Imobilizovaný enzym - Immobilized enzyme

Enzymy imobilizované v kuličkách z alginátového gelu

An imobilizovaný enzym je enzym připojený k inertnímu, nerozpustnému materiálu - jako je např alginát vápenatý (vyrobeno reakcí směsi alginát sodný roztok a enzymový roztok s chlorid vápenatý ). To může poskytnout zvýšenou odolnost vůči změnám podmínek, jako je pH nebo teplota. Umožňuje také udržovat enzymy na místě po celou dobu reakce, po které se snadno oddělí od produktů a lze je použít znovu - mnohem efektivnější proces, a proto se v průmyslu široce používá enzym katalyzovaný reakce. Alternativou k imobilizaci enzymů je imobilizace celých buněk.[1][2]

Komerční použití

Imobilizované enzymy jsou velmi důležité pro komerční použití, protože mají mnoho výhod, jejichž náklady a procesy reakce zahrnují:

  • Pohodlí: Malá množství protein rozpustit v reakci, takže zpracování může být mnohem jednodušší. Po dokončení reakční směsi obvykle obsahují pouze solventní a reakční produkty.
  • Ekonomika: Imobilizovaný enzym je snadno odstraněn z reakce, což usnadňuje jeho recyklaci biokatalyzátor. To je zvláště užitečné v procesech, jako je výroba mléka bez laktózy, protože mléko lze vypustit z nádoby opouštějící enzym (Laktáza ) uvnitř připraven na další dávku.
  • Stabilita: Imobilizované enzymy mají obvykle vyšší tepelný a provozní stabilita než rozpustná forma enzymu.[3]

V minulosti biologické prací prášky a detergenty obsahovaly mnoho proteáz a lipáz, které štěpily nečistoty. Když však čisticí prostředky přišly do styku s lidskou pokožkou, vyvolaly alergické reakce. To je důvod, proč je imobilizace enzymů důležitá, nejen ekonomicky.

Imobilizace enzymu

Existuje mnoho způsobů, jak lze znehybnit enzym:

  • Vazba afinitních značek: Enzymy mohou být imobilizovány na povrchu, např. v porézním materiálu pomocí nekovalentních nebo kovalentních Proteinové značky. Tato technologie byla zavedena pro účely čištění proteinů. Tato technika je obecně použitelná a lze ji provést bez předchozího čištění enzymů čistým přípravkem. Používá se porézní sklo a jeho deriváty, kde porézní povrch může být upraven z hlediska hydrofobicity tak, aby vyhovoval danému enzymu.[4]
  • Adsorpce na sklo, alginátové kuličky nebo matrici: Enzym je navázán na vnější stranu inertního materiálu. Obecně je tato metoda nejpomalejší z těch, které jsou zde uvedeny. Protože adsorpce není chemická reakce, aktivní místo imobilizovaného enzymu může být blokováno matricí nebo kuličkami, což výrazně snižuje aktivitu enzymu.
  • Zachycení: Enzym je zachycen nerozpustný kuličky nebo mikrokuličky, jako např alginát vápenatý korálky. Tyto nerozpustné látky však brání příchodu substrátu a výstupu produktů.
  • Zesílení: Enzymové molekuly jsou kovalentně navzájem se spojily a vytvořily matici sestávající z téměř jediného enzymu. Reakce zajišťuje, že vazebné místo nepokrývá enzym Aktivní stránky, aktivita enzymu je ovlivněna pouze nehybností. Nepružnost kovalentních vazeb však vylučuje samoléčebné vlastnosti, které vykazují samovolně sestavené monovrstvy chemoadsorbované. Použití distanční molekuly jako poly (ethylenglykol ) pomáhá v tomto případě snížit sterickou zábranu substrátem.
  • Kovalentní vazba: Enzym je vázán kovalentně na nerozpustný nosič (jako je silikagel nebo makroporézní polymerní kuličky s epoxidovými skupinami). Tento přístup poskytuje nejsilnější interakci enzym / podpora, a tak nejnižší únik bílkovin během katalýzy.[5]

Náhodná versus imobilizace enzymu zaměřená na místo

Četné enzymy biotechnologického významu byly imobilizovány na různých nosičích (anorganické, organické, kompozitní a nanomateriály) prostřednictvím náhodného vícebodového připojení. Avšak imobilizace náhodnou chemickou modifikací vede k heterogenní proteinové populaci, kde více než jeden postranní řetězec (amino, karboxyl, thiol atd.) Přítomný v proteinech je spojen s podporou s potenciálním snížením aktivity v důsledku omezení přístupu substrátu k aktivnímu místu .[6]

Naproti tomu při imobilizaci cíleně řízeného enzymu může být podpora spojena s jedinou specifickou aminokyselinou (obvykle N- nebo C-zakončením) v molekule proteinu mimo aktivní místo. Tímto způsobem je zachována maximální aktivita enzymu díky volnému přístupu substrátu k aktivnímu místu. Tyto strategie jsou převážně chemické, ale mohou dále vyžadovat genetické a enzymatické metody pro generování funkčních skupin (které v proteinu chybí) na nosiči a enzymu.

Volba metody SDCM závisí na mnoha faktorech, jako je typ enzymu (méně stabilní psychrofilní nebo stabilnější termofilní homolog), stabilita pH enzymu, dostupnost N- nebo C-konců činidla, nezasahování konec enzymu s aktivitou enzymu, typ zbytku katalytické aminokyseliny, dostupnost, cena a snadnost přípravy reagencií. Například generování doplňkových klikatelných funkcí (alkyn

a azid) na nosiči a enzymu je jedním z nejvhodnějších způsobů imobilizace enzymů prostřednictvím místně cílené chemické modifikace.[7]

Imobilizace substrátu pro enzymatické reakce

Další široce používanou aplikací imobilizačního přístupu spolu s enzymy jsou enzymatické reakce na imobilizovaných substrátech. Tento přístup usnadňuje analýzu enzymových aktivit a napodobuje výkon enzymů např. buněčné stěny.[8]

Reference

  1. ^ Zaushitsyna, O .; Berillo, D .; Kirsebom, H .; Mattiasson, B. (2013). "Kryostrukturované a zesítěné životaschopné buňky tvořící monolity vhodné pro aplikace v bioreaktorech". Témata v katalýze. 57 (5): 339. doi:10.1007 / s11244-013-0189-9.
  2. ^ Aragão Börner, R .; Zaushitsyna, O .; Berillo, D .; Scaccia, N .; Mattiasson, B .; Kirsebom, H. (2014). „Imobilizace Clostridium acetobutylicum DSM 792 jako makroporézních agregátů kryogelací pro výrobu butanolu“. Procesní biochemie. 49: 10–18. doi:10.1016 / j.procbio.2013.09.027.
  3. ^ Wu, Hong; Liang, Yanpeng; Shi, Jiafu; Wang, Xiaoli; Yang, Dong; Jiang, Zhongyi (duben 2013). "Zvýšená stabilita katalázy kovalentně imobilizovaná na funkcionalizovaných titanových mikrosférách". Věda o materiálech a inženýrství: C. 33 (3): 1438–1445. doi:10.1016 / j.msec.2012.12.048. PMID  23827593.
  4. ^ Engelmark Cassimjee, K .; Kadow, M .; Wikmark, Y .; Svedendahl Humble, M .; Rothstein, M.L .; Rothstein, D. M .; Bäckvall, J. -E. (2014). „Obecná metoda čištění a imobilizace bílkovin na skle s řízenou pórovitostí: biokatalytické aplikace“. Chemická komunikace. 50 (65): 9134–7. doi:10.1039 / C4CC02605E. PMID  24989793.
  5. ^ Zucca, Paolo; Sanjust, Enrico (9. září 2014). „Anorganické materiály jako podpora imobilizace kovalentní enzymy: metody a mechanismy“. Molekuly. 19 (9): 14139–14194. doi:10,3390 / molekuly 19014149. PMC  6272024. PMID  25207718.
  6. ^ Psychrofily: od biologické rozmanitosti po biotechnologii. Margesin, Rosa, 1962- (druhé vydání). Cham, Švýcarsko. 2017-06-22. ISBN  978-3-319-57057-0. OCLC  991854426.CS1 maint: ostatní (odkaz)
  7. ^ Shemsi, Ahsan Mushir; Khanday, Firdous Ahmad; Qurashi, Ahsanulhaq; Khalil, Amjad; Guerriero, Gea; Siddiqui, Khawar Sohail (květen 2019). „Místně zaměřené chemicky modifikované magnetické enzymy: výroba, vylepšení, biotechnologické aplikace a budoucí vyhlídky“. Biotechnologické pokroky. 37 (3): 357–381. doi:10.1016 / j.biotechadv.2019.02.002. ISSN  0734-9750. PMID  30768953.
  8. ^ Gray, C. J .; Weissenborn, M. J .; Eyers, C.E .; Flitsch, S.L. (2013). "Enzymatické reakce na imobilizovaných substrátech". Recenze chemické společnosti. 42 (15): 6378–405. doi:10.1039 / C3CS60018A. PMID  23579870.