Purification and characterization of tyrosinase enzyme from Acinetobacter modestus NIPH 236 for enhanced treatment of petroleum pollutants

Olie is de levensader van de moderne industrie en drijft alles aan, van de auto's waarin we rijden tot de plastics die we gebruiken. Toch laat het proces van het winnen en raffineren van deze grondstof een giftige erfenis achter. Een van de gevaarlijkste bijproducten is fenol, een chemische verbinding die in hoge concentraties voorkomt in het afvalwater van olieraffinaderijen. Fenol is zeer giftig voor zowel mensen als het milieu, en is in staat ecosystemen te beschadigen en mutaties in levend weefsel te veroorzaken. Hoewel ingenieurs al lang proberen dit water te reinigen met fysieke filters of harde chemicaliën, schieten deze methoden vaak tekort. Ze kunnen duur zijn, energie-intensief, of simpelweg niet in staat zijn om de hardnekkige verontreinigingen volledig af te breken. De natuur biedt echter een ander pad. Al decennia weten wetenschappers dat bepaalde micro-organismen het vermogen bezitten om deze schadelijke stoffen te verteren, waarbij ze gif veranderen in onschadelijk materiaal via een proces dat bioremediatie wordt genoemd. De sleutel tot deze natuurlijke schoonmaakploeg is vaak een specif kind type eiwit genaamd een enzym, dat fungeert als een biologische katalysator om chemische reacties te versnellen die anders te langzaam zouden verlopen om nuttig te zijn.

In een recente studie zetten onderzoekers zich in om een nieuw, efficiënter biologisch hulpmiddel voor deze taak te vinden. Ze richtten hun aandacht op de bodem rondom een petrochemische raffinaderij in Mangalore, India, een plek waar de omgeving constant wordt blootgesteld aan oliegebaseerde verontreinigingen. Het doel was om een specifieke bacterie te isoleren uit deze barre bodem die een krachtig enzym genaamd tyrosinase kon produceren. Dit enzym is een koperhoudend eiwit dat werkt als een moleculaire schaar, in staat om fenolmoleculen uit elkaar te knippen en ze te transformeren in minder schadelijke stoffen. Het team, onder leiding van wetenschappers van de Dayananda Sagar University, slaagde erin een krachtige bacterie te identificeren die verborgen zat in de raffinaderijbodem. Ze noemden het Acinetobacter modestus NIPH 236. Dit piepkleine organisme was niet alleen een overlever van de giftige omgeving; het was een fabriek die precies het enzym produceerde dat nodig is om het op te ruimen.

De onderzoekers stopten niet bij het simpelweg vinden van de bacteriën; ze werkten aan het begrijpen van precies hoe ze de productie van het meeste enzym konden maximaliseren. Ze behandelden de bacteriën als een gewas, waarbij ze ze kweekten in grote tanks met vloeibare bouillon en de omstandigheden zorgvuldig aanpasten om te zien wat hen deed gedijen. Ze testten verschillende niveaus van zuurgraad en ontdekten dat de bacteriën de meeste enzymen produceerden wanneer de vloeistof neutraal was, op een pH van 7,0. Ze experimenteerden met de hoeveelheid bacteriën waarmee ze begonnen en ontdekten dat een kleine hoeveelheid, slechts 2 procent van het totale volume, het ideale punt was voor maximale productie. Ze testten ook wat de bacteriën aten. De bacteriën groeiden het best wanneer ze werden gevoed met een dieet dat beefextract als bron van stikstof en maltose als bron van suiker bevatte. Misschien wel het belangrijkste was dat ze ontdekten dat het toevoegen van een minuscule hoeveelheid van een mineraal genaamd natriummolybdaat aan het voedingsmengsel fungeerde als een krachtige booster, waardoor de hoeveelheid enzym die de bacteriën maakten aanzienlijk toenam.

Zodra ze de groeicondities hadden geoptimaliseerd, ging het team over naar de volgende uitdaging: het scheiden van het enzym van de bacteriën en de vloeistof waarin het groeide. Ze gebruikten een reeks fysieke en chemische stappen om de stof te zuiveren. Eerst voegden ze koude aceton toe aan de vloeistof, wat ervoor zorgde dat het enzym samenklonterde en uit de oplossing viel, een proces dat vergelijkbaar is met hoe zout kan kristalliseren uit water. Vervolgens lieten ze dit mengsel door een kolom lopen gevuld met minuscule kraaltjes, die fungeerden als een zeef om de eiwitten op basis van grootte te sorteren. Dit proces isoleerde succesvol de tyrosinase, waarbij werd onthuld dat het een enkel, puur eiwit is met een molecuulgewicht van 75 kilodalton. Dit is een maat voor de grootte van het enzym, wat aangeeft dat het een aanzienlijk molecuul is, ongeveer de grootte van een klein eiwitcomplex. Het gezuiverde enzym was stabiel en actief bij temperaturen tussen 30 en 40 graden Celsius, wat een comfortabele range is voor veel biologische processen, en het werkte het best bij diezelfde neutrale pH van 7,0.

De laatste test was om te zien of dit gezuiverde enzym daadwerkelijk echte vervuiling kon opruimen. Hiervoor moesten de onderzoekers het enzym beschermen zodat het hergebruikt kon worden en niet zou wegspoelen. Ze kapselden het enzym in kleine bolletjes gemaakt van natriumalginaat, een gelachtige substantie afkomstig van zeewier. Denk bij dit proces aan het plaatsen van een delicaat instrument in een beschermende kooi die nog steeds toelaat dat het werkt. Ze lieten deze enzymbolletjes vervolgens in water dat met fenol verontreinigd was. De resultaten waren opmerkelijk. Gedurende een periode van vier uur verwijderden de geïmmobiliseerde enzymbolletjes 95,5 procent van het fenol uit het water. Dit niveau van efficiëntie is aanzienlijk hoger dan veel andere methoden die momenteel in gebruik zijn, die vaak moeite hebben om zelfs maar de helft van de verontreiniging te verwijderen. De studie suggereert dat deze specifieke bacterie, Acinetobacter modestus NIPH 236, en het enzym dat het produceert, een zeer effectieve, milieuvriendelijke oplossing kunnen zijn voor de behandeling van afvalwater uit olieraffinaderijen. Door de natuurlijke kracht van dit micro-organisme aan te boren, kunnen industrieën binnenkort een goedkopere en schonere manier hebben om ons water te beschermen tegen de giftige bijproducten van de energie waarvan we afhankelijk zijn.