| Περίληψη |
Με την παρούσα εργασία για πρώτη φορά αποδεικνύεται ότι δεν έχει τόσο σημασία η επιλογή του οργανισμού, όσο η επιλογή των κατάλληλων εκείνων συνθηκών που θα αλλάξουν το βιοενεργητικό ισοζύγιο και θα επιτρέψουν την ενεργοποίηση των απαραίτητων μεταβολικών μηχανισμών για τη βιοαποικοδόμηση τοξικών ενώσεων.
Η βιοενεργητική στρατηγική βιοαποικοδόμησης φαινολικών ενώσεων από το μονοκύτταρο χλωροφύκος Scenedesmus obliquus, που πραγματεύεται η παρούσα διατριβή, έδειξε ότι πρόκειται για μια ξεκάθαρα θερμοδυναμικά φωτοελεγχόμενη διαδικασία. Η επιλογή του καταλληλότερου μονοπατιού βιοαποικοδόμησης γίνεται με βάση το ενεργειακό ισοζύγιο του χλωροφύκους. Αυτό το ενεργειακό ισοζύγιο καθορίζεται από πληθώρα βιοτικών και αβιοτικών παραμέτρων. Η θέση (ortho, meta ή para) και ο αριθμός των υποκαταστατών στο φαινολικό δακτύλιο, τα φαινόμενα του συντονισμού και της επαγωγής, που ελέγχουν τη συμπεριφορά του υποκαταστάτη ως δότη ή δέκτη ηλεκτρονίων, καθορίζουν τις ενεργειακές απαιτήσεις για τη βιοδιάσπαση των φαινολικών ενώσεων, ενώ η εξωγενής πηγή του άνθρακα (ανόργανου ή/και οργανικού) και η ένταση της φωτονιακής ακτινοβολίας είναι οι σημαντικότεροι από τους παράγοντες που ελέγχουν [μέσω μη κυκλικής και κυκλικής φωτοφωσφορυλίωσης στο χλωροπλάστη, αναπνευστικής αλυσίδας δια του κυτοχρωμικού (COX) ή/και του εναλλακτικού (AOX) μονοπατιού στο μιτοχόνδριο και της χλωροαναπνοής (PTOX) στο χλωροπλάστη] τα ενεργειακά αποθέματα του χλωροφύκους που θα επενδυθούν για τη βιοαποικοδόμηση φαινολικών ενώσεων διαφορετικής τοξικότητας και δυσκολίας βιοδιάσπασης.
Η απλούστερη φαινολική ένωση, η φαινόλη, χρησιμοποιείται από το χλωροφύκος Scenedesmus obliquus ως εναλλακτική πηγή άνθρακα, ενώ σε συνδυασμό με την κατάλληλη ένταση φωτονιακής ακτινοβολίας, επιτυγχάνεται ολοκληρωτικός μεταβολισμός της (100% βιοαποικοδόμηση). Αυξάνοντας το βαθμό δυσκολίας της βιοδιάσπασης, προσθέτοντας έναν υποκαταστάτη αλογόνο (Cl, Br, I) στο φαινολικό δακτύλιο, η βιοαποικοδόμηση γίνεται μέσω συμμεταβολισμού και πραγματοποιείται σε δύο διακριτές φάσεις. Κατά την πρώτη φάση αποσπάται ο υποκαταστάτης (αλογόνο) και κατά τη δεύτερη φάση λαμβάνει χώρα η σχάση του φαινολικού δακτυλίου. Μία επιπλέον απόδειξη ενός τέτοιου μηχανισμού βιοαποικοδόμησης φαινολικών ενώσεων με έναν υποκαταστάτη αποτελεί η βιοαποικοδόμηση των μεθυλφαινολών, που αποδείχτηκε ότι μετά από την απόσπαση του υποκαταστάτη (δηλαδή της μεθυλομάδας) από το φαινολικό δακτύλιο δημιουργείται μεθανόλη, ενισχύοντας τη φωτοσυνθετική δραστηριότητα του χλωροφύκους, αφού είναι αποδεδειγμένο (από προηγούμενα δημοσιεύματα του εργαστηρίου μας) ότι η μεθανόλη μεταβολίζεται σε CO2.
Η βιοαποικοδόμηση είναι μια οξειδοαναγωγική αντίδραση, οπότε και το είδος του υποκαταστάτη καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τη βιοαποικοδομησιμότητά του. Όσο πιο κοντά είναι ένας υποκαταστάτης δέκτης ηλεκτρονίων (π.χ. μία νιτροομάδα) σε έναν υποκαταστάτη δότη ηλεκτρονίων (υδροξύλιο φαινόλης), τόσο πιο έντονη είναι η βιοαποικοδομησιμότητα. Αντίθετα όσο πιο κοντά είναι μια ομάδα δότης ηλεκτρονίων (π.χ. μία μεθυλομάδα) σε έναν υποκαταστάτη δότη ηλεκτρονίων (υδροξύλιο φαινόλης), τόσο πιο δύσκολη είναι η βιοαποικοδομησιμότητα. Όταν πάλι ο υποκαταστάτης δεν καθορίζεται αυστηρά ως δότης ή δέκτης ηλεκτρονίων (π.χ. αλογόνο) από τα φαινόμενα του συντονισμού ή της επαγωγής, αλλά ανάλογα με τις συνθήκες επικρατεί άλλοτε η ιδιότητα του δότη και άλλοτε η ιδιότητα του δέκτη, τότε η βιοαποικοδομησιμότητα της φαινολικής ένωσης είναι παντού η ίδια, αφού φαίνεται να επιλέγεται από το χλωροφύκος η βέλτιστη διαχείριση των καταστάσεων.
Η επιπλέον αύξηση του βαθμού δυσκολίας της βιοαποικοδόμησης φαινολικών ενώσεων από το χλωροφύκος, που επιτυγχάνεται με την προσθήκη ενός δεύτερου υποκαταστάτη στο φαινολικό δακτύλιο (διχλωροφαινόλες), διαφοροποιεί το επίπεδο βιοαποικοδόμησης ανάλογα με το πόσα meta-υποκατεστημένα χλώρια υπάρχουν στο φαινολικό δακτύλιο. Αποδείχθηκε ότι σε συνθήκες αυξημένης τοξικότητας (διχλωροφαινόλες) το χλωροφύκος επενδύει περισσότερη ενέργεια στη βιοαποικοδόμηση και λιγότερη στην ανάπτυξη, ενώ το αντίθετο συμβαίνει όσο μικρότερη είναι η τοξικότητα της φαινολικής ένωσης (μονοχλωροφαινόλες).
Το πρώτο βήμα της βιοαποικοδόμησης των διχλωροφαινολών είναι η αναγωγή τους. Η ανηγμένη μορφή των 2,3-, 2,5- και 3,4-διχλωροφαινολών, βάσει του οξειδοαναγωγικού τους δυναμικού, μπορεί να ενσωματωθεί στη φωτοσυνθετική αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων πριν από τη δεξαμενή της πλαστοκινόνης (PQ), τροφοδοτώντας με ηλεκτρόνια -ως δότης ηλεκτρονίων- το PSI, παρεμποδίζοντας ολοκληρωτικά την ενεργότητα του PSII και κατ’ επέκταση την παραγωγή Ο2. Η μοναδική συγκυρία της συνδυαστικής δράσης ανοξίας και αποκλειστικής ενεργοποίησης του PSI, επάγει την υδρογενάση και την παραγωγή H2.
Συνδυαστικά οι εν λόγω διχλωροφαινόλες μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρόνια και απευθείας σε πρωτόνια, σχηματίζοντας επιπλέον μοριακό υδρογόνο (Η2) σύμφωνα με την αντίδραση: 2H+ + Dred → H2 + Dox, δικαιολογώντας τις ιδιαίτερα υψηλές συγκεντρώσεις του παραγόμενου υδρογόνου σε σύγκριση με τον ανοξικό μάρτυρα (έως και 125 φορές υψηλότερες).
Πρόκειται για μία βιοενεργητική στρατηγική του χλωροφύκους για τη βιοαποικοδόμηση των εν λόγω διχλωροφαινολών που δημιουργεί τις μοναδικές εκείνες συνθήκες που επιτρέπουν μία «πράσινη» βιοαποικοδόμηση τοξικών ενώσεων με την ταυτόχρονη παραγωγή υψηλών συγκεντρώσεων βιο-υδρογόνου (Η2) για περαιτέρω βιοτεχνολογική εκμετάλλευση.
|
Βιοενεργητική στρατηγική βιοποικοδόμησης φαινολικών ενώσεων από το Χλωροφύκος Scenedesmus obliquus - Βιοτεχνολογικές προεκτάσεις
