Dioksyny to grupa trwałych, silnie toksycznych związków organicznych, powstających głównie jako uboczny produkt procesów przemysłowych i spalania. Kumulują się w tkankach tłuszczowych, przenikając do organizmu w 90 procentach wraz z żywnością.

Toksyczne związki aromatyczne, takie jak dioksyny i benzen, należą do głównych zanieczyszczeń gleby. Ponieważ są bardzo stabilne chemicznie, mogą gromadzić się w glebie i przenikać do organizmów roślin, zwierząt oraz ludzi. Są rakotwórcze, zaburzają gospodarkę hormonalną, odporność i płodność.

Naukowcy od dawna pracowali nad technologiami, które pozwalałyby pozbyć się dioksyn z gleby. Wcześniejsze badania wykorzystywały metody inżynierii genetycznej, aby zwiększyć zdolność mikroorganizmów do rozkładu zanieczyszczeń.

Jednak uregulowania prawne ograniczają stosowanie mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie (GEM) w środowisku naturalnym.

Japońscy naukowcy z Nagoya University wykazali ostatnio, że nawet bez modyfikacji genetycznych bakterie glebowe, potraktowane cząsteczkami-wabikami, mogą rozkładać trwałe związki chemiczne takie jak dioksyny.

„Innymi słowy możemy skutecznie wyposażyć te bakterie w zdolności, których nie posiadają naturalnie, zachowując jednocześnie ich pierwotny stan” – powiedział profesor Osami Shoji, główny autor badania.

Profesor Shoji oraz doktoranci Fumiya Ito i Masayuki Karasawa z Nagoya University’s Graduate School of Science badali zastosowanie cytochromu P450, szeroko rozpowszechnionej grupy enzymów, które degradują i przekształcają substancje w organizmach żywych.

Cytochrom P450BM3, pochodzący z bakterii glebowej Priestia megaterium w naturalnych warunkach hydroksyluje kwasy tłuszczowe, ale nie wchodzi w interakcje z zanieczyszczeniami, takimi jak dioksyny. Ta selektywność wynika z mechanizmu klucza i zamka, który pozwala wiązać się z enzymem tylko cząsteczkom o określonym kształcie.

Naukowcy posłużyli się „wytrychem”, cząsteczkami-wabikami, które naśladują kwasy tłuszczowe, aby skłonić enzym do degradacji zanieczyszczeń. „W naszych poprzednich badaniach z powodzeniem wywołaliśmy mało prawdopodobne reakcje, oszukując enzymy za pomocą cząsteczek-wabików” – powiedział Shoji.

Cząsteczki-wabiki wiążą się z enzymami w sposób podobny do kwasów tłuszczowych. Jednak ich krótszy łańcuch uniemożliwia dotarcie do miejsca aktywnego. Taka konfiguracja tworzy ograniczoną przestrzeń reakcyjną, która pozwala cząsteczkom na wniknięcie do środka i hydroksylację. Ponieważ cząsteczki-wabiki same w sobie nie są hydroksylowane, zachowują swoją funkcję i nadal ułatwiają reakcję enzymatyczną.

Naukowcy ocenili reakcje biochemiczne 10 szczepów bakterii, z których każdy zawierał cytochrom P450BM3 lub blisko spokrewnione enzymy, używając zestawu 76 cząsteczek-wabików.

Hydroksylacja benzenu zachodziła tylko w przypadku określonych kombinacji szczep-wabik. Wśród testowanych szczepów znalazły się P. megaterium, który zawiera cytochrom P450BM3, a także inne pospolite bakterie glebowe, takie jak Bacillus subtilis, które posiadają blisko spokrewnione enzymy.

Bakterie te z powodzeniem hydroksylowały również inne związki aromatyczne, w tym toluen, ksylen i naftalen.

Co zaskakujące, w obecności cząsteczek-wabików, B. subtilis całkowicie zdegradowała związki modelowe dioksyn w ciągu dwóch godzin w temperaturze 45 stopni Celsjusza. Symulacje obliczeniowe wykazały, że cytochrom P450 w B. subtilis ma wystarczającą zdolność wiązania, aby pomieścić zarówno cząsteczkę-wabik, jak i dioksynę.

Wyniki wskazują, że aktywność hydroksylacji indukowana przez cząsteczki-wabiki u tych bakterii zwiększa rozpuszczalność zanieczyszczeń i ułatwia ich degradację. Mechanizm ten mógłby przyspieszyć usuwanie zanieczyszczeń z gleby.

Co istotne, na cząsteczki-wabiki reagowało wiele gatunków bakterii, co sugeruje, że takie podejście może mieć szerokie zastosowanie, a nie ograniczać się do konkretnego organizmu.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ zan/