Strategia decoy stimulează bacteriile naturale pentru a curăța solurile poluate
Compușii aromatici, precum dioxinele și benzenul, reprezintă poluanți majori ai solului.
Stabilitatea chimică ridicată a acestor substanțe le face rezistente la degradarea microbiană și chimică, ceea ce duce la acumularea toxică în sol. Studiile anterioare au utilizat ingineria genetică pentru a spori capacitatea microorganismelor de a degrada poluanții din mediu. Totuși, reglementările ecologice stricte limitează utilizarea microorganismelor modificate genetic (GEM) în medii naturale.
Într-o cercetare publicată în Journal of Materials Chemistry A, cercetătorii de la Universitatea Nagoya au demonstrat că bacteriile native din sol, tratate cu molecule decoy, pot degrada compuși non-nativi, inclusiv poluanți persistenti precum dioxinele, fără a necesita modificări genetice.
„Cu alte cuvinte, putem oferi eficient acestor bacterii capacități pe care nu le au în mod natural, menținându-le în starea lor originală”, a afirmat Shoji.
Shoji și studenții săi, Fumiya Ito și Masayuki Karasawa, au investigat aplicarea cytochrome P450, un grup de enzime distribuite pe larg care degradează și transformă substanțele în organismele vii. Cytochrome P450BM3, derivat din bacteria din sol Priestia megaterium, hidroxilează în mod natural acizii grași, dar nu interacționează cu poluanți precum dioxinele. Această selectivitate a substratului provine din mecanismul „lock-and-key”, care permite doar moleculelor cu o formă specifică să se lege de enzimă.
În timp ce abordarea GEM introduce mutații pentru a modifica locurile de legare ale enzimelor pentru moleculele țintă, echipa a folosit în schimb molecule decoy care imită acizii grași pentru a induce enzima să degradeze poluanții. „În cercetările noastre anterioare, am reușit să inducem reacții altfel improbabile, păcălind enzimele cu molecule decoy”, a spus Shoji.
Moleculele decoy se leagă de enzime într-un mod similar cu acizii grași; totuși, lungimea lor mai scurtă le împiedică să ajungă la locul activ. Această configurație creează un spațiu de reacție restricționat care permite moleculelor să intre și să fie supuse hidroxilării. Deoarece moleculele decoy nu sunt ele însele hidroxilate, ele își mențin funcția și continuă să faciliteze reacția enzimatică.
Cercetătorii au evaluat reacțiile biochimice ale 10 tulpini bacteriene, fiecare având cytochrome P450BM3 sau enzime înrudite, folosind un set de 76 de molecule decoy. Rezultatele au arătat că hidroxilarea benzenului a avut loc doar cu combinații specifice tulpină-decoy. Tulpinile testate au inclus P. megaterium, care conține cytochrome P450BM3, dar și alte bacterii comune din sol, precum Bacillus subtilis, care posedă enzime înrudite. Experimentele de knockout genetic au confirmat și implicarea cytochrome P450 în aceste bacterii.
Acești microbi au reușit, de asemenea, să hidroxileze alți compuși aromatici, inclusiv toluen, xilen și naftalen. Surprinzător, în prezența moleculelor decoy, B. subtilis a degradat complet compușii model de dioxină în două ore la 45 de grade Celsius. Simulările computaționale au demonstrat că cytochrome P450 din B. subtilis are capacitatea de legare suficientă pentru a acomoda atât o moleculă decoy, cât și dioxina, care este un poluant mai mare decât benzenul.
Aceste descoperiri sugerează că activitatea de hidroxilare indusă de moleculele decoy în aceste bacterii crește solubilitatea poluanților și facilitează degradarea acestora. Acest mecanism ar putea accelera eliminarea poluanților din sol, susținând degradarea microbiană mai rapidă și mai eficientă.
Screeningul sistematic al diverselor bacterii din sol, combinat cu diferite molecule decoy, a permis identificarea unor combinații foarte active. Este demn de remarcat faptul că multiple specii bacteriene au răspuns la aceste molecule, sugerând că această abordare ar putea fi aplicabilă pe scară largă, nu doar limitată la un organism specific. Shoji a concluzionat: „Studiul nostru oferă o strategie chimică generalizabilă pentru a debloca potențialul catalitic latent în microbi obișnuiți din mediu, stabilind un nou paradigmă pentru tehnologii de bioremediere scalabile și compatibile cu reglementările.”
