Биологические науки / 6 Микробиология

Каревина В.В., Скроцкая О.И.

Национальный университет пищевых технологий, Украина

Лакказы: характеристика и перспективы использования

Фермент лакказа (кислород оксидоредуктаза) представляет большой интерес с точки зрения фундаментальных исследований его структуры и механизма катализа. Это обусловлено строением активного центра лакказ, в который входят четыре иона меди трех различных типов, координированное взаимодействие которых в процессе каталитического акта одноэлектронного окисления доноров электронов или водорода, позволяет осуществлять восстановление молекулярного кислорода непосредственно до воды, минуя стадию образования пероксида водорода. Большой интерес, как в фундаментальном, так и прикладном плане, представляет субстратная специфичность лакказ, способных окислять широкий круг органических (в первую очередь фенольных) и неорганических соединений. Окисление органических соединений протекает по свободно-радикальному механизму, который в настоящее время до конца не изучен. Кроме того, лакказа является одним из важнейших компонентов лигнолитического комплекса дереворазрушающих грибов белой гнили, осуществляющих разложение (а в некоторых случаях и синтез) одного из наиболее распространенных природных полимеров – лигнина, и роль лакказы в этих процессах до конца неизвестна [2, 3, 4].

Интерес к практическому использованию лакказ возрос в середине 90-х годов XX века, после открытия медиаторов – соединений, «усиливающих» действия ферментов, что позволило существенно расширить область их практического применения. Медиаторы лакказ представляют собой субстраты этих ферментов, в процессе окисления которых образуются высокопотенциальные и химически активные продукты. Последние могут вступать в реакцию с соединениями, которые не подвергаются окислению одними лакказами. Кроме того, в процессе окисления органических субстратов образуются свободные радикалы, которые могут модифицировать другие соединения. Это позволяет существенно расширить область использования лакказ [4].

Лакказа обнаружена у бактерий, грибов, растений и насекомых. Этот фермент участвует в процессах синтеза меланинов, пигментов, развитии спор, детоксикации опасных метаболитов, деградации лигнина. Недавно была доказана еще одна функция лакказ – участие в образовании гуминоподобных веществ [3, 4].

В настоящее время лакказы применяются в различных сферах биотехнологии. Основной сферой применения данного фермента является биодеградация лигнина и лигниноподобных соединений, а также веществ, имеющих структуру, сходную со структурой мономеров лигнина, таких как полициклические ароматические углероды. Продуктами окисления полициклических ароматических углеродов являются, как правило, соответствующие хиноны, менее токсичные и более гидрофильные; они, в свою очередь, также могут быть субстратами для лакказы [1, 2].

Существует несколько направлений практического использования ферментов, разлагающих лигнин, в том числе изготовление биопластиков, отбелка бумаги. На определенной стадии биодеградации лигнина древесина приобретает пластичность, что позволяет изготавливать на ее основе экологически безопасные древесные пластики, древесноволокнистые плиты, блоки, картон без применения токсических связующих соединений. Активно ведутся исследования по применению лакказ для отбеливания целлюлозы. При этом преимущество использования лакказ, в отличие от других лигнолитических ферментов, заключается в том, что использование системы окисления на основе лакказы и низкомолекулярных медиаторов позволяет избавиться от участия перекиси водорода в процессе биоотбелки [1, 2].

Известно использование лакказы в текстильной промышленности для обработки льна, обесцвечивания и окрашивания хлопковых тканей. Также этот фермент используется в косметической промышленности в качестве агента для окрашивания волос, производстве моющих средств, для биодеградации ксенобиотиков, для создания антимикробных композиций, для детоксикации и очистки сточных вод, при разработке катодов биотопливных элементов и других областях. Так, например, фирма «Novozymes» (Дания) выпускает на основе лакказы коммерческие препараты предназначены для отбеливания и обработки текстильных изделий, делигнификации бумажной пульпы и обработки корковой пробки [5, 1].

Также фермент можно использовать для замены токсических сушителей в красках. В настоящее время водоэмульсионные краски содержат ионы тяжелых металлов, которые используются для ускорения высыхания пленок алкидных смол. Ионы тяжелых металлов отличаются токсичностью, а катализаторы на основе кобальта проявляют канцерогенные свойства. Поэтому многие исследователи пытаются подобрать новые агенты, позволяющие обеспечивать эффективную сушку красок и не обладающие при этом нежелательными свойствами. Фермент лакказа проявил исключительную активность. В данный момент продолжают изучаться механизмы отверждения алкидных смол, стабильность и активность лакказы в процессе сушки красок и поиски медиаторов для фермента.

На основе лакказы разработан высокочувствительный метод ферментативного иммуноанализа, позволяющий определять концентрацию иммуноглобулина G человека и мыши до 2,5×10^-12. Разработаны биосенсорные системы на основе лакказы для определения концентрации иммуноглобулина [4].

Таким образом, создание высокоэффективных продуцентов лакказ для использования в биотехнологии является в настоящее время весьма актуальным. Для этого необходимо изучить физико-химические характеристики лакказ из различных биологических видов с целью выбора наиболее высокопотенциальных ферментов для использования в различных биотехнологических процессах, разработать методологию отбора и исследования потенциальных редокс-медиаторов лакказ и провести апробацию лакказа-медиаторных систем на реальных объектах.

Литература:

1. Беловежец Л.А., Волчатова И.В., Медведева С.А. Перспективные способы переработки вторичного лигоцеллюлозного сырья// Химия растительного сырья – 2010. - №2., - С. 5-16.

2. Фурсова В.П., Надежина О.С. Лаврова А.И., Кадималев Д.А., Ризниченко Г.Ю. Математическая модель функционирования лакказы внеклеточного лигнолитического комплекса гриба Panus tigrinus. рН зависимость работы фермента.//Математика. Компьютер. Образование. МКО-2007, т.2: XIV Международная конференція, 2007г. – Пущино, 2007. – С. 327-334.

3. Шевченко Е.А., Бессолицына Е.А., Драмов И.В. Разработка метода скрининга базидиомицетов, перспективных продуцентов лакказы//Прикладная биохимия и микробиология – 2013. - №3., – С. 285-287.

4. Шлеев С.В., Зайцева Е.А, Горошина Е.С. и др. Спектральное и электрохимическое изучение лаказ базидиальных грибов // Вестник Московского университета. Серия 2. Химия – 2003. –Т44, №1.- С. 35-39.

5. RU (11) 2345134, C12N9/02. Способ получения технического препарата лакказы/Горшина Е.С., Русинова Т.В., Марьина Н.С., Ярополов А.И., Морозова О.В., Щелбыкин И.Н. – Опубл. 27.01.2009.