Orlab On-Line Mikrobiyoloji Dergisi Yıl: 2003 Cilt: 01 Sayı: 11 Sayfa:17-21 www.mikrobiyoloji.org/pdf/702031102.pdf Beyaz Çürükçül Fungusların Yıkım Mekanizmaları 1 Steven D. Aust 2 Çeviren: Münevver Arısoy 3 Beyaz çürükçül funguslar çok sayıdaki çevre kirleticilerini ve lignini yıkmak için çeşitli mekanizmalar kullanırlar. Lignin ve çevre kirleticilerinin yıkımları için oksitleme ve indirgeme reaksiyonlarının ikisine de gereksinim duyulur. Bu funguslardaki peroksidazlar kimyasalların direkt ve indirekt oksidasyonlarını katalize eder. Bu peroksidazlar elektron vericilerinin kullanılmasıyla indirgenme reaksiyonlarını da katalizler. Bunun sonucunda indirgenmiş radikaller meydana gelir. TNT gibi kimyasalları gidermede hücre yüzey membran potansiyeli kullanılır. Anahtar kelimeler: beyaz çürükçül funguslar, biyoyıkım, oksalat, hidroksil radikal Odundaki ligninin biyolojik yıkımından sorumlu olan beyaz çürükçül funguslar çok çeşitli sayıda çevre kirleticisini kayda değer ölçüde parçalama yeteneğindedir (1-3). Genellikle parçalanmaya dayanıklı (rekalsitrant), çözünmez kimyasallar bu funguslarla mineralize edilirler. Bu funguslar oksitlenmiş bazı kimyasalları da mineralize edebilir. Bu fungusların lignini parçalama yeteneğinin, bu fungusların lignini parçalama yeteneği ile bağlantılı olduğu düşünülür (4-5). Ancak, saf oksidatif peroksidaza dayalı sistem lignini bütünüyle yıkmada kullanılamaz. Lignin yüksek derecede okside olduğundan daha ileri oksidasyonu zordur. Lignin sterokimyasal düzen içermeyen heteropolimer bir koplekstir (6). Genellikle peroksidazlara uygulanabilen oksidasyon mekanizması şekil 1 de gösterilmiştir. Kesici (parçalayıcı) enzim olarak da gösterilen enzimin ferri formu, hidrojen peroksitin iki elektronunu vermesiyle oksitlenir. Bileşik I indirgeme potansiyeli olan kimyasalların elektronuyla indirgenebilir. Bu enzim, kimyasal oksitlenirken, bileşik II olarak adlandırılan forma indirgenir. Okside veya orijinal kimyasal, bileşik II yi indirgeyerek onu tekrar parçalayıcı enzime dönüştürür. İki elektronla okside edilmek için (bileşik I), bir elektron ferri demirden feril meydana getirmek için uzaklaştırılırken ikinci elektron porfirin halkasından ayrılır. Sonrasında bileşik II ye indirgenir. Bileşik I in indirgeme potansiyeli II. bileşiğin indirgeme potansiyelinden fazladır. Lignin peroksidazlar (~ -1.35V) birçok peroksidazlardan (~ - 0.8V) daha yüksek potansiyele sahiptir. Bu durumda bu enzimler, çok geniş yelpazedeki kimyasalları okside edebilirler. Ancak bu, çok sayıdaki kimyasalların bu funguslar 1 Bu makale "Environ Health Perspect 103 (suppl 5): 59-61 (1995)" künyeli dergide "Mechanisims of Degradation by White Rot Fungi" adı ile yayınlanmış makalenin çevirisidir. 2 Biotechnology Center, Utah State University, Logan, Utah USA. Dr. Steven D. Aust un yazışma adresi: Utah State University, Biotechnology center, Logan, UT 84322-4705 USA. 3 Doç. Dr., Ankara Üniversitesi Sağlık Eğitim Fakültesi Ankara. Yazışmalardan sorumlu yazarın E- Posta adresi munear@mynet.com 17
tarafından okside edilmesini açıklamaz. Başka oksidatif mekanizmaların olduğu açıktır. Şekil 1 Lignin peroksidazın katalitik döngüsü. Hem deki demir (protoporfirin IX). Bir başka alternatif yol da bazı kimyasalların lignin peroksidaz tarafından oksitlenmeden önce indirgenmeleridir. Bu reaksiyonun meydana gelmesinde birçok yol olduğu görülmektedir fakat, en önemlisi beyaz çürükçül fungusların son derece okside olmuş TNT (2,4,6- trinitrotoluene) ve DDT (1,1,1-trichloro -2,2-bis (4-chlorophenyl) ethane) gibi kimyasalları mineralize etmesidir. Bir diğer yöntem veratril alkol katyon radikali üzerinden olan indirekt oksidasyondur. Bileşikler oldukça düşük oksidasyon potansiyeline sahip olabilirler ama lignin peroksidazların hem geçişi olmadan, veratril alkolün indirekt oksidasyonu olur. Bu yol Kurek ve ark. tarafından amino triazol (8) ve lignin (9) için laboratuarda gösterilmiştir. Oksidasyonu yukarıda tartışılan mekanizmalarda ancak yüksek derecede oksitlenmiş kimyasallar beyaz çürükçül funguslarla oksitlenir. Örneğin beyaz çürükçül funguslarla oksitlenen TNT (10), indirgeyici değil oksitleyicidir. Diğer organizmalardaki metabolizma temelde nitro redüktazlar tarafından indirgenmeyi içerir (11). Phanerochaete chrysosporium tarfından nitro redüktaz üretimi üzerine yapılan bir çalışma başarısız olmakla beraber, Phanerochaete chrysosporium miçelyumunda TNT indirgenmesi bulunmuştur (12). İndirgenmenin, bu fungusun asidik dış çevreyi oluşturmada kullandığı membrana bağlı indirgenme potansiyelinden meydana geldiği görülür (12). Gerçekte TNT, TNT nin detoksifikasyonu ve biyoremiditasyonu için önemli olan membran potansiyeli tarafından dışarıda indirgenir. İndirgenmeden sonra lignin peroksidazlar üretildiğinde, TNT mangan bağımlı peroksidazlar tarafından oksitlenip mineralize edilebilir (13). Fungal membran potansiyeli, bu funguslar tarafından katalizlenen diğer indirgenmelerde yer alabilir. Bu sistem çok sayıda boyanın indirgenmesinde (redüksiyonunda) ve redüktif deklorinizasyonda da kullanılabilir. DDT nin yok oluşu ya önceden sentezlenen peroksidazlarla ya da indirgenmiş metabolitlerin (DDD ve DDE) gözlenmesiyle sonuçlanan DDT nin mineralizasyonu ile oluşur (14). İndirgenmedeki ikinci mekanizma, fungusun ürettiği kimyasalların inhibe ettiği veratril alkol oksidasyonunda bulunmuştur. Bu mekanizma, EDTA nın sadece lignin peroksidazı değil tüm peroksidazları inhibe ederken kullandığı inhibisyon mekanizmaları araştırılırken bulunmuştur (15). EDTA nın mükemmel bir redükleyici olduğu anlaşılmıştır. EDTA fotoredüksiyonlarda indirgeyici olarak kullanılır (16). Bu reaksiyonun, veratril alkol katyon radikali tarafından EDTA nın dekarboksilasyonunu içerdiği yazar tarafından gösterilmiştir (15). Şekil 2 de veratril alkol mekanizması ve oksalatın redüksiyonu katalizlediği gösterilmiştir. 18
Şekil 2. Lignin peroksidaz ile redüksiyon mekanizması. Bu fungus oksalatı elektron vericisi olarak kullanır ve EDTA bu amaç için uygun olabilir. Elektron alıcıları superoksit üretmek için moleküler oksijen içerir. Bir elektron veratril alkol katyon radikali üretirken, aynı zamanda lignin peroksidazlar veratril alkolü okside eder. Veratril alkol oksidaz inhibisyonu ile oksidaz ya da EDTA bu katyon radikalini hızlı bir şekilde veratril alkole indirger. Bu oksalat (EDTA) ın elektron oksidasyonudur. Kalan elektron böylece diğer kimyasalları indirgeyebilir. Oksalat (ve EDTA) nın son ürünü karbondioksittir. Böylece reaksiyon dengesi redüksiyona (indirgenmeye) doğru kayar ve geriye dönmez. Bu mekanizma örneğin karbon tetraklorürün redüktif deklorinasyonu da katalizler (18). Bu oksalat radikali moleküler oksijeni de indirger (19). Super oksit oksitleyici ya da indirgeyici olarak kullanılabilir (ph ya bağlı olarak). Super oksit başka güçlü bir oksidant olan hidroksil radikalini ( OH) üretmek için de uygundur. Haber- Weiss reaksiyon dizisi aşağıda verilmiştir. O 2 -* + Fe +3 O 2 + Fe +2 2 O 2 -* + 2 H + H 2 O 2 + O 2 Fe +2 + H 2 O 2 * OH + OH - + Fe +3 Fungus hidrojen peroksit ürettiği için demiri indirgemek için superoksite ihtiyaç duyulabilir. Kimyasalların oksidasyonunda yer alması mümkün olan hidroksil radikalli lignin peroksidazlarla direkt olarak oksitlenmez fakat bu fungus tarafından mineralize edilir (oksitlenir). Özetle bu fungusun biyolojik yıkımdaki yeteneği kayda değerdir, çok sayıda ve tipte kimyasalı okside edebilir. Böylece çok karmaşık karışımlar tanımlanabilir ve genellikle çok rekalsitrant kimyasallar parçalanabilir. Beyaz çürükçül fungusların biyolojik yıkım sistemi karmaşıktır. Uygulanması, mekanizmanın anlaşılmasına bağlıdır. 19
Kaynaklar 1. Bumpus JA, Tien M, Wright DS, Aust AD. Oxidation of persistent environmental pollutants by white rot fungus. Science 228: 1434-1436 (1985) 2. Bumpus JA, Aust SD. Biodegradation of environmental pollutants by white rot fungus Phanerochaete chrysosporium: involment of the lignin deradating system. Bioessays 6: 166-170 (1986). 3. Aust SD Degradation of environmental pollutants. Microb Ecol 20: 197-209 (1990). 4. Tien M, Kirk TK. Lignin-degrading enzyme from the hymenomycete Phanerochaete chrysosporium Burds. Science 221:661-663 (1983) 5. Tien M, Kirk TK.. Lignin-degrading enzyme from the hymenomycete Phanerochaete chrysosporium: purification, charecterization, and catalytic properties of a unique H2O2- requiring oxygenase. Proc natl acad sci 81: 2280-2284 (1984). 6.Crawford RL. The chemical structure of lignin and tye use of various lignin preparations for microbial studies In: Lignin Biodegradation and Transformation. New York : Wiley and Sons, 1981; 7-19. 7. Millis CD, Cai DV, Stankovich MT, Tien M. Oxidation-reduction potentials and ionization states of extracellular peroksidases from lignin- degrading fungus Phanerochaete chrysosporium. Biochemistry 28: 8484-8489 /1989) 8. Tuısel H, Grover TA, Bumpus JB, Aust Sd. Inhibition of veratryl alcohol oxidase activity of lignin peroxidase H2 by 3-amino-1,2,4-triazole. Arch Biochem Biophys 293: 287-291 (1992). 9. Kurek B, Monties B, Odier E. Influence on the phsical state of lignin on its degradability by lignin peroxidase of Phanerochaete chrysosporium. Enzyme Microbiol Technol 12: 771-777 (1990). 10. Fernando T, Bumpus JA, Aust SD. Biodegradation of TNT (2,4,6- trinitrotoluene) by Phanerochaete chrysosporium. Appl Environ Microbiol 56: 1666-1671 (1990). 11. Parrish FW. Fungal transformation of 2,4-dinitrotoluene and 2,4,6- trinitrotoluene. App Environ Microbiol 34: 232-233 (1997). 12. Stahl JD, Aust SD. Plasma membrane dependent reduction of 2,4-dinitrotoluene by Phanerochaete chrysosporium. Biochem res Commun 192: 471-476 ( 1993). 13. Stahl JD, Aust SD. Metabolism and detoxification of TNT by Phanerochaete chrysosporium. Bichem Biophys Res commun 192: 477-482 (1993). 14. Bumpus JA, Aust SD. Biodegradation of DDT ( 1,1,1- trichloro- 2,2-bis- (4-chlorophenyl) ethane) by the white rot fungus Phanerochaete chrysosporium. Appl Environ Microb 53: 2001-2008 (1987). 15. Shah MM, Grover TA, Barr DP, Aust SD. On the mechanism of inhibition of the veratryl alcohol oxidase activity of lignin peroxidase H2 by EDTA. J Biol Chem 267: 21564-21569 (1992). 16. Heelis PF. The photophysical and photochemical properties of flavins (isoalloxazines ). Chem Soc Rev 11: 15-39 (1982). 17. Akamatsu Y, Ma DB, Higuchi T, Shimada M. A novel enzymatic decarboxylation of oxalic acid by the lignin peroxidase system of white rot fungus Phanerochaete chrysosporium. FEBS Lett 269: 261-263 (1990). 18. Shah MM, Grover TA, Aust SD. Reductiıon of CCI4 to the trichloromethyl radical by lignin peroxidase H2 from Phanerochaete chrysosporium. Biochem Biophys res Commun 191: 887-892 (1993). 20
19. Barr DP, Shah MM, Grover TA, Aust SD. Production of hydroxyl radical by lignin peroxidase from Phanerochaete chrysosporium. Arch Biochem Biophys 298: 480-485 (1992). Bu makale 26-28 Nisan 1993 de Research Triangle Park, North Caroline da çevre kirleticilerine maruz kalma ve toksisitenin azaltılmasında biyolojik yıkımın rolü üzerine olan konferansta sunuldu. Makalenin güncelleştirilmesi 1994 ün sonunda yapıldı. Taslak makale 23 Ocak 1995 de alındı. Taslak makale 13 Şubat 1995 de kabul edildi. Doktora sonrası burslu, mezun öğrenciler ve teknisyenler tarafından yapılan bu araştırma National Institues of Health grant ES 04922 tarafından desteklendi. Bu vesile ile onlara ve programın sekreteri Terri Maughan a katkıları için teşekkür edilmektedir. 21