تثبیت آنزیم
آنزیم پایدار یک آنزیم متصل به مواد بی اثر و نامحلولی مانند آلژینات کلسیم (از ترکیب محلول آلژینات سدیم و آنزیم محلول در کلرید کلسیم بدست می‌آید). این می‌تواند باعث مقاومت بیشتری در برابر تغییر در شرایط مانند تغییر pH یا دما بشود. همچنین اجازه می‌دهد تا آنزیم‌ها در طول واکنش در یک محل ثابت باقی بماند و پس از آن آن‌ها به راحتی از محصولات جدا می‌شوند و ممکن است مجدداً مورد استفاده قرار گیرند - فرایند بسیار کارآمد و بنابراین واکنشهای کاتالیز شده به وسیله آنزیم‌ها می‌توانند به‌طور گسترده‌ای در صنایع استفاده شوند. یک جایگزین برای تثبیت شدن آنزیم، تثبیت کامل سلول است.[1][2]
کاربردها
استفاده تجاری
آنزیم‌های تثبیت شده برای استفاده تجاری بسیار مهم هستند، زیرا مقرون به صرفه هستند همچنین در واکنشی که استفاده می‌شوند با توجه به ویژگی‌های آنزیم فواید بسیاری را در پی خواهند داشت که عبارتند از:
- راحتی در استفاده: مقادیر بسیار کم پروتئین در واکنش حل می‌شود، بنابراین جداسازی می‌تواند بسیار ساده‌تر باشد. پس از اتمام، مخلوط واکنش‌ها به‌طور معمول تنها شامل محصولات واکنش و حلال هستند.
- مقرون به صرفه بودن: آنزیم تثبیت شده به راحتی از واکنش حذف می‌شود و این باعث می‌شود که بیو کاتالیزور به راحتی بازیافت شود. این امر در پروسه‌هایی مانند تولید شیر بدون لاکتوز بسیار مفید است، زیرا شیر را می‌توان از ظرفی که حاوی آنزیم (لاکتاز) است گذراند و سپس آنزیم برای دور بعدی ورود شیر به مخزن نیز قابل استفاده است.
- پایداری: آنزیم‌های تثبیت شده معمولاً نسبت به آنزیم‌های آزاد و محلول در برابر دما و محیط واکنش پایداری بیشتری دارند یعنی در گستره دمایی و محیطی وسیع تری پایدار باقی می‌مانند و فعالیت خود را از دست نمی‌دهند.[3]
در گذشته، پودرهای شستشوی بیولوژیکی و مواد شوینده حاوی مقدار زیادی پروتئازها و لیپازها بودند که آلودگی را از بین می‌برد. با این حال، هنگامی که محصولات تمیزکننده با پوست انسان تماس برقرار می‌کرد، باعث به وجود آمدن واکنشهای آلرژیک می‌شدند. به همین دلیل تثبیت آنزیم علاوه بر مزایای اقتصادی تا این اندازه حائز اهمیت شده‌است.
تثبیت آنزیم
راه‌های مختلفی وجود دارد که می‌توان آنزیم را تثبیت کرد:
- اتصال وابستگی به برچسب: آنزیم‌ها ممکن است بر روی یک سطح متصل شوند، به عنوان مثال در یک ماده متخلخل، با استفاده از اتصال کوالانسی یا غیر کوالانسی گوره‌های پروتئینی. این فناوری برای فرایندهای خالص سازی پروتئین ساخته شده‌است. این تکنیک به‌طور کلی قابل اجرا است و می‌تواند خلوص بالا را بدون نیاز به مراحل خالص سازی اولیه انجام دهد. از شیشه‌های متخلخل و مشتقات آن استفاده می‌شود، به طوری که سطح متخلخل می‌تواند از لحاظ هیدروفوبی با آنزیم مورد نظر سازگار شود.[4]
- جذب بر روی شیشه، آلژینات دانه یا ماتریکس: آنزیم به سطح خارجی مواد بی اثر متصل است. به‌طور کلی، این روش در میان سایر روش‌ها که در اینجا لیست شده‌اند، آهسته‌ترین روش تثبیت می‌باشد. همان‌طور که جذب یک واکنش شیمیایی نیست، سایت فعال آنزیم ممکن است توسط ماتریکس یا ماده بی اثر مسدود شود و فعالیت آنزیم را به‌طور چشم‌گیری کاهش می‌دهد.
- به دام انداختن: آنزیم در دانه‌های نامحلول یا میکروسفرها، مانند دانه‌های آلژینات کلسیم، به دام انداخته شود. با این حال، این مواد نامحلول مانع ورود سوبسترا و خروج محصولات می‌شوند.
- روش کراس لینک: مولکول‌های آنزیم با پیوند کووالانسی به یکدیگر متصل می‌شوند تا ماتریکس تقریباً فقط از آنزیم به وجود بیاید. این واکنش به این صورت خواهد بود که محل اتصال، سایت فعال آنزیم را پوشش نمی‌دهد، فعالیت این آنزیم تنها توسط تثبیت شدن تحت تأثیر قرار می‌گیرد. ویژگی خود بهبودی ای که توسط تک لایه‌هایی که به وسیله جذب شیمیایی ایجاد می‌شوند، به خاطر غیر انعطاف‌پذیر بودن پیوندهای کووالانسی از بین می‌روند. استفاده از مولکول فضا ایجاد کن مانند پلی (اتیلن گلیکول) کمک می‌کند تا در این موارد، ممانعت فضایی توسط سابستریت کاهش یابد.
- پیوند کووالانسی: آنزیم با یک ماده غیرقابل حل (مانند سیلیکا ژل یا دانه‌های پلیمری ماکروپروس اپوکسی دار شده) اتصال کووالانسی برقرار می‌کند.. این روش قوی‌ترین برهمکنش آنزیم /بستر را فراهم می‌کند و بنابراین کمترین هدر رفت پروتئین در طی فرایندکاتالیزوری را شاهد خواهیم بود.[5]
تثبیت یک بستر برای واکنشهای آنزیمی
یکی دیگر از کاربردهای وسیع تثبیت کردن این است که واکنشهای آنزیمی بر روی یک بستر تثبیت شده روی دهد. این روش تجزیه و تحلیل فعالیت‌های آنزیمی را تسهیل می‌کند و عملکردهای آنزیم‌ها را بر روی دیواره‌های سلولی تقلید می‌کند.[6]
منابع
- Zaushitsyna, O.; Berillo, D.; Kirsebom, H.; Mattiasson, B. (2013). "Cryostructured and Crosslinked Viable Cells Forming Monoliths Suitable for Bioreactor Applications". Topics in Catalysis. 57 (5): 339. doi:10.1007/s11244-013-0189-9.
- Aragão Börner, R.; Zaushitsyna, O.; Berillo, D.; Scaccia, N.; Mattiasson, B.; Kirsebom, H. (2014). "Immobilization of Clostridium acetobutylicum DSM 792 as macroporous aggregates through cryogelation for butanol production". Process Biochemistry. 49: 10. doi:10.1016/j.procbio.2013.09.027.
- Wu, Hong; Liang, Yanpeng; Shi, Jiafu; Wang, Xiaoli; Yang, Dong; Jiang, Zhongyi (April 2013). "Enhanced stability of catalase covalently immobilized on functionalized titania submicrospheres". Materials Science and Engineering: C. 33 (3): 1438–1445. doi:10.1016/j.msec.2012.12.048.
- Engelmark Cassimjee, K.; Kadow, M.; Wikmark, Y.; Svedendahl Humble, M.; Rothstein, M. L.; Rothstein, D. M.; Bäckvall, J. -E. (2014). "A general protein purification and immobilization method on controlled porosity glass: Biocatalytic applications". Chemical Communications. 50 (65): 9134. doi:10.1039/C4CC02605E. PMID 24989793.
- Zucca, Paolo; Sanjust, Enrico (9 September 2014). "Inorganic Materials as Supports for Covalent Enzyme Immobilization: Methods and Mechanisms". Molecules. 19 (9): 14139–14194. doi:10.3390/molecules190914139.
- Gray, C. J.; Weissenborn, M. J.; Eyers, C. E.; Flitsch, S. L. (2013). "Enzymatic reactions on immobilised substrates". Chemical Society Reviews. 42 (15): 6378. doi:10.1039/C3CS60018A. PMID 23579870.