Início Biologia Lacase e suas aplicações biotecnológicas: Uma revisão
RC: 61801 - 21/10/2020
BAIL, Jaqueline. Lacase e suas aplicações biotecnológicas: Uma revisão. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 10, Vol. 14, pp. 21-30. Outubro de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/biologia/lacase
As lacases, enzimas multicobre oxidases, são produzidas na natureza principalmente por fungos dos filos Ascomycota e Basidiomycota, e possuem grande importância ambiental, especialmente no processo de decomposição e mineralização da serapilheira florestal e do ciclo do carbono. Além disso, lacases são enzimas de grande importância biotecnológica em diversos setores industrais, os quais investem constantemente em importantes e promissoras pesquisas com a utilização desta enzima. Este estudo teve como objetivo analisar pesquisas relevantes sobre esta enzima promissora. Para isto, utilizou-se uma abordagem qualitativa para a identificação de produções pertinentes sobre as lacases. Através da coleta de dados realizada nas bases de dados Periódicos Capes e Science Direct, foram obtidos 40 artigos científicos de acordo com os descritores utilizados. Dentre eles, 25 trabalhos de maior relevância foram utilizados de acordo com critérios de inclusão do presente estudo. Através dos quais foi possível reconhecer que as pesquisas científicas vêm apresentando resultados positivos e promissores com a utilização das lacases para diversas aplicações biotecnológicas.
Palavras-chave: Enzimas ligninolíticoas, potencial biotecnológico, multicobre oxidases.
As lacases, também conhecidas como enzimas multicobre oxidases, são produzidas na natureza por alguns insetos, bactérias e em maior quantidade por fungos, especialmente dos filos Ascomycota e Basidiomycota, predominando neste último grupo, que também são chamados de fungos da podridão branca (MISHRA et al., 2010; BALDRIAN, 2006). As lacases possuem como importante característica a baixa especificidade aos seus substratos redutores, ou seja, apresentam atividade em diferentes substratos. Elas catalisam a oxidação de uma variedade de compostos fenólicos e aromáticos com a concomitante redução do oxigênio à água. (BALDRIAN, 2006; MAJEAU et al., 2010). Além disso, as lacases são predominantemente enzimas extracelulares, o que facilita a sua ação e atividade (SHLEEV et al., 2009).
Lacases fúngicas possuem grande importância ambiental, pois participam do ciclo do carbono, através da degradação de compostos de plantas recalcitrantes, especialmente a lignina, que é o segundo mais abundante biopolímero da terra (BALDRIAN, 2006). Além da importância ecológica, as lacases possuem amplo campo de aplicação biotecnológica como a eficiente degradação de fármacos (TOUAHAR et al., 2014; LLORET et al., 2012), e uma ampla gama de atividades industriais, como a detoxificação de efluentes, remoção de fenóis de alimentos e bebidas, degradação de corantes, biodegradação de componentes xenobióticos, biosensores, dentre outras atividades (RANGELOV e NICELL, 2015; ARORA e SHARMA, 2010).
Claramente, as indústrias possuem grande interesse em enzimas potenciais, como as lacases, que consigam suportar diversas condições industriais como variação de temperatura, pH e compostos inorgânicos como metais (BINOD et al., 2011).
Trata-se de um estudo qualitativo para a identificação de produções relevantes sobre o potencial biotecnológico da enzima lacase. Adotou-se para isto, a revisão da literatura, a qual contribui para o processo de estruturação e análise das informações adquiridas, gerando assim a compreensão do tema, a partir de pesquisas e resultados independentes.
Para tanto, quatro etapas foram adotadas para a elaboração deste trabalho: 1) definição dos critérios de inclusão de artigos e seleção dos mesmos; 2) análise crítica dos artigos; 3) interpretação dos resultados; e 4) construção do presente estudo.
A coleta de dados foi realizada no período de 01 a 20 de agosto de 2020, utilizando como recursos os operadores booleanos e truncagem de termos associados aos descritores através das seguintes bases de dados: Portal de Periódicos CAPES e Science Direct. Foram adotados os seguintes critérios de inclusão de artigos: publicação no idioma inglês, entre os anos 2000 e 2020, artigos que contivessem em seus títulos e/ou resumos os seguintes descritores: laccase enzyme and/or laccase potential biotechnological applications. Definiu-se como critério de exclusão os artigos que não atendessem aos critérios de inclusão estabelecidos anteriormente.
Ao todo, 40 artigos científicos foram analisados minuciosamente destacando-se 25 artigos, os quais foram selecionados, pois responderam ao objetivo do presente trabalho. A análise dos dados extraídos dos artigos foi realizada de forma descritiva, com o propósito de reunir o conhecimento produzido sobre o tema abordado.
As lacases (EC 1.10.3.2) pertencem a um grupo de enzimas conhecidas como multicobre oxidases, pois possuem quatro átomos de cobre distribuídos entre três sítios de ligações. São produzidas na natureza por plantas superiores, alguns insetos, algumas bactérias e, em maior quantidade por fungos, especialmente pelos basidiomicetos, também chamados de fungos da podridão branca, os quais são os mais bem explorados (MISHRA et al., 2010). Diante disso, a maioria das lacases descritas na literatura foi isolada de fungos, principalmente dos filos Ascomycota e Basidiomycota (BALDRIAN, 2006). Entretanto, predomina neste último grupo, em abundância, onde vários genes envolvidos com a atividade enzimática já foram descritos (MIKOLASCH e SCHAUER, 2009).
O potencial redox dos três sítios de cobre das lacases (T1, T2 e T3), são uma das principais características das cobre-oxidases. O sítio T1 de cobre é o aceptor primário dos elétrons do substrato e também é o responsável pela coloração azul da enzima associada a uma grande faixa de absorção em torno de 600 nm; o sítio T2 de cobre atua no local de atividade catalítica e redox coordenado por três histidinas; e os dois sítios T3 de cobre são responsáveis pela ativação e transporte de O2 e oxigenação do substrato, apresentando discreta banda de absorção, próxima a 330 nm, também coordenada por três histidinas. Os substratos são oxidados por cobre T1, que atua transferindo elétrons para os sítios T2 e T3 (receptores de elétrons), onde o oxigênio molecular é reduzido à água. O alto potencial do cobre localizado no sítio T1 é de grande interesse para os biotecnólogos devido à sua geometria (RIVERA-HOYOS et al., 2013; GIL et al., 2009).
Devido à estrutura compacta da parede celular vegetal e a necessidade de contato direto entre as enzimas ligninolíticas e seus substratos, a existência de mediadores redox é essencial no processo de degradação para que a atividade oxidativa da enzima seja expandida (BALDRIAN, 2006). Em consequência do baixo potencial redox das lacases (0,5-0,8 V), a lacase, sozinha, é capaz de oxidar apenas estruturas fenólicas da lignina, excluindo as estruturas aromáticas não-fenólicas, que compreendem mais de 80% da composição da lignina. Somente algumas enzimas ligninolíticas secretadas por fungos, como a lignina peroxidase, com potencial redox de 1,15 a 1,25 V podem oxidar diretamente os grupos não-fenólicos da lignina (WARD et al., 2003). No entanto, com a presença de mediadores, que normalmente têm um potencial redox superior a 0,9 V, a gama de substrato de lacase é expandida possibilitando a oxidação de estruturas não-fenólicas da lignina. Portanto, o sistema de mediadores de lacase (SML) desempenha um papel fundamental na despolimerização da lignina como um todo (WONG, 2009).
Compostos sintéticos têm sido descritos como mediadores eficientes de lacase, assim como compostos de origem natural, que já estão presentes na biomassa, como por exemplo, o ácido-3-hidroxi-antranílico – um metabólito produzido pelo fungo da podridão branca, Pycnoporus cinnabarinus, do filo Basidiomycota (LI et al., 2001). Alguns estudos demonstraram o envolvimento dos produtos de degradação da lignina como mediadores naturais de lacase durante a biodegradação da madeira por fungos de decomposição branca, principalmente nos estágios iniciais de biodegradação (CAMARERO et al., 2007).
Em contrapartida, recentemente, Munk e colaboradores (2018) realizaram um estudo que envolveu o tratamentos de três diferentes ligninas com sistemas mediadores de lacase (LMS), com quatro mediadores químicos individuais, 1-hidroxibenzotriazol (HBT), N-hidroxiftalimida (HPI), 2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-iloxi (TEMPO) e 2,2′-azino-bis(3-ácido-etilbenzotiazolino-6-sulfônico) (ABTS). Sugerem, assim, que os tratamentos SML com doses mediais executáveis dos mediadores químicos testados não aumentam a ativação catalisada pela lacase. E, além do mais, destacam que os dados obtidos com sistemas mediadores de lacase em substratos fenólicos simples nem sempre são modelos válidos para a catálise de lacases em fluxos de processamento de lignina genuína. Diante disso, muito ainda se espera na descoberta do verdadeiro papel da atividade da lacase na degradação da lignina e no detalhamento desse processo.
As lacases possuem como característica a baixa especificidade aos seus substratos redutores, ou seja, podem apresentar atividade em diferentes substratos (BALDRIAN, 2006; MAJEAU et al., 2010). Estas enzimas catalisam a oxidação de uma variedade de compostos fenólicos e aromáticos, como a lignina, aminas, ésteres, éteres e alguns íons inorgânicos com a concomitante redução do oxigênio à água. Além disso, as lacases são predominantemente enzimas extracelulares, o que facilita a sua ação e atividade (SHLEEV et al., 2009).
In vitro, a produção e atividade da lacase são influenciadas diretamente por alguns parâmetros, como o substrato a ser utilizado, a agitação, a temperatura e o tempo de cultivo, entre outros. A produção de lacase está ligada diretamente a uma regulação complexa de nutrientes que afeta diretamente a expressão de lacases, compreendendo as fontes de carbono e nitrogênio, sua respectiva concentração e a relação entre elas (relação C/N), e também as concentrações e tipo de indutores utilizados (VALLE, 2012).
As lacases, geralmente, têm um pH ótimo na faixa ácida, e os perfis de temperatura para a atividade dessas enzimas normalmente não diferem daqueles de outras enzimas ligninolíticas extracelulares, a maioria com temperaturas ótimas variando de 50 a 70 ºC. No entanto, cada espécie de micro-organismo possui suas condições fisiológicas ótimas para o crescimento e produção dessa enzima (BALDRIAN, 2006).
Logo, de acordo com suas características, torna-se nítido que as lacases possuem diversas aplicações biotecnológicas sendo muito promissoras para este ramo. O que pode ser visto também através de alguns estudos, como: Jadhav e Singhal (2013) promoveram a degradação de corantes de uma indústria têxtil através da degradação conjugação da lacase com polissacarídeos, onde alcançaram 53% de degradação. Lloret et al. (2010) realizou a degradação de alguns importantes fármacos, como anti-inflamatórios e hormônios estrogênios, utilizando a enzima lacase do fungo Myceliophthora thermophila, onde possibilitou remoções entre 80 e 100%. Assim como, outros autores (TOUAHAR et al., 2014; UEDA et al., 2012) que também alcançaram eficientes degradações de fármacos utilizando esta enzima. Além disso, a lacase também foi utilizada na oxidação de fenóis (RANGELOV e NICELL, 2015).
É importante destacar também, que lacases fúngicas atraem a atenção dos ecologistas que estudam o ciclo do carbono, especialmente a degradação dos compostos de plantas recalcitrantes (BALDRIAN, 2006). Um estudo ecológico e molecular realizado por Luis et al. (2004) em um solo de floresta demonstrou que a abundância e a distribuição de basidiomicetos contendo genes de lacase é refletida pela estratificação vertical de acordo com o perfil do solo que resulta em um declínio nas fontes orgânicas de energia disponíveis. Logo, foi verificada maior abundância destes genes na primeira camada do solo, pois possui maior rotatividade de matéria orgânica, ou seja, maiores níveis energéticos disponíveis, indicando possivelmente o envolvimento da enzima no processo inicial de degradação da lignina, importante para a reserva (acúmulo) de carbono no solo e formação de húmus.
As metodologias geralmente utilizadas na análise da atividade da lacase englobam testes com isolados em laboratório, como produção e atividade da enzima, perda de lignina na biomassa, mineralização de lignina e compostos relacionados, como também a atividade de branqueamento na natureza (OSONO 2019; MUNK et al., 2018; OSONO 2007; BALDRIAN et al., 2006).
Ao nível molecular e metabólico algumas metodologias utilizadas são: transcriptoma (conjunto completo de transcritos, RNAs mensageiros, RNAs ribossômicos, RNAs transportadores e os microRNAs) de um dado organismo, órgão, tecido ou linhagem celular); metatranscriptoma (expressão gênica diretamente de ambientes naturais); e metabolômica (identificação e quantificação de um conjunto de metabólitos – o metaboloma; produzidos e/ou modificados por um organismo). Apesar de altamente informativos e importantes essas técnicas apresentam diversas dificuldades operacionais geralmente por envolver a molécula de RNA ou pela necessidade de equipamentos específicos, como no caso da metabolômica (ALESSI et al., 2017; COCOLIN et al., 2018).
As pesquisas sobre potenciais biotecnológicos da enzima lacase vêm sendo realizadas incessantemente. Haja vista ser, claramente, uma fonte biotecnológica promissora para as indústrias e a população em geral. As tendências e os desafios atuais da aplicação potencial de lacase foram descritos para melhor conhecimento do tema.
ALESSI, Anna. M. et al. Revealing the insoluble metasecretome of lignocellulose-degrading microbial communities. Scientific Reports, 7:2356, 2017.
ARORA, Daljit Singh; SHARMA, Rakesh Kumar. Ligninolytic Fungal Laccases and Their Biotechnological Applications. Appl. Biochem. Biotechnol. 160:1760-1788, 2010.
BALDRIAN, Petr. Fungal laccases: occurrence and properties. FEMS Microbiology Reviews. 30(2):215-242, 2006.
BINOD, P., et al. Chapter 10 – Hydrolysis of Lignocellulosic Biomass for Bioethanol Production. Biofuels: Alternative Feedstocks and Conversion Processes, 229-250, 2011.
CAMARERO, Susana et al. Paper pulp delignification using laccase and natural mediators. Enzyme and Microbial Technology 40:1264–1271, 2007.
COCOLIN, Luca. et al. Next generation microbiological risk assessment meta-omics: The next need for integration. International Journal of Food Microbiology, 287:10-17, 2018.
GIL, E. S. et al. Biosensor based on Brut Extract from laccase analysis of phenolic compounds. Portugaliae Eletrochimica Acta. 27(3):215-225, 2009.
JADHAV, Swati B.; SINGHAL, Rekha S. Polysaccharide conjugated laccase for the dye decolorization and reusability of effluent in textile industry. International Biodeterioration & Biodegradation, 85:271-277, 2013.
LI, Kaichang et al. Investigation of the role of 3-hydroxyanthranilic acid in the degradation of lignin by white-rot fungus Pycnoporus cinnabarinus. Enzyme and microbial technology, 28(4-5):301-307, 2001.
LLORET, L. et al., Continuous operation of a fluidized bed reactor for the removal of estrogens by immobilized laccase on Eupergit supports. Journal of Biotechnology 162(4):404-406, 2012.
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