백색부후균을 이용한 리그닌 분해에 대하여

 

백색부후균은 리그닌 분해 세포외 산화 효소 생산으로 인해 탈리그닌화 에 가장 효과적입니다 . Phanerochaete chrysosporium , Pleurotus ostreatus , Coriolus versicolor , Cyathus stercoreus 및 Ceriporiopsis subvermispora 와 같은 여러 백색부후균 에 의한 리그닌 분해가 연구되었습니다. 흰부패균리그닌을 분해하여 썩은 나무는 색상이 희끄무레하고 질감이 섬유질이 됩니다. 헤미셀룰로오스 및 셀룰로오스보다 더 쉽게 리그닌을 우선적으로 공격하여 목재를 탈리그닌화하고 풍부한 셀룰로오스를 남깁니다. 그러나 Trametes versicolor , Heterobasidion annosum 및 Irpex lacteus 와 같은 다른 백색부후균은 세포벽 성분을 동시에 분해합니다

백색부후균에 의한 방향족 독성 오염물질의 생분해

백색부후균(WRF)은 전 지구 적 탄소 순환 에서 중요한 역할을 하며 목질 기질에서 자라는 동안 리그닌 분해에 가장 효과적입니다. 그들의 고유한 세포외 비특이적 리그닌 분해 시스템과 세포내 산화 효소는 WRF가 다환 방향족 탄화수소, 폴리염화 비페닐, 아조 염료, 살충제 및 의약품을 포함한 다양한 방향족 독성 오염 물질을 대사하고 분해할 수 있도록 합니다. 수많은 연구가 WRF에 의한 이들 화합물의 분해 메커니즘의 화학, 생화학, 생리학, 독성학 유전학 및 유전체학에 대한 데이터를 제공합니다. 이 지식은 오염된 환경의 실질적인 mycoremediation 프로세스로 이어질 것입니다.

나무 조직에 서식하는 곰팡이

백색부후균(WRF)은 리그닌 분해 세포외 산화 효소의 생성으로 인해 리그닌을 가장 효과적으로 분해할 수 있습니다. 그들은 Basidiomycota 에 속합니다 . 그들은 목재를 분해하여 일반적으로 색상이 희끄무레하고 질감이 섬유질인 목재 잔류물을 남깁니다 . 이 균류는 다양한 다당류(셀룰로오스/헤미셀룰로오스/펙틴) 및 리그닌 분해 효소(예: 락카제 , 망간 퍼옥시다제 및 리그닌 퍼옥시다제)를 생산할 수 있기 때문에 목재 화합물을 완전히 분해할 수 있습니다. 리그닌 퍼옥시다제 와 같은 소위 높은 산화 전위 클래스 II 퍼옥시다제는 일반적으로 WRF를 특징짓는 핵심 효소입니다. WRF는 일반적으로 활엽수 부패와 관련이 있지만, 침엽수를 분해할 수도 있습니다.
WRF에는 두 가지 하위 유형이 있습니다. 목재 잔여물은 부식 종에 따라 색상과 질감이 다를 수 있습니다. 대부분의 WRF(하위 유형 1)는 동시에 부식성 백부병을 나타냅니다. 이 균류는 모든 목재 화합물을 동시에 분해합니다. 중간 라멜라를 향한 세포벽 분해의 점진적인 증가가 가정됩니다. WRF의 작은 부분은 선택적 탈리그닌화를 나타내는 하위 유형 2(선택적 또는 연속적 백색부후병)에 할당될 수 있습니다. 이 균류는 처음에는 리그닌을 공격하고 나중에는 헤미셀룰로오스 와 셀룰로오스를 공격하여 종종 셀룰로오스가 풍부한 잔류물을 남깁니다. WRF 하위 유형 2의 전형적인 종은 Ganoderma spp입니다. 그리고 아르밀라리아종 뿐만 아니라 Xylobolus frustulatus 또는 Dichomitus squalens 와 같은 주머니 및 해면상 백색부후병의 원인입니다. 그러나 Heterobasidion sp. 와 같은 종이 있습니다 . 서로 다른 목재 화합물의 단계별 사용과 동시 분해를 결합합니다. Mucidula mucida 와 같은 다른 것들은 일시적인 무름병을 보입니다.

곰팡이 리그닌 변형 과산화효소 및 H2O2 생산 효소

백색부후균 (예: Phanerochaete chrysosporium , Dichomitus squalens , Trametes versicolor )은 자연에서 가장 효율적인 리그닌 분해제입니다. 그들은 리그닌을 포함하여 식물 세포벽의 모든 구조적 성분을 분해할 수 있습니다. 이 균류는 클래스 II heme peroxidases , laccases 및 H2O2 생성 효소 와 같은 리그닌 변형 효소를 분비하여 탄소원 으로 사용할 수 있는 식물 다당류 에 접근합니다. 백색 썩은 나무는 섬유와 같은 셀룰로오스가 풍부한 물질로 인해 부드럽고 표백된 외관을 가지고 있습니다. 또한, 이산화망간 퇴적물의 검은 반점은 일반적으로 백색부후균에 의해 집락화된 목재에서 관찰됩니다. 백색부후균은 활엽수에서 우세하게 발견되지만 깔짚을 분해하는 곰팡이 종(예: Agrocybe praecox , Stropharia coronilla )도 백색부후를 유발합니다.

환경 생명 공학 및 안전

백색부후균 (WRF)은 담자균류 에 속하는 이질적인 곰팡이 그룹 입니다 . 모든 나무 썩음 담자균의 90% 이상이 백부후 유형입니다. WRF 는 자연의 겉씨 식물 보다 속씨 식물 에서 더 흔하게 발견되며 비선택적 또는 동시 부패를 일으킬 수 있는 반면, 일부 WRF는 목질 식물 세포벽의 리그닌을 셀룰로오스 보다 높은 정도로이를 선택적 WRF라고 합니다. 깔짚 분해 균류, 일반적으로 한천담자균류는 숲과 초원의 깔짚층에서 자라며 이들의 부패 과정은 소위 백색부후 부식토를 형성합니다. 이러한 담자균류의 리그닌분해 시스템이 최근에 연구되었고, 그 결과 적어도 일부 종은 나무부패균보다 덜하지만 리그닌을 분해할 수 있고 나무부패 WRF와 유사한 산화 효소를 보유하고 있음을 보여 줍니다. 깔짚을 분해하는 곰팡이는 토양에 군집을 형성하고 살며 분명히 다른 토양 미생물 과 성공적으로 경쟁할 수 있는 능력이 있기 때문에 이들과 이들의 효소는 오염된 토양을 처리하기에 충분히 이상적이고 강력하다고 생각됩니다.
갈색부후균은 주로 목재의 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 성분을 분해하지만 제한된 범위에서 리그닌을 변형시킬 수도 있습니다. 갈색으로 썩은 나무는 어둡고 수축되며 일반적으로 갈색 가루로 쉽게 부서지는 벽돌 모양 또는 입방체 조각으로 부서집니다. 모든 목부후성 담자균 종의 약 7%에 해당하는 작은 비율만이 이 그룹에 속하며 겉씨식물 나무에서 가장 자주 발생합니 . 리보솜 리보핵산(RNA) 염기서열에 기반한 최근의 계통발생학적 분석은 대부분의 갈색부후균이 WRF에서 반복적으로 진화했으며, 일부 생분해 메커니즘의 선택적 손실에 의해 가장 가능성이 높다고 제안합니다.
Ascomycetous 및 mitosporic fungi는 일반적으로 목재의 무른 부패를 유발합니다. 썩은 나무는 갈색이고 부드러우며 잔여물은 건조할 때 갈라집니다. Daldinia, Hypoxylon 및 Xylaria 와 같은 속의 Ascomycetes는 전형적인 침식 무름병을 일으키기 때문에 무름병 곰팡이와 그룹화됩니다. 담자균류에 비해 자낭 균류 에 의한 리그노셀룰로스 분해 에 대한 지식은 제한적이며 리그닌 분해 방법에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 오염된 토양과 물의 생물학적 정화를 위한 갈색썩음병 및 무름병 곰팡이뿐만 아니라 깔짚 분해 곰팡이의 가능성은 거의 연구되지 않았습니다.

담자균의 효소 - 독특하고 효율적인 생명공학 도구

백색부후균 과 그들의 리그닌 분해 효소는 방향족 아민, 다양한 페놀 화합물을 포함한 광범위한 생체이물 화합물을 변형 및/또는 분해할 수 있는 것으로 입증되었습니다.클로로페놀, 2차 지방족 폴리알코올, 다환방향족탄화수소(PAHs), 제초제, 살충제 등이 있습니다. 두 가지 메커니즘 또는 시스템이 제안되었습니다. 첫 번째는 세포 외 공간의 변형으로 구성되며 리그닌 분해 효소를 포함합니다. 백색부후균 의 이 강력한 능력은많은 오염 물질이 리그닌과 구조적으로 유사하고 리그닌 분해 효소가 비특이적이기 때문에 오염 물질 분자에도 작용할 수 있다는 사실에 있습니다. 또한, 일부 화합물의 변형은 매개체를 사용하여 향상될 수 있으며, 이는 기질을 향한 효소의 반응성을 확장할 수 있습니다. 최근 몇 년 동안, 여러 가지 생체이물 및 다루기 힘든 오염 물질을 생분해하는 백색부후균과 그 효소의 능력은 산업/환경 미생물학 분야에서 상당한 연구 관심을 불러일으켰습니다. 그 결과, 리그닌 분해 효소의 수많은 특성과 응용에 대해 자세히 설명하는 상당한 수의 리뷰가 발표되었습니다. 백색부후균에 의한 몇몇 생체이물의 변형에서 세포외 효소의 참여는 정제된 효소로 수행된 연구에 의해 결정적으로 입증되었습니다.
생체이물 형질전환에 관여하는 백색부후균의 두 번째 시스템은 주로 시토크롬 P450 으로 대표되는 세포내 효소 메커니즘입니다 . 결정적인 데이터를 얻기 위한 진균 시토크롬 P450의 정제는 마이크로솜 준비 동안 효소의 활성화를 유지하는 데 어려움이 있기 때문에 소수의 연구에서만 수행되었습니다. 따라서 대부분의 결론은 piperonyl butoxide 및 1-aminobenzotriazole과 같은 특정 시토크롬 P450 억제제를 배양 배지에 첨가하는 간접 실험 결과에서 도출되었습니다. 직접적인 증거도 있습니다. 일부 실험은 P. ostreatus 에서 분리된 마이크로좀 분획으로 수행되었습니다. 

생체증강 전략의 잠재적 도구로서의 백색부패균

백색부후균은 토양과 물에 도달할 수 있는 다양한 방향족 오염 물질을 분해하거나 변환하여 독성을 줄이는 능력 때문에 유망한 생물학적 정화제입니다. 
백색부후균은 영양분, pH 및 수분 함량 을 포함하는 광범위한 환경 조건을 견딜 수 있으며 더 중요한 것은 성장을 위해 리그노셀룰로오스를 사용할 수 있어 오염된 토양에 접종하기에 적합합니다. 또한, 백색부후균은 다른 자생 미생물 의 성장에 긍정적인 영향을 미쳐 토양의 공극률과 수분 보유 능력을 개선하고 다루기 힘든 오염 물질의 전체 분해를 더 쉽게 만듭니다.
흰썩음병균에 의한 오염물질의 생물변환은 리그닌 분해 효소 또는 균사 결합 산화환원 시스템에 의해 개시되는 여러 유형의 과정을 포함하며 자유 라디칼 과 같은 생성물 을 생성하여 다른 효소 촉매 산화 또는 다음을 통한 기타 비효소적 변환을 겪을 수 있습니다. 효소 연소 과정. 그러나 완전한 오염 물질 광물화 까지는 구조와 독성이 다른 일부 화합물의 존재로 인해 낮은 생태 독성 과 제품의 장기적인 안정성을 보장하기 위해 필요한 다양한 테스트를 사용해야 합니다 .
흰썩음병균에 의한 오염물질 분해 에 대한 첫 번째 연구는 광범위한 오염물질을 분해할 수 있는 유기체인 Phanerochaete chrysosporium 으로 수행되었습니다 . 이 잘 연구된 균류는 종종 리그닌 분해 시스템의 성장 및 발현을 위한 특정 조건을 요구하기 때문에 다양한 환경 조건에서 토양 오염 물질을 변환하고 해독하는 능력에 대해 더 많은 백색 부패 균류 종을 선별했습니다. P. eryngii, P. ostreatus, P. pulmonarius 및 P. sajor-caju를 포함한 여러 Pleurotus 종은 2,4-디코로페놀, 벤조( a) 침수 배양 또는 고체 발효(SSF) 조건 하에서 피렌 및 염소화 비페닐 [19] . Bjerkandera , Coriolopsis, Phlebia 및 Trametes 의 다른 종을 포함하여 대부분의 백색부후성 담자균류 는 오염 물질을 변형시킬 수 있지만 분해 능력은 환경 조건에 크게 좌우됩니다. 따라서 해독으로 이어지는 특정 조건은 각각의 경우에 분석되어야 하며 질소 및 탄소 함량에 특별한 주의를 기울일 뿐만 아니라 락카아제를 크게 향상 시킬 수 있는 보조인자 구리 및 기타 유도제를 보충해야 합니다.생산. 따라서 이러한 미생물의 사용이 매우 유망해 보이지만 오염 물질의 곰팡이 제거에서 최대 효율을 달성하고 실험 작업을 인위적으로 오염된 토양에서 산업 활동으로 인해 환경에 존재하는 오염된 토양으로 옮기기 위해서는 추가 연구가 여전히 필요합니다.

미생물 컨소시엄과 환경적 지속가능성을 위한 응용

백색부후균은 다양한 다당류(셀룰로오스/헤미셀룰로오스/펙틴) 및 리그닌 분해 효소를 생성할 수 있으므로 목재 및 리그노 셀룰로오스 재료를 완전히 분해할 수 있습니다.
백색부후병 진균 및 여러 다른 분류군의 진균은 다수의 엔도글루카나제, 엑소글루카나제를 생성할 수 있습니다. 엔도글루카나아제는 셀룰로오스 사슬의 중추를 무차별적으로 절단하고 , 엑소글루카나아제는 환원 말단 또는 비환원 말단에서 셀룰로오스 사슬을 공격하며, β-글루코시다아제는 포도당을 생성하는 셀로비오스 또는 셀로-올리고당을 공격합니다. 셀룰라아제 는 나무 세포벽 붕괴 부위에서 밀접하게 협력하여 기능하는 것으로 생각됩니다. 다수의 백색부후병 진균(예: Pha. chrysosporium , T. versicolor 및 Pycnoporus cinnabarinus )도 셀로비오스 탈수소효소를 생산하는 것으로 알려져 있습니다.(CDH) 셀룰라아제 및 기타 가수분해 효소의 가수분해 활성을 통해 생성된 산화 생성물용. 리그닌 분해 효소와 비교할 때, Pha 를 제외하고 백색부후균의 셀룰라아제 및 헤미셀룰라아제 시스템에 대한 연구는 상당히 적습니다 . 

모든 부패 그룹의 거의 모든 균류에 의해 분해될 수 있는 고분자 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 와 달리, 리그닌의 완전한 분해는 백색부후균에 대해서만 알려져 있습니다. 목재에서 리그닌은 선형으로 배향되지 않고 다양한 연결을 통해 무작위로 배향됩니다. 리그닌 생체광물화는 연관된 효소 및 보조인자와 함께 제한된 수의 세포외 산화 퍼옥시다제 및 라카제 효소 에 의한 무작위 산화 반응에 의해 수행됩니다 . 서로 다른 효소를 생산하는 능력뿐만 아니라 시간이 지남에 따라 변할 수 있다는 점에서 서로 다른 백색 부패 종 사이에 큰 차이가 있습니다. 이것은 아마도 목재에서 생성할 수 있는 부식 패턴의 유형과 관련이 있을 것입니다. 3가지 주요 과산화효소 시스템이 특성화되었습니다. 그것은 1) 리그닌 과산화효소 (2) 망간 과산화효소 (3) 다목적 과산화효소입니다.

효소는 헴 함유 당 단백질다양한 분자량을 가진 모든 산화제는 H 2 O 2 를 산화제로 필요로 합니다. 백색부후병 진균에 대해 수행된 수많은 선별 연구에서 MnP가 가장 자주 검출되는 과산화효소로 나타나 므로 종종 가장 중요한 것으로 간주됩니다. 대조적으로 VP는 지금까지 Bjerkandera ( adusta ) 및 Pleurotus ( eryngii ) 를 포함하는 식용 백부후균에서만 보고되었습니다 . MnP 및 LiP는 전자 현미경을 사용하여 표시되었습니다. 그러나 과산화효소가 리그닌 생광물화의 가장 바깥쪽 부위까지 붕괴 구역을 통과할 수 있는지 또는 이것이 나무 세포의 다공성 제한 때문에 작은 산화제에 의해 수행되는지 여부는 아직 알려지지 않았습니다. 관련된 효소의 알려진 분자 크기(~35–60,000 달톤). Laccases는 또한 진균의 생리학적 과정에 관여하는 것으로 알려져 있다.거대분자 리그닌에 대한 진정한 효과와 목재의 탈리그닌을 유발하는 능력은 논란의 여지가 있습니다. 그럼에도 불구하고 laccases는 부패 부위에 세포 외적으로 자주 국한되며 형태학적으로 흰색과 갈색 썩음병은 부패 패턴의 유사성을 보여줍니다 . 우세한 백색부후균에서 리그닌과 헤미셀룰로오스는 분해되어 변형된 셀룰로오스 섬유를 남기고 동시에 백색부패의 경우 모든 리그노셀룰로오스 성분이 분해되는 얇은 부패 영역이 세포벽을 가로질러 진행합니다. . 갈색썩음병의 경우 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스가 분해되고 변형된 리그닌(즉, 탈메틸화) 골격이 남습니다. 세 가지 부패 유형 모두에서 제한 요인은 가수분해 및 산화환원효소 의 침투 및 확산을 제한하는 목재 세포벽 다공성입니다.효소. 이 "원격 붕괴" 현상을 설명하기 위해 다양한 산화제가 관련되어 있습니다. 

백색부후병의 진정한 생화학적 사건에 대한 우리의 이해가 여전히 진화하고 있지만 사용되는 시스템이 곰팡이 종과 시간에 따라 다양하다는 데는 의심의 여지가 없습니다. 효소(가수분해/산화)는 아마도 현미경 기술을 사용하여 부패 부위에 위치하는 것으로 나타난 바와 같이 목재의 주요 중합체의 생광물화에 중요한 역할을 할 것입니다. 비효소 시스템도 백부후병에서 중요한 역할을 할 것으로 예상되지만 효소 침투를 위해 목재 세포벽을 여는 것인지 또는 다른 프로세스를 위한 것인지는 아직 완전히 확인되지 않았습니다. 그러한 비효소적 시스템의 관여가 균류의 액체 배양을 사용하여 확인될 것 같지는 않지만 오히려 연구가 목재 기질에 대해 수행되어야 합니다.