Биотрансформация с использованием микроорганизмов и выделенных из них ферментов становятся все более ценным инструментом для производства широкого спектра соединений, от сыпучих продуктов до тонких химических веществ, специальных продуктов и фармацевтических препаратов.
Специфическая активность и селективность ферментов позволяют осуществлять различные химические реакции с высокой хемо-, регио- и особенно стереоселективностью для получения сложных энантиомерно чистых соединений. Уже создано большое количество биокатализируемых промышленных процессов для производства исключительно широкого спектра материалов с высокой добавленной стоимостью.
В органическом синтезе биокаталитические процессы имеют ряд преимуществ перед соответствующими химическими методами. Условия реакции мягкие и в большинстве случаев не требуют защиты других функциональных групп. Кроме того, характеристики, определяющие их региоспецифичность, отличаются от тех, которые контролируют специфичность традиционных химических катализаторов, и, фактически, можно достичь биотрансформации на тех объектах, которые химически нереактивны. С экономической точки зрения, биотрансформации часто менее дорогостоящие и более простые в организации, чем их химические аналоги, и преобразования обычно протекают в условиях, которые считаются экологически приемлемыми. Более того, поиск ферментов и микроорганизмов в различных средах обитания может привести к биокатализаторам с улучшенными и/или особыми свойствами.
Поэтому основной целью данного обзора был сбор оригинальных научных статей, посвященных основным способам применения биокатализаторов (целых клеток или изолированных ферментов) из морской среды для получения биологически активных соединений или их прекурсоров, или для дериватизации природных и синтетических молекул. В данный обзор вошли четыре статьи, которые дополнили наши знания о биотрансформации морскими микроорганизмами и их ферментами, включая три оригинальные исследовательские статьи и один обзор.
Хитозановые олигосахариды (ХОС) являются производными продуктами хитозана или хитина, которые имеют большую потенциальную ценность для использования во многих областях благодаря своей интересной биологической активности. Более того, ХОС считаются перспективным природным антибактериальным агентом, который широко применяется в пищевой промышленности, и обладают многими практическими преимуществами, такими как высокая растворимость в воде, низкая вязкость, биоразлагаемость и биосовместимость. Ферментативное получение ХОС из хитозана может быть осуществлено с помощью неспецифических ферментов, таких как протеаза и целлюлаза, и специфических ферментов, таких как хитиназа и хитозаназа. По сравнению с неспецифическими ферментами, хитозаназа демонстрирует более высокую эффективность и больше подходит для получения ХОС.
Wang et al. описали хитозаназу (ShCsn46) из морского микроорганизма Streptomyces hygroscopicus R1, выделенного из отходов панциря креветки. Максимальная активность и общая концентрация белка рекомбинантного штамма ShCsn46 составляли 2 250 Ед/мл и 3,98 г/л, соответственно. Оптимальные pH и температура очищенного ShCsn46 составляли 5,5 и 55°C, соответственно. Кроме того, ShCsn46 продемонстрировал высокую эффективность при гидролизе 4% коллоидного хитозана для приготовления ХОС. Данная работа позволяет получить хитозаназу с отличными свойствами для ее применения в контролируемом приготовлении ХОС.
Chen et al. получили и охарактеризовали новую хитозаназу семейства 46 гликозидгидролазы (GH) (SlCsn46) из морского микроорганизма Streptomyces lydicus S1. Этот фермент был использован для контролируемого получения ХОС с различной степенью полимеризации. Удельная активность очищенного рекомбинантного SlCsn46 составила 1 008,5 Ед/мг, а его оптимальная температура и pH - 50°C и 6,0, соответственно. Кроме того, SlCsn46 может эффективно гидролизовать 2% и 4% коллоидный хитозан для приготовления ХОС. В данной работе также было исследовано потенциальное применение ХОС для консервирования тофу. Результаты этого исследования позволят получить эффективную хитозаназу для контролируемого приготовления ХОС и дадут некоторые идеи относительно потенциального применения ХОС для сохранения предварительно упакованного тофу.
Океаны включают в себя очень разнообразные среды обитания с физическими и химическими особенностями, которые значительно отличаются от наземных экосистем. Морские микроорганизмы адаптированы к особым условиям морской среды и поэтому могут быть важным источником новых ферментов с интересными характеристиками, такими как высокая солеустойчивость, барофильность и термостабильность.
Морские грибки и бактерии составляют более 90% биомассы океана, и считается, что их разнообразие является результатом их способности адаптироваться к экстремальным условиям морской среды. Таким образом, их применение в качестве биокатализаторов в химическом синтезе представляет собой прекрасную возможность для развития химических и фармацевтических промышленных процессов, поскольку биотрансформация зарекомендовала себя как ценный инструмент в производстве тонких химических веществ, в частности, энантиомерно чистых соединений. Поэтому скрининг новых штаммов грибов с интересной ферментативной активностью становится абсолютно необходимым.
Virués-Segovia et al. рассмотрели биотрансформации, осуществляемые грибками из морской среды с точки зрения химической структуры субстрата, включая терпены, стероиды, поликетиды и др. Эти микроорганизмы использовались в качестве биокатализаторов для различных реакций, включая гидроксилирование, окисление, восстановление, гидролиз, элиминирование, перегруппировку, циклизацию, дегалогенирование и др. Более того, морские грибки продемонстрировали высокий потенциал для детоксикации загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах, почвах, отложениях и твердых отходах. Обзор также посвящен грибковой деградации как альтернатива биоремедиации.
Антарктида известна как континент с самыми экстремальными условиями на Земле. В последние годы число исследований, изучающих ее микробное биоразнообразие как неиспользованный источник ферментов, неуклонно растет. Поэтому психрофильные и галофильные микробные сообщества, обитающие в Антарктических широтах, могут быть интересным источником новых ферментов, которые могут быть использованы в биотехнологических процессах.
Bisaccia et al. охарактеризовали термо-, органорастворимую и галотолерантную лакказу, выделенную из морской антарктической бактерии. Эти авторы изучили 186 микроорганизмов, выделенных из морских биопленок и образцов воды, собранных в заливе Терра Нова (море Росса, Антарктида), на предмет выявления новых видов лакказ. Лакказы - это медьсодержащие оксидазы, которые способны катализировать окислительное присоединение или расщепление связей целевых соединений с широким спектром субстратов. После первичного скрининга некоторые изоляты были идентифицированы по их способности окислять в основном 2,2′-азино-бис (3-этилбензотиазолин-6-сульфокислоту) (ABTS). Наибольшую активность проявил морской штамм Halomonas sp. M68. Таким образом, эта лакказа становится перспективным кандидатом для биотехнологического и промышленного применения.
В целом, эти четыре статьи предоставляют читателю актуальную информацию об использовании ферментов и цельных клеток из морских экосистем в качестве биокатализаторов.
