Biotecnologie Industriali

Laccasi:enzimi blu per una chimica verde

Le laccasi sono uno dei primi enzimi descritti dall’uomo; sono state scoperte nel 1883 da Yoshida che per primo osservò che il lattice estratto dalla pianta si induriva in presenza di aria.Le laccasi appartengono alla famiglia delle “blue copper” ossidasi cioè enzimi ossidanti che contengono rame.

(immagine proveniente dal sito: http://chemistry.umeche.maine.edu/CHY431/Wood2.html)

Struttura della laccasi da M. albomycens

Struttura della laccasi da M. albomycens

 

 Tutte le laccasi, infatti, comprendono quattro atomi di rame che determinano il caratteristico colore blu, come viene evidenziata dall’immagine sottostante che rappresenta una soluzione concentrata di laccasi.

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(immagine proveniente dal sito: www.chem.ox.ac.uk/icl/faagroup/Cu-oxidases.html; © 2007 C.F. Blanford.)

 Gli enzimi ossidanti catalizzano reazioni di ossidazione, cioè reazioni in cui una specie chimica (atomo o ione) cede uno o più elettroni. Le laccasi, in particolare, utilizzano ossigeno atmosferico come accettore finale di elettroni e lo convertono in acqua con concomitante trasformazione del substrato in prodotto.

   substrato + O2     laccasi       prodotto + 2 H2O

 Tipici substrati delle laccasi sono i derivati fenolici (fenoli, polifenoli, amminofenoli, poliammide, ecc.). Per ampliare il numero di molecole sulle quali possono agire le laccasi, vengono impiegati degli opportuni mediatori. In questo caso l’enzima ossida il mediatore che a sua volta reagisce con il substrato.

                                                       Laccasi

substrato + mediatore +  O2  =   prodotto + mediatore(ossidato) + 2 H2O

 In natura le laccasi sono presenti soprattutto nei funghi, ma anche nelle piante superiori e, in misura minore, nei batteri e negli insetti. Svolgono un’importante ruolo nel ciclo del carbonio in quanto partecipano alla degradazione dei materiali lignocellulosici come il legno.

Le funzioni fisiologiche delle laccasi sono diverse:

  • nelle piante sono coinvolte nella formazione della parete cellulare e svolgono una funzione di difesa contro gli erbivori e gli attacchi di batteri e funghi
  • nei funghi favoriscono la degradazione della lignina (uno dei componenti del legno)
  • in alcuni funghi patogeni degradano le sostanze prodotte dalla pianta in risposta all’infezione fungina

Le laccasi sono enzimi molto interessanti dal punto di vista biotecnologico in quanto sono catalizzatori “verdi” che utilizzano ossigeno (presente dell’aria) e producono acqua come sottoprodotto di reazione.

In campo industriale le laccasi vengono sfruttate in differenti applicazioni.

  • industria tessile: trovano impiego nel processo di candeggio dei jeans (il cosiddetto biobleaching). Tradizionalmente il candeggio dei tessuti viene eseguito per via chimica con ipoclorito e acqua ossigenata; questo comporta numerosi svantaggi quali difficoltà di controllo del processo, scarsa riproducibilità, problemi ecologici nelle acque di scarico, perdita di resistenza del tessuto. Le laccasi, attraverso l’impiego di un mediatore, ossidano l’indaco (il colorante che conferisce il caratteristico colore ai jeans) determinando la decolorazione.
  • produzione di etanolo: i composti fenolici inibiscono il processo di fermentazione. Per migliorare la resa di produzione di etanolo da materiali rinnovabili, il lievito Saccharomyces cerevisiae è stato ingegnerizzato tramite l’introduzione di un gene che esprime una laccasi. L’enzima ossida i composti fenolici e quindi la fermentazione risulta più efficiente.
  • chiarificazione di vino, birra e succhi di frutta: vengono utilizzate per rimuovere i composti fenolici (in questo caso immobilizzate su un supporto solido, poiché non possono essere impiegate come additivi alimentari)
  • produzione della carta: trovano applicazione nel processo di sbianca della carta e in particolare nella rimozione della lignina. L’impiego di laccasi permette di evitare l’utilizzo di sbiancanti a base cloro, con un notevole vantaggio ecologico.
  • bioremediation: le laccasi, come molti altri enzimi da funghi, vengono impiegate per la degradazione di un’ampia varietà di composti inquinanti quali pesticidi e contaminanti ambientali. Alcuni studi descrivono, ad esempio, l’uso di laccasi per la biodegradazione di diossine in ceneri e suolo e per la degradazione di insetticidi fosforganici.
  • sintesi di prodotti e polimeri: l’utilizzo di differenti mediatori di reazione ha ampliato il numero di substrati delle laccasi permettendo l’ottenimento di molti prodotti di interesse industriale e farmaceutico

 Questi esempi mostrano come l’impiego di laccasi possa sostituire alcune tradizionali reazioni chimiche con notevoli vantaggi, soprattutto legati all’impatto ambientale.

A dispetto della presenza ubiquitaria di laccasi, il loro impiego industriale è stato fino ad oggi contenuto, soprattutto a causa della scarsa disponibilità in commercio fino a pochi anni fa. La crescente disponibilità di laccasi industriali e la migliore conoscenza della biochimica di questi enzimi, sono state accompagnate un numero significativo di nuove e promettenti applicazioni tecnologiche. Si prevede che in futuro le laccasi troveranno impiego in un vasto numero di processi industriali, soprattutto in virtù della loro caratteristica di catalizzatori “verdi”.

 Fonti:

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2 Comments

  1. Alessandro says:

    Salve,
    su questo enzima sto sviluppando una tesi per il corso di laurea specialistica in Biologia, sarei interessato a sapere se si sa qualcosa riguardo la stabilità di tale enzima ai solventi organici!
    Grazie!

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