(Bio)degradation Pathways of Nitroaromatic Explosives
正のΘzzを持つTNTは、芳香族核とニトロ基のN原子の親電子性により、主に求核的、還元的な(Bio)変態を起こす(Stenuit and Agathos, 2010)。
その結果，TNTは，電子対の3つの連続した移動を通じて，ニトロソ，ヒドロキシルアミノ，そして最終的にはアミノ芳香族誘導体に容易に還元される（Stenuit and Agathos, 2010）。 最初の4電子ニトロ還元ステップは、典型的なNAD(P)H依存性の酸素非感受性(タイプI)ニトロレダクターゼ(Stenuit and Agathos, 2010)とOld Yellow Enzyme (OYE)ファミリーのタイプIおよびタイプIIヒドリドトランスフェラーゼ(van Dillewijn et al., 2008)によって触媒される。
さらに、TNTはオキシゲナーゼによる従来の求電子的攻撃を受けない。 逆に、TNTは、還元されたピリジンヌクレオチドと緑膿菌が分泌するレドックス活性代謝物であるパイオシアニンを含むバイオミメティックシステムで観察されたように、スーパーオキシドによる求核攻撃を受けやすい(Stenuit et al., 2009, Stenuit et al., 2012)。 さらに、TNTの陰イオンσ付加体（TNTマイゼンハイマー複合体とも呼ばれる）は、負に帯電した水素原子、H-（ヒドリドイオン）などの求核剤とTNTの芳香環との間の共有結合形成によって容易に生成される。 これまでに、TNTの芳香環にヒドリドイオンの求核付加を触媒する細菌や植物由来の酵素がいくつか報告されており、その中には特定のNAD(P)H依存性タイプII OYEヒドリドトランスフェラーゼ（図3(a) Beynon et al., 2009, Durchschein et al., 2013）や、より少ない程度ではあるが、F420依存性の放線菌ヒドリドトランスフェラーゼ（Heiss and Knackmuss, 2002）などがある。 TNTの芳香環へのヒドリドイオンの移動に続いて、TNTのヒドリドおよびジヒドリドのマイゼンハイマー錯体（それぞれ、-TNTおよび-TNT）が生成され、さらに、典型的には反応媒体に蓄積されるTNTの亜硝酸および多様な脱窒素代謝物を生成することができる。 そのため、TNTの窒素が亜硝酸還元酵素やグルタミン酸合成酵素（GS-GOGAT）の活性を介してさらに同化されたとしても、TNTの脱窒代謝物は炭素源として利用できないことが一般的に観察されています。 このように、化学的・代謝的な経路の誤りは、TNTのユニークで有益な生分解経路の出現を妨げることになります。 例えば、TNT代謝物の縮合生成物は、(i)ニトロソとヒドロキシルアミノ-ジニトロトルエンの異性体の間で生成され、4,4′,6,6′-テトラニトロ-2,2′-アゾキシトルエンのようなテトラニトロアゾキシトルエン化合物を形成し、(ii)ヒドロキシルアミノ-ジニトロトルエンの異性体とTNTのプロトン化された二水和物マイゼンハイマー錯体の間で生成され、二次ジアリールアミンを形成する(van Dillewijn et al., 2008)。 ニトロ部位の還元から得られるTNT代謝物は、メチル部位の酸化やアミノ部位のアセチル化を受けることもある(Stenuit and Agathos, 2010)。 これらの多様な化合物は蓄積されるため、一般的にデッドエンド代謝物と呼ばれている。
図3. ニトロ爆発物の生分解は、(a)OYEファミリーのいくつかのメンバー（例, PETN還元酵素など）、（b）npdクラスターのF420依存性還元酵素、（c）XplA-XplBシステムが触媒するニトロ爆発物の生分解。
しかし、最近では、(i)TNTの一水和物マイゼンハイマー複合体から代謝性化合物2,4-ジニトロトルエン(2,4-DNT)を生成するという有益なTNT生分解経路を報告している著者もいます(Stenuit and Agathos, 2010, Ziganshin et al,
TNTの一水和物であるマイゼンハイマー複合体から、2,4-DNT（ジニトロトルエン）が放出されたことを示す証拠（Stenuit and Agathos, 2010, Ziganshin et al,
酵母Yarrowia lipolyticaとGeotrichum candidumの異化能力と、有機酸の産生による培養液の酸性化を利用して、Ziganshinら（2010a,b）は、酸性条件下（すなわち、pHiv id, C3-TNTは、酸性条件下（pH< 4.2）で、鉱化可能なTNT脱窒代謝物である2,4-DNTに変換されることが報告されている（Johnson et al,
Gallagherら（2010）はDNA-SIPとT-RFLPを用いて、嫌気性の有機物に富んだ河口堆積物に最初に存在したLysobacter taiwanensis株が、硫黄発生条件下でTNTを炭素源と窒素源の両方として利用することを報告した。 しかし、TNTがLysobacter細胞のバイオマスに一次基質として、あるいは共基質として取り込まれる（コメタボリズム）ことはまだ解明されていない。 L. taiwanensisが触媒する完全な生分解経路を解読するためには、軸性培養での追加実験が必要であるが、嫌気性細菌がTNTからNとCの両方を同化することが明確に示されたことは、嫌気性TNT汚染環境のバイオオーグメンテーション試験など、新たな有望な修復方法の可能性を秘めている。
文献に報告されているTNTの生分解経路は、もっぱらコメタブリズムに支えられていますが、放線菌目の特定の細菌は、ニトロ部位を還元することなくTNPを唯一の窒素、炭素、エネルギー源として利用することが報告されています（例：ピクラミン酸。 ピクラミック酸（TNPのモノアミノ誘導体）など）が報告されている（Hofmann et al.2004）。 TNPの主要な分解経路は、酵素による芳香族核へのヒドリドの移動と、それに続く一連の脱窒反応、そして切断された代謝物のトリカルボン酸（TCA）サイクルへの流入である。 TNP分解遺伝子クラスター（npdクラスター）の特徴として、さまざまな誘導因子と転写制御因子NpdRが同定されている（Nga et al. Rhodococcus opacus HL PM-1におけるTNPの周辺異化経路に関与する酵素は、npdIにコードされるヒドリドトランスフェラーゼII（HTII）とnpdCにコードされるヒドリドトランスフェラーゼI（HTI）であり、それぞれTNPの一水素化物マイゼンハイマー錯体（-TNP）とTNPの二水素化物マイゼンハイマー錯体（-TNP）を生成する（Nga et al.、2004）。 HTIIとHTIの活性は、npdGにコードされているNADPH依存性のF420リダクターゼ（NdfR）に依存しており、NADPHとF420の間の電子シャトルとして機能している。 図3(b)に描かれているように、還元型補酵素F420H2からTNPの芳香環へのヒドリドの移動は、HTII/HTIによって触媒される(Nga et al., 2004)。 Nocardioides simplex FJ2-1Aでは、ユニークなヒドリドトランスフェラーゼ（HT）が-TNPと-TNPの生成を触媒することを除いて、TNPの同じ周辺異化経路が起こる（Hofmann et al. その後、npdHにコードされている互変異性酵素NpdHが-TNPのプロトンシフト互変異性を触媒し、ニトロ体（R2C(- H)NO2）とアシルニトロ体（R2C=N+(- O-)OH）が平衡状態で生成される。 後者は、R. opacus HL PM-1またはN. simplex FJ2-1Aの無細胞抽出物（オーファンデニトラーゼを含む）を触媒とする酵素脱硝反応を経て、2,4-ジニトロフェノール（2,4-DNP）の一水和物のマイゼンハイマー錯体を形成する（Hofmann et al. HTI-NdfR（またはHT-NdfR）システムによる2回目の水素化に続いて、二水和物の中間体はpH7.5でプロトン化されて2,4-ジニトロシクロヘキサノンを形成し、これがヒドロクラス触媒による切断を受けて4,6-ジニトロヘキサノエートとなる。
TNT類縁体であるテトリルの生分解では、その加水分解によりTNPが生成され、これが微生物による完全な生分解を受けることが認められている（Lewis et al.
結論として、単一の微生物がTNTの生分解から利益を得るのに十分な反応を行うことはありません（Copley, 2009）。 鉱化経路の出現は、1つの微生物の中で複数の連続した反応が見られる場合、より迅速に行われる可能性がある。 2,6-DNPの初期反応として、ジオキシゲナーゼ触媒による亜硝酸の脱離が報告されているが(Ecker et al., 1992)、2,4-DNPの求電子攻撃については、水酸基の負の誘導効果と特異な立体障害のため、これまで報告されていない。 そのため、2,4-DNPとTNPでは、芳香環系の初期水素化が共通して見られ、これらの生分解が単一の微生物の同じ酵素機構によって触媒されていると考えられる。 逆に、TNTとDNTの異性体では、生分解経路が異なることが観察されている。 実際、2,4-DNTと2,6-DNTは、最初のジオキシゲナーゼ反応を経て完全に分解される(Johnson et al., 2002)。 その結果、TNTの鉱化を得るための適切な戦略として、例えば、TNTの2,4-DNTへの還元的脱硝に続いて2,4-DNTの酸化的生物変換を行うといった合成プロセスが提案されている（Tront and Hughes, 2005）。 しかし、純粋培養でも混合培養でも、TNTの脱硝時には複数の競合経路が発生し、その結果、DNTの異性体ではなく、脱硝された代謝物が行き止まりとなってしまう。 このような観点から、酵母菌によるTNT生分解から2,4-DNTが生成されるという実験的証拠（Ziganshin et al.