Блог компании ua-hosting.company. Не будет преувеличением, если сказать, что фактически у каждого в аптечке есть перекись водорода. Любой порез или царапина часто следовали одной и той же схеме обработки: перекись, зеленка, пластырь. Кто в детстве любил и умел находить приключения на одно место, а потому получал травмы разной степени тяжести, прекрасно помнит пощипывание и вспенивание перекиси на «вавке» и возмущенные причитания родителей.

Помимо первой помощи H₂O₂ применяется и в косметологии, и в пищевой промышленности, и даже при разработке электроники. Проблема в том, что современные методы получения столь полезного вещества крайне сложны и затратны. Посему ученые из Токийского университета (Япония) предложили использовать то, что также частенько встречается в каждом доме, а именно кофе и чай. Как именно эти напитки помогают в синтезе H₂O₂, при чем тут бактерии, и насколько новый метод эффективен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Первым делом ученые напоминают нам о Р450 — надсемействе гемсодержащих белков, которые вводят один атом кислорода, полученный из молекулярного кислорода (O₂), в органическую молекулу. Монооксигеназы Р450 катализируют прямое окисление различных соединений регио — и стереоселективным* образом в условиях окружающей среды.

Региоселективность * — явление, при котором в химической реакции один путь разрыва и образования связей преобладает над остальными возможными путями.

Стереоселективность * — преимущественное образование в химической реакции одного стереоизомера над другим.

Стереоизомеры * — химические соединения, имеющие одинаковое строение, но отличающиеся пространственным расположением атомов.

Фрагмент гема* в каталитическом центре P450 активирует O₂, используя электроны, переданные от NAD(P)H компонентами редуктазы*.

Гемы * — комплексные соединения порфиринов с двухвалентным железом, несущие один или два аксиальных лиганда. Гемы выступают в роли простетических групп (небелковых частей) белков.

Редуктаза * — фермент, катализирующий окислительно-восстановительные реакции в живых клетках.

Однако, поскольку монооксигеназам P450 требуется NAD(P)H в качестве кофермента (катализатор ферментов), этот биотехнологический процесс может быть сложным, поскольку требуется непрерывная поставка этого дорогостоящего кофермента для достижения эффективного производства окисленных химических веществ.

Но вот пероксигеназы P450 используют перекись водорода (H₂O₂) вместо O₂ для образования соединения. Поскольку для пероксигеназ Р450 не требуется NAD(P)H, эти ферменты имеют преимущество для практического применения.

CYP152A1 бактерии Bacillus subtilis является прототипом бактериальной пероксигеназы P450, которая катализирует гидроксилирование длинноцепочечных насыщенных жирных кислот.

Пероксигеназы P450, как уже было сказано, требуют H₂O₂ в качестве окислителя. В настоящее время H₂O₂ производится с помощью антрахинонового процесса, в котором антрахинон восстанавливается до антрагидрохинона газообразным водородом на палладиевом катализаторе в органическом растворителе. Полученный антрагидрохинон восстанавливает O₂ с образованием H₂O₂, который извлекается с помощью жидкостной экстракции. Этот многоэтапный метод требует значительных затрат энергии и приводит к значительным потерям, что отрицательно сказывается на устойчивости процесса и увеличивает производственные затраты.

На данный момент уже есть исследования некоторых альтернативных методов. К примеру, глюкозооксидаза может быть использована для соединения окисления глюкозы и восстановительной активации O₂ с образованием H₂O₂, которая запускает реакции окисления, катализируемые пероксигеназой. Также рассматривались полупроводники на основе TiO₂, которые генерируют H₂O₂ из O₂ под световым облучением с использованием расходуемых доноров электронов, таких как метанол.

Эти in situ (на месте, в естественной среде) методы, как отмечают ученые, позволяют генерировать низкие концентрации H₂O₂, тем самым облегчая проблему инактивации пероксигеназ P450 окислителем. Однако ферментативные и фотокаталитические методы являются более дорогими, чем прямое добавление H₂O₂, из-за потребности в катализаторах (например, глюкозооксидаза и TiO₂-полупроводники) и донорах электронов (например, глюкозе и метаноле) для производства H₂O₂. Следовательно, идеальный метод пока еще не был найден.

И тут авторы рассматриваемого нами труда задаются любопытным вопросом — какой самый популярный безалкогольный напиток в мире? Кофе, конечно же. По данным на 2020 год в мире было потреблено порядка 10 миллионов тонн кофейных зерен.

Потребление кофе приводит к образованию большого количества отработанной кофейной гущи (SCG от spent coffee ground), которая в основном выбрасывается как отходы из-за отсутствия экономической ценности. Для сравнения, чай является вторым по популярности безалкогольным напитком в мире, и потребление большого количества чая также приводит к образованию большого количества остатков чайного листа (TLR от tea leaf residue), которые создают такую же проблему с отходами, что и SCG. Повышенное внимание научного сообщества к проблемам экологии и отходов привело к началу поисков возможного применения SCG и TLR.

Поскольку эти отходы состоят из большого количества органических соединений, таких как полисахариды и полифенолы, они могут служить в качестве биоресурса для топлива и синтеза ценных химических веществ. Полифенолы, такие как хлорогеновая кислота и кофейная кислота, присутствуют в больших количествах в кофе, а катехины в изобилии содержатся в чае. Это биологически активные молекулы, которые оказывают множество полезных эффектов, включая антиоксидантную и противораковую активность. Интересно, что полифенолы в кофе и чае также действуют как прооксиданты, восстанавливая O₂ с образованием окислителя H₂O₂, что связано с антимикробной активностью этих соединений.

Учитывая вышеописанные свойства, вполне ожидаемо, что ученые решили попробовать SCG и TLR в качестве основы для синтеза перекиси водорода.