Ligninmodifierande enzym
Ligninmodifierande enzymer ( LME ) är olika typer av enzymer som produceras av svampar och bakterier som katalyserar nedbrytningen av lignin , en biopolymer som vanligtvis finns i växternas cellväggar . Termerna ligninaser och lignaser är äldre namn för samma klass, men namnet "ligninmodifierande enzymer" är nu att föredra, med tanke på att dessa enzymer inte är hydrolytiska utan snarare oxidativa (elektronåterdragande) genom sina enzymatiska mekanismer. LME inkluderar peroxidaser , såsom ligninperoxidas ( EC 1.11.1.14 ), manganperoxidas ( EC 1.11.1.13 ), mångsidigt peroxidas ( EC 1.11.1.16 ) och många fenoloxidaser av lackastyp .
LME har varit kända för att produceras av många arter av vitröta basidiomycetösa svampar, inklusive: Phanerochaete chrysosporium , Ceriporiopsis subvermispora , Trametes versicolor , Phlebia radiata , Pleurotus ostreatus och Pleurotus eryngii .
LME produceras inte bara av trävita ruttnande svampar utan också av sönderfallande basidiomycetösa svampar som Agaricus bisporus (vanlig knappsvamp) och många Coprinus- och Agrocybe -arter. Brunrötasvamparna, som kan kolonisera trä genom att bryta ned cellulosa , kan bara delvis bryta ner lignin.
Vissa bakterier producerar också LME, även om svamp-LME är mer effektiva vid nedbrytning av lignin. Svampar tros vara de mest betydande bidragsgivarna till ligninnedbrytning i naturliga system.
LME och cellulaser är avgörande för ekologiska cykler (till exempel tillväxt/död/förfall/återväxt, kolkretsloppet och markhälsa ) eftersom de tillåter att växtvävnad bryts ned snabbt, vilket frigör materialet däri för återanvändning av nya generationer av liv . LME är också avgörande för en rad olika branscher.
Industriapplikation
Ligninmodifierande enzymer har använts aktivt i pappers- och massaindustrin under det senaste decenniet. De användes i industrin kort efter att de upptäcktes ha både avgiftande och avfärgande egenskaper; fastigheter som massaindustrin spenderar över 100 miljoner USD årligen för att eftersträva. Även om dessa enzymer har använts i industrin under de senaste tio åren, har optimala och robusta fermentationsprocesser inte fastställts. Det finns ett område med aktiv forskning eftersom forskare tror att bristen på optimala förhållanden för dessa enzymer begränsar industriell exploatering.
Ligninmodifierande enzymer gynnar industrin eftersom de kan bryta ner lignin ; en vanlig restprodukt från pappers- och massaindustrin. Dessa enzymer har använts vid förfining av poppel eftersom lignin hämmar den enzymatiska hydrolysen av behandlad poppel och ligninmodifierande enzymer kan effektivt bryta ned ligninet och därmed lösa detta problem.
En annan användning av ligninmodifierande enzymer är optimering av växtbiomassaanvändning. Historiskt sett kunde bara en liten del av användningen av växtbiomassa faktiskt utvinnas från massakällor, vilket lämnar majoriteten av anläggningarna som avfallsprodukter. På grund av Lignin är växtavfallet relativt inert mot nedbrytning och orsakar en stor ansamling av restprodukter. LME kan effektivt bryta ner det till andra aromatiska föreningar .
LME användes ursprungligen för blekning av avfallsvatten . Nu finns det flera patenterade processer som använder dessa enzymer för blekning av massa, varav många fortfarande är under utveckling.
Miljöindustrin har intresse av att använda LME för nedbrytning av främlingsfientliga föreningar. Det pågår aktiv forskning om LME:s avgiftning av herbicider. Trametes versicolor visade sig effektivt bryta ner glyfosat in vitro. [ citat behövs ]
Bakteriella ligninmodifierande enzymer
Även om mycket forskning har gjorts för att förstå svamp-LME, har först nyligen mer fokus lagts på att karakterisera dessa enzymer i bakterier. De huvudsakliga LME i både svampar och bakterier är peroxidaser och laccaser.
Även om bakterier saknar homologer till de vanligaste svampperoxidaserna (ligninperoxidas, manganperoxidas och mångsidigt peroxidas), producerar många färgämnesavfärgande peroxidaser (peroxidaser av DyP-typ). Bakterier från en mängd olika klasser uttrycker DyP-peroxidaser, inklusive Gammaproteobacteria , Bacillota och Actinomycetota . Peroxidaser depolymeriserar lignin genom oxidation med väteperoxid . Svampperoxidaser har högre oxiderande kraft än bakteriella DyP-typ peroxidaser som studerats hittills och kan bryta ner mer komplexa ligninstrukturer. DyP-typ peroxidaser har visat sig fungera på ett stort antal substrat , inklusive syntetiska färgämnen , monofenoliska föreningar, lignin-härledda föreningar och alkoholer .
Laccaser, som är multikopparoxidaser, är en annan klass av enzymer som finns i både bakterier och svampar som har betydande ligninnedbrytande egenskaper. Laccaser bryter ner lignin genom oxidation med syre. Laccaser är också utbredda bland bakteriearter, inklusive Bacillus subtilis , Caulobacter crescentus , Escherichia coli och Mycobacterium tuberculosum . Liksom peroxidaser av DyP-typ har bakteriella lackaser ett brett substratområde.
Det finns ett intresse för att använda bakteriella lackaser och DyP-peroxidaser för industritillämpningar, bioteknik och bioremediering på grund av den större lättheten att manipulera bakteriegenom och genuttryck jämfört med svampar. Det breda utbudet av substrat för dessa typer av enzymer ökar också utbudet av processer de kan användas i. Dessa processer inkluderar massabearbetning, modifiering av textilfärgämne, sanering av avloppsvatten och tillverkning av farmaceutiska byggstenar. Dessutom fungerar bakteriella ccaser vid högre temperaturer, alkalinitet och saltkoncentrationer än svamplackaser, vilket gör dem mer lämpade för industriell användning.
Både intracellulära och extracellulära bakteriella DyP-typ peroxidaser och laccaser har identifierats, vilket tyder på att vissa används som intracellulära enzymer medan andra utsöndras för att bryta ned föreningar i miljön. Men deras roller i bakteriefysiologi och deras naturliga fysiologiska substrat har ännu inte specificerats.