Kofeina (1,3,7-trimetyloksantyna) to naturalny alkaloid szeroko rozpowszechniony w przyrodzie. Związek ten występuje w liściach, nasionach i owocach ponad 60 gatunków roślin (m.in. w nasionach krzewu kawowego, a także w roślinach z rodzin Sterculiaceae), gdzie pełni funkcję naturalnego pestycydu. Obecnie kofeina należy do najczęściej stosowanych substancji psychoaktywnych. Zawarta jestw kawie, herbacie, napojach energetycznych, a nawet kosmetykach czy lekach (głównie na astmę i inne choroby płuc).

Kofeina charakteryzuje się toksycznym oddziaływaniem w stosunku do wielu grup organizmów. Stwierdzono m.in. że związek ten może hamować wzrost wielu bakterii i ograniczać kiełkowanie nasion niektórych roślin. U człowieka kofeina z łatwością przenika przez barierę krew-mózg i łożysko. Przedostaje się także do płynu owodniowego, mleka i nasienia. Substancja ta szybko wchłania się z przewodu pokarmowego i przenika do tkanek i narządów. Kofeina przekształcana jest w wątrobie, na drodze demetylacji, do paraksantyny, teobrominy i teofiliny.

Pomimo faktu, że kofeina jest dobrze metabolizowana przez organizm człowieka, jej obecność w wodach powierzchniowych jest znaczna, szczególnie w bliskiej obecności siedzib ludzkich. Do podstawowych źródeł zanieczyszczeń należy: mycie naczyń wykorzystywanych w procesie przygotowania napojów, wyrzucanie fusów z kawy i herbaty, wyrzucanie niezużytych leków do ścieków i na wysypiska.

Bakterie zdolne do rozkładu kofeiny zostały wyizolowane z próbek gleby już latach 70. XX wieku. Szczep Pseudomonas putida CBB5 wydzielono stosując kofeinę jako jedyne źródło węgla i azotu i wykazano, że jest on zdolny do przekształcania tego związku doksantyny i formaldehydu na drodze demetylacji. Monooksygenazy i reduktazy katalizujące ten proces kodowane są u P. putida CBB5 przez cztery geny: ndmA, ndmB, ndmC i ndmD. Z uwagi na te umiejętności szczep ten może być z powodzeniem wykorzystywany do usuwania kofeiny i jej pochodnych ze ścieków. Metoda ta ma jednak pewne ograniczenie. Raz wprowadzone do obiegu bakterie są później trudne do wyeliminowania.

Problem rozwiązali ostatnio naukowcy z University of Texas i University of Iowa pod kierownictwem profesora Barricka. Wykorzystując techniki inżynierii genetycznej przenieśli oni geny odpowiedzialne u P. putida CBB5 za przekształcania kofeiny do komórek Escherichia coli. Bakteria ta niedość, że dobrze poznana i łatwa w hodowli, charakteryzuje się dużą podatnością na wszelkie modyfikacje genetyczne.

Okazało się, że komórki E. coli z wklonowanym syntetycznym operonem wydajnie przekształcały kofeinę do ksantyny stanowiącej prekursor guaniny - jednej z zasad azotowych budujących DNA lub RNA. Co więcej zmodyfikowane bakterie w warunkach deficytu kofeiny, nie były zdolne do produkcji guaniny de novo, a tym samym do syntezy kwasów nukleinowych.

Zdaniem naukowców w praktyce może to oznaczać, że po oczyszczeniu dowolnych ilości wody, bakterie same giną. Skonstruowany szczep może ponadto znaleźć zastosowanie jako biosensor służący do pomiaru zawartości kofeiny w napojach oraz w procesie odzyskiwania składników odżywczych z produktów ubocznych przetwórstwa kawy. Zmodyfikowany szczep E. coli można również wykorzystać do biosyntezy metyloksantynowych leków.

Anna Jasińska

Źródło: E.M. Quandt,M.J. Hammerling,R.M. Summers,P.B. Otoupal,B. Slater,R.N. Alnahhas,A. Dasgupta,J.L. Bachman,M.V. Subramanian, J.E. Barrick. Decaffeination and Measurement of Caffeine Content by Addicted Escherichia coli with a Refactored N-Demethylation Operon from Pseudomonas putida CBB5.ACS Synthetic Biology, March 2013, doi:10.1021/sb4000146.