微生物カフェイン分解の異化経路とバイオテクノロジー応用

微生物におけるカフェイン（1,3,7-トリメチルキサンチン）の異化は、脱メチル化と酸化という2つの可能なメカニズムを介して始まります。脱メチル化経路を介して、菌類で形成される主要な代謝物はテオフィリン（1,3-ジメチルキサンチン）であり、一方、テオブロミン（3,7-ジメチルキサンチン）は細菌の主要な代謝物です。特定の細菌種では、カフェインも単一のステップでトリメチル尿酸に直接酸化されています。カフェインの代謝物への変換は、主にN-デメチラーゼ（カフェインデメチラーゼ、テオブロミンデメチラーゼ、ヘテロタキシン酸メチラーゼなど）、カフェインオキシダーゼ、キサンチンオキシダーゼによってもたらされます。アルカリゲン属、ロドコッカス、クレブシエラ。これらの酵素を使用したり、細胞全体を使用したりしたバイオデバフィア化技術の開発は、現在の既存の化学的および物理的方法の魅力的な代替品を提供します。カフェインは、コストがかかり、毒性があり、カフェインに対して非特異的です。このレビューは、主に微生物カフェイン分解の生化学に焦点を当てており、最近の進歩とカフェイン分解酵素の潜在的なバイオテクノロジー応用を示しています。

Catabolism of caffeine (1,3,7-trimethylxanthine) in microorganisms commences via two possible mechanisms: demethylation and oxidation. Through the demethylation route, the major metabolite formed in fungi is theophylline (1,3-dimethylxanthine), whereas theobromine (3,7-dimethylxanthine) is the major metabolite in bacteria. In certain bacterial species, caffeine has also been oxidized directly to trimethyl uric acid in a single step. The conversion of caffeine to its metabolites is primarily brought about by N-demethylases (such as caffeine demethylase, theobromine demethylase and heteroxanthinedemethylase), caffeine oxidase and xanthine oxidase that are produced by several caffeine-degrading bacterial species such as Pseudomonas putida and species within the genera Alcaligenes, Rhodococcus and Klebsiella. Development of biodecaffeination techniques using these enzymes or using whole cells offers an attractive alternative to the present existing chemical and physical methods removal of caffeine, which are costly, toxic and non-specific to caffeine. This review mainly focuses on the biochemistry of microbial caffeine degradation, presenting recent advances and the potential biotechnological application of caffeine-degrading enzymes.