ماهیت و قابلیت های سیستم های آنزیمی سیتوکروم p450 در حذف آلاینده های مقاوم  

 نویسندگان :       دکترحسین معصوم بیگی[1]  ، دکتر عباس رضائی2       

         اهداف آموزشی : از خواننده مقاله انتظار می رود:

          

1-     ماهیت آنزیم های سیتوکروم p450 را بشناسند.

2-     انواع آنزیم های سیتوکروم p450 در باکتری ها را شرح دهند.

3-     قابلیت ها و کاربردهای آنزیم های سیتوکروم p450 را توضیح دهند.

4-     ضرورت استفاده از آنزیم ها در حذف آلاینده های زیست محیطی را بیان نمایند.

 

خلاصه

آنزیم ها در حذف آلاینده ها و پاکسازی محیط نقش یک بیوکاتالیزور را ایفا می نمایند و می توانند آن ها را احیاء کنند. انواع آنزیم ها هر کدام وظیفه خاصی بر عهده دارند و می توانند در متابولسیم رنج گسترده ای از ترکیبات داخل سلولی و خارج سلولی در موجودات زنده نقش موثری ایفاء نمایند. سیستم های آنزیمی سیتوکروم p450 نسبت به سایر سیستم های آنزیمی دارای قابلیت های بالائی در تجزیه طیف گسترده ای از آلاینده های زیست محیطی هستند. متابولسیم بسیاری از ترکیبات آلی پیچیده از قبیل استروئیدها، اسیدهای چرب، بيل اسیدها، پروستاگلادین ها و کلوترین ها و همچنین اگزوبیوتیک ها شامل بیشتر داروهای تراپوتیک و آلاینده های زیست محیطی، توسط این دسته از آنزیم ها انجام می شود. با توجه به اهمیت سیستم های آنزیمی بویژه سیستم آنزیمی سیتوکروم p450 در این مقاله ضمن معرفی بعضی قابلیت های آن ها، نقش سیستم های آنزیمی در پاکسازی محیط زیست مورد توجه قرار گرفته است.

 

مقدمه:

  روش های متداول فرایندهای شیمیایی طی دهه های گذشته جهت تولید، جداسازی و آنالیزآلاينده ها، در حد قابل توجهی مورد استفاده قرار گرفته اند. طی بکارگیری این روش ها نه فقط راندمان و ایمنی بلکه حفظ محیط زیست و منابع و کاهش مصرف انرژی مورد توجه خاص بوده است . یکی از امید بخش ترین استراتژی ها استفاده از آنزیم ها است. استفاده از آنزیم ها در کاتالیز آلاینده ها، نسبت به روش های شیمیایی دارای مزیت های زیادی است که در بین آن ها راندمان بالای کاتالیز و اختصاصی بودن آنزیم ها در واکنش تجزيه سوبسترا ها و تولید محصولات نهائی کمتر، قابل توجه است(1).

آنزیم ها مولکول های پروتئینی اصلی در طبیعت هستند که بعنوان کاتالیزور واکنش های بیوشیمیایی، در حیوانات، گیاهان و سلول های میکروبی عمل می کنند. آنزیم ها دارای کاربردهای تجاری در صنایع غذایی مثل تولید پنیر، دترجنت ها، پزشکی، داروسازی و صنایع نساجی می باشند(2).

آنزیم ها معمولاً در شرایط متوسط دما، فشار و pH با میزان واکنش مورد نظر بهره برداری می شوند. این شرایط مناسب منجر به کاهش مصرف انرژی و کاهش هزینه ها می شود و مشکلات زیادی در بهره برداری از آن ها وجود ندارد. بویژه در مورد ترکیبات پروتئینی وچربی ها که قابل تجزیه بیولوژیک هستند و به آسانی از جریان های آلوده حذف می شوند(1). در واقع  نقش اصلی آنزیم ها کاهش انرژی فعال سازی مورد نیاز واکنش های شیمیایی است.

کاربرد آنزیم ها در تصفیه و فرایندهای حذف آلاینده ها رو به توسعه است. پیشرفت های اخیر بیوتکنولوژی سبب شده تا تولید سیستم های آنزیمی ارزانتر و دسترسی به آن ها سریعتر باشد(3).

 

آنزیم ها کاتالیست های بیولوژیک و کاتالیزکننده بخش مهمی از گزنوبيوتيك ها هستند و غالباً  واکنش ها و فرایندهای خاصی مثل اکسیداسیون و احیاء، هیدروژن زدائی، هالوژن زدائی، هیدراسیون، دهیدراسیون و ... را کاتالیز می کنند.

بنابراین آنزیم ها در یک محدوده وسیعی عمل مي کنند ولی گستردگی کاتالیزهای شیمیایی را ندارند و آن هم به علت محدودیت های ناشی از کاربرد آنزیم هاست. توانایی بعضی میکروارگانیسم ها و آنزیم ها در حذف آلایند های سمی اخیرا بطور گسترده ای  مورد توجه قرار گرفته است.

شناسایی و تشخیص راه های تجزیه بیولوژیکی آلاینده ها توسط میکروارگانیسم ها و سیستم های آنزیمی آن ها نقطه آغاز کاربردهای محیطی بیوتکنولوژی است. در بین انواع سیستم های آنزیمی قابل کاربرد جهت تصفیه و حذف آلاینده های زیست محیطی سیستم های آنزیمی سیتوکروم 450p  از جایگاه خاصی برخوردارند(4).

اخیراً توجهات علمی و عمومی به اثرات بالقوه بعضی شبه هورمون های شیمیایی، روي سلامتی و حیات انسان متمرکز شده است(5).

امروزه بیشترین تحقیقات در حذف آنزيمي آلاينده ها، روی توسعه فرایندهای آنزیمی تصفیه فاضلاب متمرکز شده است.به عنوان مثال تشریح تصفیه فاضلاب به کمک سیستم های آنزیمی پراکسیداز،فنول اكسيداز، دی اکسیژناز، شبه فنول اكسيداز(سیدروفورز) و بعضی جنبه های پاکسازی خاک از طریق تثبیت سازی آنزیمها به شدت مورد توجه قرار گرفته است(3).

 

آنزیم های سیتوکروم 450p در تمام سر سلسله اصلی موجودات زنده یعنی یوکاریوت ها، اوباکترها و آرکئوباکترها حضور فعال دارند و بخش عمده ای از آن ها تا بحال شناسایی شده اند. اولین گزارش مربوط به فعالیت سیتوکروم توسط آقای کلین برگ و همکارانش در سال 1958 ارائه شده و ایشان وجود یک پيگمان باند شده در میکروسومال با مونواکسید کربن را گزارش کرده بود. بعدها مشخص شد این آنزیم یک پیک جذب بی نظیر در طول موج nm450 دارد و زمانی که هموپروتئین های طبیعی شناسایی شدند نام سیتوکروم 450p را برآن نهادند. حرف p هم حرف اول کلمه pigment است و به این صورت سیتوکروم 450p به عنوان یک آنزیم با قابلیت های زیادی شناسایی و بطور دائم مطالعات گسترده برای شناسایی آن ادامه پیدا کرد و تا جولای 2006 بیش از 6000 سیتوکروم 450p در سطح جهان در انسان ها، حیوانات، گیاهان یوکاریوت ها، باکتری ها و آرکئوباکترها شناسایی و نام گذاری شد(6و7). امروزه نام سیتوکروم450p به عنوان نام اصلی خانواده بزرگ هموپروتئین ها یعنی پروتئین های دارای آهن شناخته شده است و آن ها را به صورت مخفف CYP450 یا CYP هم نمایش می دهند(شکل1) (6).

شکل1: مدل ساختار سه بعدی یک آنزیم مونواکسیژناز450p

 

ماهیت آنزیم های سیتوکروم 450p

450p ها یک مخلوطی از مونواکسیژناز دارای حدود500 اسید آمينه ویک گروه آهن در جایگاه فعال خود هستند. آنزیم های سیتوکروم 450p ها جزء آن گروه از آنزیم هایی هستند که در اکسیداسیون بعضی ترکیبات از آهن استفاده می نمایند و با محلول ساختن مواد بالقوه خطرناک و زائد در آب، براحتی شرایط اکسیداسیون آن ها را فراهم می نمایند(8 ).

 450p ها تسریع کننده و تسهیل کننده و کاتالیز کننده انواع واکنشها مثل اکسیداسیون و احیا، دی آسکالاسیون، O- دی الکالاسیون، S- اکسیداسیون و هیدراکسیلاسيون می باشند. یک فرایند متداول واکنش کاتالیزی سیتوکروم عبارت است:

NADPH + H + + O2 + RH                    NADP + + H2O + R -OH

طبق مطالعات و برآوردهای انجام شده انسان ها، حداقل57 نوع ژن مختلف سیتوکروم و 33 سودوژناز در 18 خانواده و42 عضو يا زير مجموعه خانواده شناخته شده، دارند و تنوع  و اختلاف خانواده ها مربوط به فرم های مختلف این آنزیم است(7و9).

 

یکی از مراکز اصلی این آنزیم در بدن انسان کبد می باشد و وظیفه اصلی آن ها حذف دارو و مواد سمی و شیمیایی زائد است. مطالعات انجام شده روی حیوانات نشان داده است که آنزیم های سیتوکروم 450p نقش مهمی در متابولیسم داروها و سموم شیمیایی و خارجی بر عهده دارند(10).

انجام واکنش های کاتالیز شونده با سیتوکروم450p نیازمند یک الکترون دهنده و مولکول اکسیژن است. که الکترون دهنده در واقع NADPH یا NADP می باشد.

تقسیم بندی کلی آنزیم های سیتوکروم450 p به صورت ذیل است:

Family                subfamily                Isoforms.(specific  genome)                     

1-    خانواده(Family): محتوای ژني هر خانواده سیتوکروم 450p باید دارای حداقل 40% مشابهت در اسید آمینه ها باشد. حداقل 74 خانواده سیتوکروم450p با این خصوصیات وجود دارند که 70 خانواده آن ها مربوط به انسان است. خانواده با یک شماره ایی معرفی می شود مثل CYP2 یا CYP21.

2-    اعضا و زیر مجموعه هر خانواده: زیرمجموعه یک خانواده باید حداقل 55% هویت آن ها مشابه باشد. برای معرفی اجزا یا اعضای آن خانواده بعد از نام خانواده از حروف استفاده می شود مثل CYP3A   وCYP2D.

3-    ژن های ویژه یا ایزوفورم ها: که 5 مورد از ژن های مهم در انسان هستند و برای معرفی ایزوفرم های مختلف اعضای هر خانواده بعد از نام اعضاء خانواده عدد دیگری اضافه می شود مثل CYP51A3 بدین وسیله می توانیم یک سیتوکروم را بطور کامل از روی نام گزاری آن شناسایی کنیم(8).

 

CYP450 در  باکتری ها

همانطور که بیان شد  CYP450در تمام سر سلسله اصلی موجودات زنده یعنی یوکاریوت ها، اوباکترها و آرکئوباکترها حضور فعال دارند که بخش عمده ای از آن ها تا بحال شناسایی شده اند. به نظر می رسد وجود این گروه آنزیم ها در یوکاریوتها ضروری است اما درپروکاریوت ها اینگونه نباشد، چون بعضی باکتر ی ها این آنزیم را ندارند. یوکاریوت ها برای بیوسنتنر استروئیدهایي که محتوی ممبران پلاسمایی هستند به این آنزیم محتاجند. آنزیم های سیتوکروم 450p در یوکاریوت ها ممکن است داخل ميتوكندري ها باشند و یا با یافت ایندوپلاسمایی ممبران باند شوند. در هر حال این آنزیم به یک زنجیره نقل و انتقال الکترون نیاز دارد که در بافت های ایندو پلاسمایی به نام NADPH- CYP450 Reductase می باشد که قبلاً بنام NADPH – Cytochrome C Reductase نامیده می شد. در ميتوكندري ها جابجایی الکترون ها از NADPH بوسیله فرایند ذیل انجام می شود:

Redoxin Reductase                   Redoxin                    p450 سیتوکروم 

تا بحال 153 خانواده از باکتر ی های دارای آنزیم سیتوکروم 450p شناسایی شده اند که جمعاً 500 باکتری دارای آنزیم CYP450   می شود(6).

این آنزیم در باکتر ی ها اغلب جزء آنزیم های محلول در آب بوده و در فرایندهای سوخت و ساز باکتر ی ها فعال هستند. سیتو کروم 450p جدا شده از سود وموناس پوتیدا به عنوان اولین آنزیم سیتو کروم 450p جدا شده از باکتر ی ها از طریق کریستالوگرافي  بوسیله اشعه x شناسائی شده است و به عنوان مدلی مناسب برای بسیاری سیتو کروم 450p های دیگر کاربرد داشته است. این آنزیم بخشی از سیکل Campher- hydroxylating catalytic cycle می باشد که شامل نقل و انتقال و جابجایی دو الکترون از پوتیدوردوکس(اکسیداسیون پوتیدا) و یک گروه و باند 2Fe---2S محتوی کوفاکتور پروتئینی است.

سیتوکروم CYP450-eryFاز باکتری اکتینومایست، ساكاروپلياسپورا اديترا که مسئول بیوسنتر آنتی بیوتیک اریترومایسین می باشد، جدا شده است.

معمولاً در مناطق آلوده که حضور انواع  میکروارگانیسم ها مورد انتظار است. سیستم های آنزیمی خاصی یافت می شوند و می توانند الگوی مناسبی باشند. از جمله یکی از مهمترین سیستم های آنزیمی شناخته شده و موارد مطالعه و مورد علاقه برای مطالعه Cytochrome P450 monooxygenaseها می باشند. که قابلیت حضور بیوکاتالیزوری فعال در متابولیسم رنج گسترده ای از ترکیبات و آلاینده های زیست محیطی را دارا می باشند(11).

سیتوکروم 450p بویژه CYP1A1ها، بیومارکری مناسب برای ارزیابی قابلیت دسترسی بیولوژیکی به آلاینده های خاک و اثرات آن ها روی گونه های عالي می باشند( 12).

در پروکاریوتها، غالب سیتوکروم 450p هاي شناسایی شده تا این تاریخ مربوط به اکتینوباکترها(با درصد GC بالاي 60% و گرم مثبت ) شامل استرپتومسینرها، مایکوباکتریوم ها و همچنین رود وکوکوس ها و گونه های سود و موناس می باشند. این گروه باکتر ی ها بیشتر  میکروارگانیسم های خاک هستند و بویژه اینکه در صنایع دارویی بصورت مصنوعی در حد بالایی تولید و مصرف و سپس دفع می شوند.

سیتوکروم 450p در اکتینوباکترها دو وظیفه اصلی بر عهده دارند یکی بهینه کردن فرایند اکسیداسیون و سوخت و ساز ثانویه و یکی سم زدائی و متابولیسم ترکیبات خارجی Xenobiotic  می باشد(13).

در بین سیتوکروم باکتر ی های شناخته شده تا بحال 7 مورد ژن کامل آن ها مربوط به باسیلوس سوبتیليس است و 20 مورد مربوط به ژنوم مایکوباکتریوم توبرکلوزیس می باشد. جداسازی باکتر ی ها بر اساس سیتوکروم 450p آن ها کمی مشکل است چون آن ها بسیار نزدیک و شبیه هم بوده و همپوشانی بالائی دارند چون تعداد زیادی از آن ها از یک خانواده هستند و به همین علت تعیین موقعیت آن ها در سلسله درخت فیلوژنیک به کمک فقط سیتوکروم 450p کاری مشکل است(13).

نيتريفايرها و دنيتريفايرهاي دارای سیتوکروم 450p

نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون فراینده های بسیار مهمی در چرخه بیولوژیکی نیتروژن در جهان هستند برای مدت بسیار طولانی دنیتریفیکاسیون جزء خصوصیات پروكاريوت ها شناخته می شد ولی مطالعات انجام شده نشان دهنده حضور گسترده انواع  میکروارگانیسم های مختلف دارای این قابلیت در محیط زیست می باشند.

به عنوان مثال در بین قارچ ها که اولین یوکاریوتیک بیهوازی اختیاری شناخته شده هستند، قارچ های فوزاریوم اکسی سپوریوم به عنوان اولین قارچ دارای سیتوکروم 450p که تحت شرایط بیهوازی توانایی تبدیل NO3 به NO2 و سپس به N2O را دارد شناسایی شده است(14).

تخمیر آمونیاکی هم در بسیاری از قارچ های خاک ها انجام می شود. انواع مخمرهای دنیتریفیکاسیون کننده دارای آنزیم های سیتوکروم 450p مثل تریکوسپورون کاتانیوم، فلومیسزفوزوتسینر و گونه های کاندیدیا که نقش مهمی در تبدیل NO2 به N2O برعهده دارند، نیز شناسایی شده اند(14).

بررسی مطالعات مذکور نشان داده است که حضور سیانید، فلزات سنگین و عناصر جزئی و آنتی بادی های ساخته شده در مقابل سیتوکروم 450p و حضور O2 بطور جدی از ادامه فرایند دنیتریفیکاسیون توسط قارچ ها و مخمرها ممانعت می نماید(14و15). باکتری های دارای قابلیت دنیتریفیکاسیون در حد گسترده ای در قالب درخت فیلوژنیک در گروه ها و فرم های مختلف حضور  دارند که غالباً از کلاس های آلفا و بتا پروتئوباکترها هستند ولی یک الگوی مشخصی از فراوانی آن ها در دسترس نمی باشد. فرایند دنیتریفیکاسیون جزء وجودی آن گروه از باکتر ی هایی است که با تنفس نتیراتی خود ابتدا NO3 را به NO2 و سپس به فرایند آمونیفیکاسیون وارد می سازند.  

 دنیتریفایرهای اتوتروف ترکیبات سولفور معدنی یا غیر آلی، H2، آمونیاک یا نتیریت را مصرف می کنند و اخیراً متوجه شده اند که اکسیداسیون آهن هم، در تکیمل فرایندهای دنیتریفیکاسیون بصورت ذیل وارد واکنش می شود.

10FeCO3+ 2NO3- +24H2O    10 Fe (OH)3 + N2 + 10 HCO3- + 8H+

این واکنش بخوبی توسط دنتیریفایرهای گرم منفی جدا شده جدید انجام می شوند.

در بین کربواکسیدوتروفیک باکتری ها، فقط سودوموناس کربواکسیدوهیدورژناز بصورت اتوتروفیک تحت شرایط دنتیریفایرها با حضور H2 به عنون الکترون دهند و CO2 به عنوان منبع کربن رشد می نمایند.

بسیاری دنتیریفایرهاNO-3 را به N2O تبدیل می نمایند ولی سودوموناس پوترفاسین ها فرایند دنتیرفیکاسیون و آمونیفیکاسیون را کامل انجام می دهند(16).

از طرفی کاهش نیترات به عنوان یک فرایند فتوسنتتیک ژنی می تواند مورد توجه قرار گیرد. فرایند جذب نیترات و نیتریت رداکتاز از طریق ferredoxin انجام می شود. انتقال الکترون به نتیروژناز در باکتری رودو باکترکپسولاتوس می تواند مثال خوبی از یک فرایند جذب و دریافت الکترون از یک کمپلکس ممبرانی باشد.

بطور کلی سه دسته باکتر ی های احیاء کننده نتیرات داریم که بسته به نوع ارگانیزم از فردوکسین (ferredoxin)، فلاوودواکسین (Flavodoxin) و یا NADH به عنوان الکترون دهنده استفاده می نمایند.

معمولاً دو نوع آنزیم کاتالیزکننده نتیرات یا نیتریت رداکتاز وجود دارد. که بسته به نحوه انتقال الکترون از لایه سیتوپلاسمی باکتری داردکه عبارتند از:

1)Nar Nitrate Reductase

2) Nap Nitrate Reductase

آنزیم اول با لایه ممبران باند می شود و الکترون از هرجائی دریافت می کند و در ساختار ژنی خود دارای سه پلی پپتید است .آنزیم دوم در پروتوپلاسم قرار دارد و الکترون ها را دریافت میکند. کاهش نیترات توسط سیستم نار Nar در سیتوپلاسم اتفاق می افتد(17).

یوکاریوت های دنتیریفایر، در دو گروه Cytochrome cd1 nitrite Reductase و

 Cu-Containing Nitrite Reductase  توزیع  می شوند.

با توجه به اینکه در مطالعه ما هدف بررسی و شناسایی باکتر ی های دارای آنزیم سیتوکروم p450 موثر در فرایند دنیتریفیکاسیون می باشد در این قسمت تعدادی از آن ها را بررسی می نمائیم.

دنيتريفايرهاي داراي سیتو کروم 450p

کاهش ترکیبات معدنی نیتروژن مثل NO3- وNH4+ در پساب ها از طریق پالایش زیستی مورد توجه می باشد. حذف NO3 به کمک میکراگانیزم ها طی دو فرایند صورت می گیرد یکی اکسیداسیون NH4+ به NO3- بوسیله باکتری های نیتریفایر تحت شرایط هوازی و دیگری تبدیل NO3 به NO2 بوسیله باکتری های دنیتریفایر تحت شرایط بیهوازی می باشد. یکی از باکتری های دارای قابلیت بالا برای کاهش NO3باسیلوس لیکنوفورمیس شماره 42-40 می باشد این باکتری حتی در حضورNH4+ توانایی جذب و احیاء  NO3 را حتی تحت شرایط هوازی دارد(18).

باکتری رودوسودوموناس پالوستریس یک باکتری از کلاس آلفاپروتئوباکترهاست که به عنوان یک شاخص مناسب، توزیع گسترده ای در مواد زائد لاگون ها، رسوبات دریایی، پساب برکه های تثبیت و زمین های باتلاقی دارد، و قابل شناسایی و جدا کردن می باشد. تحت هر يك از شرایط مختلف متابولیسی مثل شيميوهتروتروفيك، شيميواتوتروفيك، فوتوهتروتروفيك و فوتوتروفيك با حضور و یا عدم حضور اکسیژن می توانند رشد کنند و از مواد معدنی زیادی به عنوان الکترون دهنده تغذیه و استفاده وکربن و نیتروژن مورد نیاز خود را تامین نمایند. این باکتری قادر است با تجزیه بیولوژیک، بقایای بیومس گیاهی و آلاینده های کلردار را مصرف نموده و اقدام به تثبیت نیتروژن نمایند. این باکتری قابلیت تطابق خود با شرایط محیطی را دارد و با تغییرات نور، کربن و نیتروژن و منابع الکترونی، خود را سازگار می کند. این باکتری قادر به متابولسیم رنج گسترده ایی از ترکیبات آلی شامل اسیدهای چرب، اسیدهای دی کربوکسیلیک و مونومرهای لیگنین می باشد. در این باکتری دو سیستم آنزیمی فعال است یکی ژن های آنزیم اکسیداز كه اين باكتري را قادر به استفاده از نیتریت و NO و N2O به عنون الکترون دهنده تحت شرایط تنفسی بیهوازی می کند. این باکتری در تصفیه خانه های فاضلاب یافت می شود و در تجزيه بیولوژیکی ترکیبات محتوی نیتروژن مثل آمینواسیدها هم نقش موثری دارد. ژنوم این باکتری محتوی 19مونو یا دی اکسیژناز و4 ژن سیتوکروم450p می باشد. البته ژن های دیگری هم كه در ایفای نقش بیوکاتالیزوری این میکروب موثرند، وجود دارند. 4گروه ژنی آنزیم های اکسیداز از این باکتری، با اکسیژن وارد واکنش می شوند که عبارتند از: سیتوکروم d کوینوال اکسیداز، سیتو کروم aa3 اکسیداز، سیتوکروم cbb3 اکسیداز و کونیوال bd اکسیداز.

ژن های فتوسنتز کننده قادر به استفاده از نور به عنوان منبع انرژی طی سیکل فتوفسفوریلشن تحت شرایط بیهوازی می باشند(17).

یکی دیگر از دنیتریفایرهای شناخته شده باکتری سودو موناس یی کی تی است این باکتری با تولید گاز N2 از NO3-  از گرم منفی های غیر تخمیری جدا می شود(19).

در بین پروکاریوت ها دو دسته اصلی دنیتریفایر داریم که یکی از آن ها Cytochrome cd1 Nitrite Reductase و دیگری Cu- Containing Nitrite reductase می باشد(16).

 

نقش سیستم های آنزیمی در پاکسازی محیط زیست

توسعه فعالیت های کشاورزی و صنعتی راه  ورود آلاینده های زیادی را به محیط زیست هموار کرده كه آلودگی آب های سطحی و زیرزمینی ماحصل آن بود. مهمترین آلاینده های وارد شده به منابع آب های زیرزمینی شامل PAHS ، هیدروکربن های نفتی، فنول ها، PCBS ، حشره کش های ارگانوفسفره، azodyes و فلزات سنگین بویژه 6+Cr بدلیل مصرف بالای ترکیبات کروم در صنایع و ترکیبات داروئی می باشند.

معمولاً میکروارگانیسم هایی در مقیاس وسیع با اهداف محیطی کاربرد دارند که فعالیت های کاتالیستی طبیعی داشته باشند. تصفیه آنزیمی حداقل اثرات را روی اکوسیستم دارد و خطر و تهدید ناشی از آلودگی بیولوژیکی را هم ندارند. آنزیم ها قابليت عمل کردن در رنج گسترده ای از pH و دما و درحضور یون های قوی را دارند و ممکن است حتی در حضور غلظت بالای حلال های آلی که مولکول های آلاینده محلول هستند فعال باشند.

آنزیم ها نقش مهمی در توسعه آلترناتيوها یا فرایندهای بیولوژیکی کامل با قابلیت و کاربرد بالقوه در خصوص صنایع آلاینده دارند. علی رغم کاربرد آنزیم ها در پالایش زیستی وپاکسازی آلاینده های حاصل از فرایندهای مختلف، فعالیت اکسیداسیون آنزیم ها ممکن است تحت تاثیر عوامل مختلفی مثل قابلیت تجزیه بیولوژیکی بودن آلاینده ها، و پایداری کم آنزیم ها هنگام بهره برداری، تحت شرایط محیطی محدود شود. البته چندین استراتژی این قابلیت ها و قدرت فعالیت کاتالیستی پراکسیدازها را اصلاح می کند.

در سال های اخیر تحقیقات گسترده ايي در خصوص کاربرد آزمایشگاهی سیستم های آنزیمی اکسیدکننده (مثل لاكازها، پراکیسدازها، سیتوکروم P450 ومنواکسیژنازها) سبب توسعه و پیشرفت فعالیت ها و مقاومت و پایداری در مقابل دما و حلال های آلی شده است.

بکارگیری آنزیم ها در بخش پالایش زیستی مورد توجه خاص است ولی لازم است ابتدا تحقیقات و تلاش هايی در خصوص روش ها و غربالگري کار و جداسازی انجام شود، و سپس روی بهینه کردن شرایط برای کشف گزينوبيوتيك ها تلاش شود.

پس شرط موفقیت بکارگیری آنزیم ها در بخش فعالیت های محیطی تا حد زیادی بستگی به اتوماسیون روش ها دارد. شناسائي ژنوم میکروب ها یک  رشته جدیدی است که قادر است در بخش فعالیت های محیطی هم ما را کمک کند. پیش بینی می شود بیش از 90% میکروارگانیسم های محیطی(همچنین آن هائي كه منشاء آلودگی مزمن مي شوند)، نمی توانند روی محیط کشت خالص رشد کنند و در باره فعالیت آنزیمی آن ها خیلی کم می دانیم. امروزه امکان دست یابی به ژنوم میکروب های غیر قابل کشت محیطی از طریق بانک های ژنی وجود دارد و مي توان  ژن های کدینگ پروتئین های آن ها را شناسایی کرد و از روش های بیوشیمیایی بهره مند شویم. برای اين مسئله با توجه به اهداف ،سیستم های آنزیمی یافت شده در مناطق آلوده می توانند به عنوان الگوهایی برای بعضی شرایط، جهت رنج گسترده ايي، از مشکلات زیست محیطی به اجرا گذاشته و توسعه داده و بکارگیری شوند.

امروزه استفاده از  میکروارگانیسم ها در حذف و تجزیه آلاینده های محیطی بسیار قابل توجه می باشد. بخصوص که  میکروارگانیسم ها با سیستم های آنزیمی خود و با حداقل اثرات سوء بر محیط زیست و کمترین خط و تهدید ناشی از آلودگی بیولوژیکی، قابلیت عملكرد در رنج گسترده ای از pH و دما و در حضور یون های قوی و ترکیبات دیگر را دارند و حتی ممکن است در حضور غلظت بالای حلال های آلی و آلاینده های محلول فعال باشند. آنزیم ها نقش موثری در توسعه گزینه ها و فرایندهای بیوتکنولوژیکی با قابلیت بالا و کاربرد بالقوه در خصوص کنترل و حذف آلاینده های ناشی از صنایع دارند. البته ممکن است تحت تاثیر شرایط مختلف محیطی مثل قابلیت تجزیه بیولوژیک بودن آلاینده ها و یا پایداری کم آنزیم هنگام بهره برداری در شرایط محیطی با محدودیت های مواجه شوند ولی استرتژی هایي برای اصلاح این محدودیت ها و افزایش توان و قدرت و قابلیت های كاتاليستي آنزیم ها وجود دارد تا آنزیم ها را اصلاح کند مثل اصلاح شیمیایی آنزیم ها با کمک ابزارهای ژنتیکی مناسب و یا کلنی کردن میکروب در شرایط میزبانی مناسب و تولید مقادیر زیادی آنزیم و وارد کردن مستقیم آنزیم ها به محیط مورد توجه هستند.

امروزه استفاده وکاربرد آنزیم ها در تجزیه بیولوژیک و بخش پالایش زیستی بشدت مورد توجه و علاقه محققین است. با توجه به امکان دسترسی به ژنوم میکروب های غیر قابل کشت محیطی از طریق بانک های ژنی و ژن های کدينگ شده پروتئین ها، امکان شناسائی آن ها فراهم شده است.

با توجه به گرانی روش های تصفیه و حذف شیمیایی آلاینده های متنوع تولیدی در سطح جامعه و صنایع، کاربرد سیستم های آنزیمی  میکروارگانیسم ها نقش بسیار مهمی در رفع مشکلات ثانویه آن روش های قبلی خواهد داشت.

 

 

P450 مونواکسیژناز

متابولیسم دارو

 

ساخت دارو

 

مواد شیمیائی و عطرها

پالایش زیستی

پایداری

فعالیت

 

اختصاصی بودن

الکترون دهنده ها

کاربرد آنزیم های اکسید کننده به عنوان بیوکاتالیست ها، در راستای اهداف زیست محیطی بوده و علاوه بر نداشتن خطرات زیست میحطی و تهدیدات ناشی از آلایندگی، یک توانایی بالقوه در راستای مصرف کمتر و بهینه انرژی است و شرایط خاصی را فراهم می نماید(16). در شکل2 نموداری از کاربردهای آنزیم های 450p مشاهده می شود(20).

  

 

 

 

شکل2: کاربردهای آنزیم های 450p

 

در کنار آلاینده های متنوع وارد شده بر محیط زیست آلودگی منابع آب های زیرزمینی و سطحی با نیترات و نیتریت هم مورد توجه می باشد(21).

 

 

 

نتیجه گیری  

 امروزه قوانین زیست محیطی مرتبط با مواد زائد خطرناک بر توسعه روش ها و استراتژی های جدید دوستدار محیط زیست تاکید دارند. چون روش ها و تکنیک های شیمیایی، گران و در مقیاس اجرائي، در بسیاری موارد تکنیک های آن ها به آسانی قابل کاربرد نیست و انجام بسیاری فعالیت های طبیعی تحت تاثیر  میکروارگانیسم های مختلف ممکن و استراتژی های جدیدی قابل طرح می باشند. کاربرد آنزیم های اکسیدکننده به عنوان بیوکاتالیست برای اهداف زیست محیطی یک توان بالقوه ای را در جهت مصرف انرژی کمتر و شرایط خاص مورد نیاز فراهم می نماید و کاربرد این فن آوری های جدید اثرات زیادی در رابطه با کاربرد آنزیم ها،  برای توسعه تکنولوژی های دوستدار محیط زیست داشته باشند. امروزه علاقه زیادی به بررسی آنزیم های سیتوکروم p450 برای کاربردهای عملی این آنزیم وجود دارد. اطلاعات مربوط به استفاده از آنزیم های سیتوکروم p450 در فرایندهای صنعتی بسیار محدود است. افزایش بیشتر، استفاده از آنزیم های سیتوکروم p450 در زیست پالایی سبب علاقه بیشتر به تحقیقات روی این سیستم آنزیمی شده است و انتظار است پیشرفت های سریعی در بیوتکنولوژی با استفاده از آنزیم های سیتوکروم p450 در پیش باشد.

  

سوالات

1- سیستم های آنزیمی سیتوکروم 450p را معرفی نمائید؟

2-  سیستم های آنزیمی سیتوکروم 450p در حذف چه آلاینده هائی کاربرد دارند؟

3-     تقسیم بندی کلی سیستم های آنزیمی سیتوکروم 450p را توضیح دهید؟

4-    ضرورت استفاده از سیستم های آنزیمی در حذف آلاینده های زیست محیطی چیست؟

 منابع

 1.Barbara K. A review:Application of chitin- and chitosan-based materials for enzyme immobilizations  Enzyme Microb Tec. 2004;35:126–139.

 2.Gabriel Bitton . Wastewater Microbiology .3rd ed. by John Wiley & Sons, Inc. Wiley. 2005.p 46-50.

 3.Nelson D, Elisa E. Review Potential applications of oxidative enzymes and pHenoloxidase-like compounds in wastewater and soil treatment: a review. Appl Catal B- Environ.2000;28: 83–99.

 4.Tripathi R.C. Biotechnological Processing steps for Enzyme Manufaturing. gene – tech  books-2006.p 1-6.

 5.Diano N and etal. Non-isothermal bioreactors in enzymatic remediation of waters polluted by endocrine disruptors: BPA as a model of pollutant.  Appl Catal B- Environ. 2007;69: 252–261.

 6.Hirofum S, Tatsuo T. Denitrification by the fungus fusarium oxysporum and Involvement of Cytochrome p-450in the Respiratory Nitrite  Reduction. J Biol Chem. 1991;266 :17(15)p11078-82.

 7.Review of the Literature. Xenobiotic – metabolizing CYP450 enzymes in human cytochrome p450 (CYP) enzymes.2000. http://herkules.oulu.fi/isbn9514258649/html/c172.html.

 8.Nelson D. Bacterial P450 Links . 2004   Estimate 90 Bacteria P450 Genes  March 8.

 9. The worldwide Physiologist  Cytochrome p450   Clinical section Isoform tables.11.16.2006.

http://www.anaesthetist.com/physiol/basics/metabol/cyp/Findex.htm#cyp.htm.

 10. Review of the literature. In Search of models for hepatic and Placental. Pharmaco kinetics. Chapter 2. Review of the Literature. 2003. oulu university library.

http://herkules.oulu.fi/isbn9514258649/html/c172.html

 11. David  C et al. The Cytochrome p450 complement (cypome) of Streptomyces Coelicolor A3(2). JBC Papers in press. Published on Aprill 9. 2002 as manuscript M111109200.

www.jbc.org/content/277/27/24000.full.pdf.

 12.Ackerley D.F. Chromate – Reducing Properties of soluble flavoproteins from Pseudomonas Putida and E. Coli. Appl Environ Microb.2004; p: 873-882.

13. Chi – Wen L, Hung- Chun L, chi – Yung L. MTBE biodegradation and degrader microbial Community dynamics in MTBE, BTEX, and heavy metal –contaminated water. Int biodeter  biodegr. 2007; 59: 2:P 97–102.

14. Jona  B. Prokaryotic Cytochrome p450s Comparison  of the CYP 105 and CYP 107 families. Biochem. 218 final project.

 15. Jon O, Lundbergi  E.W, JeffA C,Nigel B. Nitrate, bacteria and human health. Nature Reviews Microbiol.2004; 2: p593-600.

 16.Peter H. Roos.Risk Potentials for humans of original and remediated.

PAH –Contaminated Soils: apphcation of biomarkers of effete.Toxicology. 2004; 205: 3:p181-194.

  17.Humberto G, Miguel A, Antonio B. Use and improvement of microbial redox enzymes for environmental purposes. Microbial Cell factories .2004; 3:10.

 18.Wikipedia; Cytochrome p450 oxidase. The free encyclopedia. 2006;44.16.‏

19.Sayari T , etal. Denitrification by yeasts and Occurrence of Cytochrome  P450nor in Trichosporon cutaneum. FEMS microbiology letters. 1998; 168: P 105-110.

 20.Vlada B. Urlacher and Sabine Eiben.  Cytochrome P450 monooxygenases:perspectives for synthetic application. TRENDS in Biotechnology. 2006; 24 (7):324-330.

  21.Peter H. R. Risk Potentials for humans of original and  remediated PAH –Contaminated Soils: application of biomarkers of effete. Toxicology. 2004; 205:3.p181-194.



   استادیار گروه مهندسی بهداشت محیط دانشکده  بهداشت دانشگاه علوم پزشکی بقیه ا.. (عج) [1] -

  2- دانشیار گروه بهداشت محیط حرفه ای دانشکده  علوم پزشکی دانشگاه تربیت مدرس

 

+ نوشته شده توسط دکتر حسین معصوم بیگی در سه شنبه دوازدهم دی 1391 و ساعت 16:53 |