1.Tổng quan về link dafabet
Lignin là một loại polymer thơm tự nhiên, có thành phần phổ biến thứ hai sau cellulose. Lignin được tìm thấy trong thực vật, phụ phẩm nông nghiệp và nhiều nơi khác. Phân tử lignin không có tính đồng nhất, tạo liên kết với hemicellulose và bao quanh cellulose thông qua liên kết este trong thực vật để cung cấp độ cứng và bảo vệ thành tế bào. Lignin bao gồm các hợp chất phenol, trong đó chủ yếu có ba nhóm: guaiacyl (G), syringyl (S) và hydroxyphenyl (H), được polymer hóa thông qua liên kết ngang trung gian của phản ứng gốc enzyme, tạo ra β- liên kết O-4 chiếm ưu thế và các liên kết C-C và C-O khác (Ralph & cs., 2004). Do lignin là một phân tử lớn có cấu trúc rất phức tạp, việc ứng dụng, chuyển hóa lignin còn rất nhiều hạn chế. Vì vậy, sự phân hủy lignin của vi link dafabet vật đã nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học để khắc phục các vấn đề khó khăn này.
link dafabet có một cấu trúc chung là một vòng benzen với một đuôi gồm 3 carbon.
Hình 1. Cấu trúc phân tử link dafabet
2.Hệ enzyme phân hủy lignin từ vi link dafabet vật
Sự phân hủy lignin của vi link dafabet vật được tiến hành bởi một lượng lớn các enzyme oxy hóa. Các enzyme chính để phân huỷ lignin được gọi là hệ enzyme lignolytic, bao gồm: phenol oxidase (laccase) và các peroxidase chứa heme (lignin peroxidase, mangan peroxidase, và peroxidase đa năng).
2.1. Laccase
Laccase là một chất oxy hóa đa nhân được tìm thấy trong thực vật, nấm và vi khuẩn. Theo nhiều kết quả nghiên cứu, laccase của nấm thường có khả năng khử cao hơn so với thực vật và vi khuẩn.
Laccase chứa 4 nguyên tử đồng (Cu) và 2 cầu liên kết disulfide phân bố trong 3 vùng khác nhau gọi là T1, T2 và T3. T1 là một trung tâm đơn nhân chứa 1 nhân Cu, trong khi một nhân Cu khác ở T2 và hai nhân Cu ở T3. Quá trình oxy hóa cơ chất xảy ra ở vùng T1 thông qua trình tự tripeptide His-Cys-His, sau đó các điện tử được chuyển đến trung tâm ba hạt nhân T2/T3 và diễn ra sự khử O2thành nước (Mayolo-Deloisa & cs., 2020).
Hình 2. Cấu trúc của Laccase
Laccase tồn tại dưới dạng isoenzyme. Laccase oxy hóa các cơ chất tự nhiên bao gồm phenol, polyphenol, anilin, aryl diamine, phenol thay thế methoxy, hydroxyindol, benzenethiol, các hợp chất kim loại vô cơ, hữu cơ và nhiều loại khác. Do đó, laccase được ứng dụng nhiều như tẩy trắng bột giấy, tẩy màu thuốc nhuộm vải, chế biến thực phẩm, sử dụng trong tổng hợp chất hữu cơ, xử lý các nguồn nước thải bị ô nhiễm; xử lý phụ phẩm nông nghiệp để tạo nguyên liệu cho các quá trình khác.
2.2.link dafabet peroxidase (LiP)
LiP là một glycoprotein, cấu trúc tinh thể được tạo thành từ các xoắnα, có 2 ion canxi và 4 liên kết disulfua để ổn định cấu trúc bậc ba. LiP gián tiếp phân hủy lignin thông qua việc oxy hóa rượu veratryl thành gốc cation khuếch tán tương ứng như một chất oxy hóa trực tiếp trên lignin. Vị trí hoạt động của LiP bao gồm một nguyên tử sắt chứa heme. Hai điện tử của enzyme sắt nguyên link dafabet bị H2O2oxy hóa để tạo thành hợp chất thứ nhất, enzyme này nhận một điện tử để tạo thành hợp chất thứ hai. Cuối cùng, hợp chất thứ hai này được đưa trở lại trạng thái sắt nguyên link dafabet nghỉ bằng cách nhận thêm một điện tử từ chất khử (Francesca GM & cs., 2001).
Hình 3. Cơ chế hoạt động của link dafabet peroxidase
LiP có thể phân hủy nhiều loại hợp chất phenolic và non-phenolic, do đó LiP là enzyme chính chịu trách nhiệm phân hủy link dafabet do khả năng khử cao của nó.
2.3.Mangan peroxidase (MnP)
MnP là một protein heme được glycosyl hóa và là peroxidase phân giải chất béo chính của basidiomycetes. Cấu trúc tinh thể của MnP bao gồm một ion Mn2+, một heme propionat và các chuỗi bên của Glu35, Glu39và Asp179 . Quá trình phân giải link dafabet được xúc tác bởi MnP bao gồm cả bước oxy hóa và bước khử.
Hình 4. Cơ chế hoạt động của Mangan peroxidase
MnP liên kết H2O2 với enzyme sắt nguyên link dafabet, sau đó oxy hóa Mn2+thành Mn3+với sự có mặt của chất chelat, và Mn3+được tạo ra sau đó chuyển đổi các hợp chất phenolic link dafabet thành các gốc phenoxyl. Các chất chelat hóa axit hữu cơ như oxalat và malonat có thể ổn định Mn3+và kích thích hoạt động của enzyme. MnP có thể thúc đẩy sự phân hủy link dafabet và sản lượng metan, và 68.4% link dafabet từ chất thải rắn đô thị đã được loại bỏ bởi MnP (Jayasinghe PA & cs., 2011).
2.4.Peroxidase đa năng
Peroxidase đa năng là một enzyme phân giải link dafabet độc đáo được tìm thấy trong các chi nấm thối trắngPleurotusvàBjerkandera. Peroxidase đa năng được gọi là peroxidase lai, thể hiện cơ chế xúc tác tương tự với cả LiP và MnP. Tuy nhiên, Peroxidase đa năng có thể phân hủy trực tiếp các chất nền có khả năng khử cao mà không có sự hiện diện của rượu veratryl và oxy hóa Mn2+một cách độc lập, điều này khác với MnP và LiP (Camarero S., 1999).
2.5.β – Etherase
β – Etherase có thể phá vỡ liên kết β-aryl ether và biphenyl trong các phân tử link dafabet. Các β-etherase liên quan đến con đường dị hóa β-O-4 este và biphenyl để khử phân giải và chuyển đổi link dafabet. Liên kết este β-O-4 là liên kết phổ biến nhất và chiếm hơn 50% tất cả các liên kết este trong link dafabet, vì vậy sự phân hủy của nó là rất quan trọng đối với quá trình khử phân giải link dafabet (Reiter J & cs., 2013).
3. Một số vi link dafabet vật phân giải lignin
Lignin là chất có sẵn trong tự nhiên với khối lượng lớn; là nguyên liệu tuyệt vời để sản xuất các sản phẩm link dafabet học có giá trị gia tăng. Tuy nhiên lignin có tính không đồng nhất và khó bị phân hủy dẫn đến cản trở quá trình sử dụng và xử lý link dafabet học lignin hiệu quả. So với xử lý hóa học, xử lý link dafabet học với xúc tác vi link dafabet và enzyme là một phương pháp sạch và hiệu quả để khử và chuyển hóa lignin. Chính vì vậy, sau nhiều năm nghiên cứu và tìm hiểu, các nhà khoa học đã tìm ra được một số loài vi link dafabet vật có khả năng phân giải lignin.
3.1. Nấm mốc
Nấm mốc là những vi link dafabet vật phân giải lignin hiệu quả nhất, chúng có thể tiết ra nhiều loại enzyme phân giải lignin. Theo cơ chế phân huỷ lignin, nấm phân huỷ lignin chủ yếu bao gồm ba loại: nấm mục trắng, thối nâu và thối mềm. Trong số ba loại nấm phân huỷ lignin, chỉ có nấm mục trắng có thể phân huỷ hoàn toàn lignin thành CO2và H2O (Blanchette RA, 1995).
Nấm mục trắng phân giải link dafabet bao gồm hầu hết các chủng nấmBasidiomycetesvà một vài loàiAscomycetes. Trong số các loại nấm mục trắng, các loàiCeriporiopsis subvermispora, Phellinus pini, Ganoderma australevàPhlebia tremellosađặc biệt phân hủy link dafabet và hemicellulose nhưng không phân hủy cellulose. Tuy nhiên, các chủng khác nhưPhanerochaete chrysosporium, Trametes versicolor, HeterobasidionosystemsumvàIrpex lacteusarecó thể đồng thời phân hủy cả cellulose, hemicellulose và link dafabet. Các enzyme ngoại bào chính do nấm mục trắng tiết ra để phân hủy link dafabet là các oxidase và peroxidase. Các phản ứng oxy hóa được xúc tác bởi oxidoreductase để phân hủy link dafabet bao gồm sự phân cắt liên kết C-C và liên kết este, đồng thời loại bỏ chuỗi bên và vòng thơm (Zabel RA & cs., 2020).
Nấm thối nâu có thể thủy phân nhanh thành phần cellulose và hemicellulose trong khi chỉ oxy hóa một phần link dafabet. Nấm thối nâu được phát hiện phân hủy link dafabet thông qua các gốc hydroxyl được tạo ra thông qua oxy hóa Fenton (Bugg TD và cs, 2011). Các hydroquinon ngoại bào do nấm thối nâu tạo ra có thể khử Fe3+của phức Fe-oxalat thành Fe2+, sau đó phản ứng với hydro peroxit (H2O2) để tạo ra các gốc hydroxyl.
Ngoài nấm thối nâu, nấm thối mềm cũng có thể phân hủy link dafabet bằng cách tấn công các đơn vị syringyl (Zabel RA và cs, 2020). Nấm thối mềm chủ yếu bao gồmAscomycetesvàDeuteromycetesvà ưu tiên làm thoái hóa gỗ cứng. Trong khi người ta biết rất ít về các enzyme của nấm thối mềm liên quan đến việc phân hủy link dafabet, người ta cho rằng nấm thối mềm có thể biến đổi thay vì khoáng hóa link dafabet.
3.1.Xạ khuẩn
Mặc dù sự phân hủy lignin không diễn ra hoàn toàn như nấm, nhưng nhiều loài xạ khuẩn có khả năng chuyển hóa lignin thành các chất có khối lượng phân tử nhỏ hơn theo 2 cách là hòa tan hoặc tạo ra một chất chuyển hóa có khối lượng phân tử lớn được gọi là polymer lignin có khả năng kết tủa với APPL. Các hợp chất này sẽ được phân hủy tiếp bởi các vi link dafabet vật khác.Streptomyces viridosporus T7Alà xạ khuẩn đầu tiên được tìm thấy có khả năng link dafabet APPL đồng thời link dafabet ra heme peroxidase. Điều này chỉ ra rằng xạ khuẩn cũng có thể có một tập hợp các enzyme oxy hóa ngoại bào tham gia vào chuyển hóa lignin.
Các enzyme từ xạ khuẩn có thể tốt hơn các enzyme thu nhận từ nấm về khả năng chịu nhiệt và ít phụ thuộc vào các mediator. Chúng cũng có thể có lợi thế hơn trong việc phân hủy các lignin đã bị biến đổi và polymer hóa một phần trong dòng thải của quá trình nghiền và trong quá trình sản xuất nhiên liệu link dafabet học (Bandounas & cs., 2011). Tuy nhiên, cho đến nay, tiềm năng phân hủy lignin của xạ khuẩn, đặc biệt là xạ khuẩn ưa nhiệt và chịu nhiệt vẫn còn chưa được nghiên cứu.
3.2.Vi khuẩn
Vi khuẩn có khả năng phân giải link dafabet đã được tìm thấy từ các môi trường sống khác nhau như đất, gỗ mục nát, nhà máy xử lý nước thải và ruột động vật. Mặc dù hiệu suất phân giải link dafabet của vi khuẩn kém hơn nấm, nhưng có khả năng thích ứng với môi trường mạnh hơn. Các nghiên cứu gần đây báo cáo rằngActinobacteria, ProteobacteriavàFirmicuteslà những vi khuẩn phân hủy link dafabet chính (Bugg TD & cs., 2011). Vi khuẩn tiết ra các enzyme oxy hóa để phá vỡ link dafabet với sự hiện diện của oxy.
link dafabet có thể bị phân hủy bởi điều kiện kỵ khí khắc nghiệt.StreptomycesvàRhodoccocuscủaActinobacterialà những vi khuẩn điển hình cho sự phân hủy link dafabet trong điều kiện hiếu khí.
Vi khuẩn kỵ khí đã được xác định để chuyển đổi link dafabet và các chất thơm có nguồn gốc của nó thành metan và carbon dioxide. Hiệu suất phân hủy của link dafabet biến tính trong điều kiện kỵ khí tốt hơn link dafabet tự nhiên, có mức độ metoxyl hóa cao (Ahring BK. & cs, 2015).Tolumonas lignolyticaBRL6-1 vàKlebsiella sp. chủng BRL6-2 được phân lập và được đặc trưng là vi khuẩn phân hủy link dafabet kỵ khí, và một số enzyme giả định để phân hủy link dafabet đã được xác định (Woo HL, 2014; Billings AF & cs., 2015).
Với các enzyme và con đường trao đổi chất đặc biệt, vi khuẩn ưa nhiệt cho thấy khả năng phân hủy và biến đổi link dafabet. Vi khuẩn ưaCaldicellulosiruptor kronotskyensiscó thể phân hủy rơm rạ tự nhiên mà không cần xử lý trước và tạo ra cacbohydrat hòa tan, axit hữu cơ và chất thơm có nguồn gốc link dafabet (Peng X. & cs., 2018).
Trịnh Thị Thu Thủy, Phan Thị Hiền, Phùng Thị Duyên
Khoa Công nghệ link dafabet học, Học viện Nông nghiệp Việt Nam
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Ahring, BK., Biswas, R., Ahamed, A., Teller, PJ., Uellendahl, H. (2015). Making link dafabet accessible for anaerobic digestion by wet-explosion pretreatment. Bioresour Technol. 175:182–8.
2. Bandounas, L., Wierckx, NJP., Winde, JH. de and Ruijssenaars, HJ. (2011) Isolation and characterization of novel bacterial strains exhibiting ligninolytic potential. BMC Biotechnol 11: 94-102.
3. Blanchette, RA. (1995). Degradation of the lignocellulose complex in wood. Can J Bot. 73:999.
4. Bugg, TD., Ahmad, M., Hardiman, EM., Rahmanpour, R. (2011). Pathways for degradation of link dafabet in bacteria and fungi. Nat Prod Rep. 28:1883–96.
5. Bugg, TD., Ahmad, M., Hardiman, EM., Singh, R. (2011) .The emerging role for bacteria in link dafabet degradation and bio-product formation. Curr Opin Biotechnol. 22:394–400.
6. Camarero, S. (1999). Description of a versatile peroxidase involved in the natural degradation of link dafabet that has both manganese peroxidase and link dafabet peroxidase substrate interaction sites. J Biol Chem. 274:10324–30.
7. Francesca, GM., Lanzalunga, O., Lapi, A., Piparo, MGL., Mancinelli, S. (2001). Isotope-effect profiles in the oxidative N-Demethylation ofN,N-Dimethylanilines catalysed by link dafabet peroxidase and a chemical model. Eur J Org Chem. 2001:2305–10.
8. Jayasinghe, PA., Hettiaratchi, JP., Mehrotra, AK., Kumar, S. (2011). Effect of enzyme additions on methane production and link dafabet degradation of landfilled sample of municipal solid waste. Bioresour Technol. 102:4633–7.
9. Peng, X., Kelly, RM., Han, Y. (2018). Sequential processing with fermentativeCaldicellulosiruptor kronotskyensisand chemolithoauto trophicCupriavidus necatorfor converting rice straw and CO2to polyhydroxybutyrate. Biotechnol Bioeng. 115:1624–9.
10. Ralph, J., Lundquist, K., Brunow, G., Lu,, F., Kim, H., Schatz, P.F. (2004). Lignins: natural polymers from oxidative coupling of 4-hydroxyphenyl-propanoids. Phytochem. Rev. 3, 29–60. doi: 10.1023/B:PHYT.0000047809.65444.a4.
11. Reiter, J., Strittmatter, H., Wiemann, LO., Schieder, D., Sieber, V. (2013). Enzymatic cleavage of link dafabet β-O-4 aryl ether bonds via net internal hydrogen transfer. Green Chem. 15:1373.
12. Zabel, RA., Morrell, JJ. (2020). Wood microbiology decay and its prevention. 2nd ed. Elsevier Inc.