Иммобилизованный фермент - Immobilized enzyme

Ферменты, иммобилизованные в шариках альгинатного геля

An иммобилизованный фермент является фермент прикреплен к инертному нерастворимому материалу, например альгинат кальция (образуется в результате реакции смеси альгинат натрия раствор и раствор фермента с хлорид кальция ). Это может обеспечить повышенную устойчивость к изменениям условий, например: pH или температура. Это также позволяет ферментам удерживаться на месте на протяжении всей реакции, после чего они легко отделяются от продуктов и могут использоваться снова - гораздо более эффективный процесс, поэтому он широко используется в промышленности для фермент катализированный реакции. Альтернативой иммобилизации ферментов является иммобилизация целых клеток.^[1][2]

Коммерческое использование

Иммобилизованные ферменты очень важны для коммерческого использования, поскольку они обладают множеством преимуществ по сравнению с затратами и процессами реакции, включая:

• Удобство: Незначительное количество белок растворяться в реакции, поэтому тренировка может быть намного проще. По завершении реакционные смеси обычно содержат только растворитель и продукты реакции.
• Экономика: Иммобилизованный фермент легко удаляется из реакции, что упрощает переработку биокатализатор. Это особенно полезно в таких процессах, как производство безлактозного молока, так как молоко можно слить из емкости, оставив фермент (Лактаза ) внутри готов к следующей партии.
• Стабильность: Иммобилизованные ферменты обычно обладают большей тепловой и операционная стабильность чем растворимая форма фермента.^[3]

В прошлом биологические стиральные порошки и моющие средства содержали много протеаз и липаз, разрушающих грязь. Однако попадание чистящих средств на кожу человека вызывает аллергические реакции. Вот почему иммобилизация ферментов важна не только с экономической точки зрения.

Иммобилизация фермента

Есть разные способы, которыми можно обездвижить фермент:

• Связывание тегов сродства: Ферменты могут быть иммобилизованы на поверхности, например в пористом материале с использованием нековалентных или ковалентных Белковые метки. Эта технология была создана для очистки белков. Этот метод является общеприменимым и может выполняться без предварительной ферментной очистки с получением чистого препарата. Используют пористое стекло и его производные, где пористая поверхность может быть адаптирована с точки зрения гидрофобности для соответствия рассматриваемому ферменту.^[4]
• Адсорбция на стекле, альгинатных шариках или матрице: фермент прикреплен к внешней стороне инертного материала. В целом этот метод самый медленный из перечисленных здесь. Поскольку адсорбция не является химическая реакция, активный центр иммобилизованного фермента может быть заблокирован матрицей или шариком, что значительно снижает активность фермента.
• Захват: фермент попадает в ловушку. нерастворимый шарики или микросферы, такие как альгинат кальция бусы. Однако эти нерастворимые вещества препятствуют прибытию субстрата и выходу продуктов.
• Перекрестная связь: Молекулы ферментов ковалентно связаны друг с другом, чтобы создать матрицу, состоящую почти из одного фермента. Реакция гарантирует, что сайт связывания не покрывает фермент активный сайт, на активность фермента влияет только неподвижность. Однако негибкость ковалентных связей препятствует самовосстановлению свойств, проявляемых хемоадсорбированными самоорганизующимися монослоями. Использование спейсерной молекулы, такой как поли (этиленгликоль ) помогает уменьшить стерические затруднения со стороны субстрата в этом случае.
• Ковалентная связь: Фермент ковалентно связан с нерастворимой подложкой (такой как силикагель или гранулы макропористого полимера с эпоксидными группами). Этот подход обеспечивает наиболее сильное взаимодействие фермент / поддержка и, следовательно, наименьшую утечку белка во время катализа.^[5]

Случайная и сайт-направленная иммобилизация ферментов

Множество ферментов, имеющих биотехнологическое значение, были иммобилизованы на различных носителях (неорганических, органических, композитных и наноматериалах) с помощью случайного многоточечного прикрепления. Однако иммобилизация посредством случайной химической модификации приводит к гетерогенной популяции белков, в которой более одной боковой цепи (амино, карбоксил, тиол и т. Д.), Присутствующей в белках, связаны с подложкой с потенциальным снижением активности из-за ограничения доступа субстрата к активному сайту. .^[6]

Напротив, при сайт-направленной иммобилизации фермента носитель может быть связан с одной конкретной аминокислотой (обычно N- или C-концом) в молекуле белка вдали от активного сайта. Таким образом сохраняется максимальная активность фермента за счет свободного доступа субстрата к активному центру. Эти стратегии в основном химические, но могут дополнительно потребовать генетических и ферментативных методов для создания функциональных групп (которые отсутствуют в белке) на носителе и ферменте.

Выбор метода SDCM зависит от многих факторов, таких как тип фермента (менее стабильный психрофильный или более стабильный термофильный гомолог), pH-стабильность фермента, доступность N- или C-концов для реагента, невмешательство конец фермента с активностью фермента, типом каталитического аминокислотного остатка, доступностью, ценой и простотой приготовления реагентов. Например, создание дополнительных интерактивных функций (алкин

и азид) на носителе и ферменте - один из наиболее удобных способов иммобилизации ферментов посредством сайт-направленной химической модификации.^[7]

Иммобилизация субстрата для ферментативных реакций

Другим широко используемым применением метода иммобилизации вместе с ферментами были ферментативные реакции на иммобилизованных субстратах. Этот подход облегчает анализ активности ферментов и имитирует работу ферментов, например, на клеточные стенки.^[8]

использованная литература

1. Заушицына, О .; Berillo, D .; Kirsebom, H .; Маттиассон, Б. (2013). «Криоструктурированные и сшитые жизнеспособные клетки, образующие монолиты, подходящие для применения в биореакторах». Темы в катализе. 57 (5): 339. Дои:10.1007 / s11244-013-0189-9.
2. Aragão Börner, R .; Заушицына, О .; Berillo, D .; Scaccia, N .; Mattiasson, B .; Кирсебом, Х. (2014). «Иммобилизация Clostridium acetobutylicum DSM 792 в виде макропористых агрегатов путем криогелирования для производства бутанола». Биохимия процесса. 49: 10–18. Дои:10.1016 / j.procbio.2013.09.027.
3. Ву, Хун; Лян, Янпэн; Ши, Цзяфу; Ван, Сяоли; Ян, Донг; Цзян, Чжунъи (апрель 2013 г.). «Повышенная стабильность каталазы, ковалентно иммобилизованной на функционализированных субмикросферах диоксида титана». Материаловедение и инженерия: C. 33 (3): 1438–1445. Дои:10.1016 / j.msec.2012.12.048. PMID  23827593.
4. Engelmark Cassimjee, K .; Kadow, M .; Wikmark, Y .; Svedendahl Humble, M .; Ротштейн, М. Л .; Ротштейн, Д. М .; Бэквалл, Ж. -Э. (2014). «Общий метод очистки и иммобилизации белков на стекле с контролируемой пористостью: биокаталитические применения». Химические коммуникации. 50 (65): 9134–7. Дои:10.1039 / C4CC02605E. PMID  24989793.
5. Зукка, Паоло; Санджуст, Энрико (9 сентября 2014 г.). «Неорганические материалы как носители для иммобилизации ковалентных ферментов: методы и механизмы». Молекулы. 19 (9): 14139–14194. Дои:10.3390 / молекулы190914139. ЧВК  6272024. PMID  25207718.
6. Психрофилы: от биоразнообразия к биотехнологиям. Маргезин, Роза, 1962- (второе изд.). Чам, Швейцария. 2017-06-22. ISBN  978-3-319-57057-0. OCLC  991854426.
7. Шемси, Ахсан Мушир; Хандай, Фирдоус Ахмад; Кураши, Ахсанулхак; Халил, Амджад; Герриеро, Геа; Сиддики, Хавар Сохаил (май 2019 г.). «Сайт-ориентированные химически модифицированные магнитные ферменты: изготовление, усовершенствования, биотехнологические применения и перспективы на будущее». Достижения биотехнологии. 37 (3): 357–381. Дои:10.1016 / j.biotechadv.2019.02.002. ISSN  0734-9750. PMID  30768953.
8. Gray, C.J .; Weissenborn, M. J .; Eyers, C.E .; Флитч, С. Л. (2013). «Ферментативные реакции на иммобилизованных субстратах». Обзоры химического общества. 42 (15): 6378–405. Дои:10.1039 / C3CS60018A. PMID  23579870.