due specie radicali, vale a dire il catione radicale fenolo generato direttamente dal Lac e il radicale CF3. La trifluorometilazione catalizzata da Lac procede in condizioni lievi e degrada i fenoli trifluorometil-sostituiti che non erano disponibili con metodi classici .

Ascomicete Phoma sp. strain UHH 5-1-03 has potential for practical micropollutant removal. Bisphenol A (BPA), carbamazepine (CBZ), 17α-ethinylestradiol (EE2), diclofenac (DF), sulfamethoxazole (SMX), technical nonylphenol (t-NP), and triclosan (TCS) are substrates with the rank order: EE2≫BPA>TCS>t-NP>DF>SMX>CBZ. The obtained metabolites indicate hydroxylation, cyclization, and decarboxylation reactions, as well as oxidative coupling typical for Lac reactions. The observations strongly suggest that the extracellular Lac of Phoma sp. largely contributes to fungal biotransformation .

È stata prestata maggiore attenzione alla nanobiocatalisi. Lac reversibilmente immobilizzato su microsfere magnetiche chelate Cu(ΙΙ) e Mn(ΙΙ) è riuscito a rimuovere il BPA dall’acqua. Rispetto al Lac libero, le stabilità termiche e di stoccaggio del Lac immobilizzato sono significativamente migliorate. Oltre l ‘ 85% del BPA è stato rimosso in condizioni ottimali .

Tuttavia, l’utilizzo di enzimi in soluzione per il trattamento dell’acqua presenta limitazioni di non riutilizzabilità, brevi durate enzimatiche e costi elevati di uso singolo. Chen et al. sviluppato un nuovo tipo di biocatalizzatore immobilizzando Lac fungina sulla superficie delle cellule di lievito utilizzando tecniche di biologia sintetica. Il biocatalizzatore è indicato come surface display Lac (SDL) e può essere riutilizzato con elevata stabilità in quanto ha mantenuto il 74% dell’attività iniziale dopo otto ripetute reazioni batch. L’efficacia di SDL e la prova di concetto nel trattamento dei contaminanti di preoccupazione emergente sono state dimostrate con bisfenolo A e sulfametossazolo.