Bilirubin ist das Produkt des physiologischen Katabolismus eisenhaltiger Porphyrinverbindungen bei Tieren. Bilirubin spielt im Organismus eine wichtige Rolle. Es wirkt als Antioxidans und unterstützt die Regeneration von Leberzellen. Bei Stoffwechselstörungen kann sich Bilirubin jedoch im Körper anreichern, was zu einer Hyperbilirubinämie und sogar zu Ikterus führen kann. Bilirubinoxidase kann die Oxidation von Bilirubin katalysieren und dabei nicht-toxische Bilirubin-Derivate bilden. Sie wird hauptsächlich zur Bestimmung des Bilirubingehalts im Serum eingesetzt; die Serum-Bilirubinkonzentration dient als wichtige Grundlage für die Diagnostik hepatobiliärer Erkrankungen und kann zudem Informationen für die pathologische Analyse liefern. In den letzten Jahren wird Bilirubinoxidase auch für den Abbau von Farbstoffen sowie in der Herstellung von Bio-Batterien eingesetzt, wodurch sich ihr Anwendungsspektrum erheblich erweitert hat.

Abbildung 1. Struktur von Bilirubin.

Quelle der Bilirubinoxidase

Bilirubinoxidase ist eine Polyphenoloxidase. Die ersten Untersuchungen zur Bilirubinoxidase wurden von Murao und Tanaka, zwei ausländischen Wissenschaftlern, durchgeführt. Sie reinigten Bilirubinoxidase aus einem Pilz der Gattung Lactobacillus. Dies legte eine wichtige theoretische Grundlage für die nachfolgende Forschung und Anwendung der Bilirubinoxidase. Die Quellen der Bilirubinoxidase sind besonders vielfältig, wobei Lactobacillus als Hauptquelle und als hochproduzierender Mikroorganismus gilt. Zu den Mikroorganismen, die Bilirubinoxidase produzieren, zählen Streptomyces, Frankia, Ganoderma lucidum und Penicillium violaceum. Maitins stellte in Untersuchungen fest, dass auch das Sporenhüllenprotein von B. subtilis eine Bilirubinoxidase-Aktivität aufweist. Darüber hinaus haben ausländische Forschungsteams Bilirubinoxidase auch aus Pflanzen wie Kartoffeln, Zwiebeln, Luzerne und Tomaten isoliert.

Abbildung 2. Proteinstruktur von Bilirubinoxidasen.

Anwendung der Bilirubinoxidase

1. Klinische Diagnostik und Therapie

Bilirubinoxidase findet in der Medizin ein breites Anwendungsspektrum. Sie wird vor allem zur Bestimmung von Bilirubin und Gesamtbilirubin im Serum eingesetzt. Im Vergleich zu chemischen Methoden ermöglicht sie eine sensitivere und präzisere Überwachung von Leber- und Gallenwegserkrankungen und liefert damit detaillierte Informationen für die pathologische Befundung. Zur Vereinfachung der Bestimmung wurde Bilirubinoxidase in Form von Testkits verfügbar gemacht, mit denen der Bilirubingehalt von Patientinnen und Patienten schnell bestimmt und Ikterus klinisch diagnostiziert werden kann. Darüber hinaus ist bei Patientinnen und Patienten mit schwerem Ikterus im Rahmen der klinischen Behandlung häufig eine Bestimmung von Kreatinin im Serum erforderlich; diese Messung kann jedoch durch Bilirubin im Serum beeinträchtigt werden. Bilirubinoxidase kann eingesetzt werden, um Bilirubin im Serum zu eliminieren und damit Interferenzen zu reduzieren, den ordnungsgemäßen Ablauf der Kreatininmessung sicherzustellen und die Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu erhöhen. Bilirubinoxidase ist ein extrazelluläres Enzym, das sich nur schwer isolieren lässt. Während der Isolations- und Reinigungsprozesse ist es instabil, wodurch die Enzymaktivität deutlich abnimmt und die Ausbeute sinkt. Zur Überwindung dieser Probleme kann das Enzym immobilisiert werden. Immobilisierte Enzyme sind stabiler, können die katalytische Effizienz erhöhen und ermöglichen eine einfachere Steuerung und Kontrolle der Enzymreaktion.

2. Behandlung von Abwasser aus der Umwelt

Mit der raschen industriellen Entwicklung werden zunehmend chemische Abwässer sowie Abwässer aus der Druck- und Färbeindustrie in die Umwelt eingeleitet, was zu Umweltbelastungen führt. Über lange Zeit wurden Abwässer hauptsächlich mit physikalischen und chemischen Verfahren behandelt. Physikalische Verfahren sind dabei langsam und mit langen Prozesszyklen verbunden. Mit der vertieften Erforschung von Enzymen wird eine biologische Abwasserbehandlung möglich. Bilirubinoxidase und Laccase sind beide Polyphenoloxidasen und weisen daher ähnliche Eigenschaften und Wirkungen auf.

Literatur

1. Mosqueda, L.; et al. The Life Cycle of Bruises in Older Adults. Journal of the American Geriatrics Society. 2005, 53 (8): 1339-1343.
2. Macedo LJ.; et al. Assessing electron transfer reactions and catalysis in multicopper oxidases with operando X-ray absorption spectroscopy. Nature Communications. 2020, 11 (1): 316.