Ang konsepto ng immobilized enzymes ay unang lumitaw sa ikalawang kalahati ng ika-20 siglo. Samantala, noong 1916, natagpuan na ang sucrose na na-sorbed sa carbon ay nagpapanatili ng catalytic activity nito. Noong 1953, isinagawa ni D. Schleit at N. Grubhofer ang unang pagbubuklod ng pepsin, amylase, carboxypeptidase at RNase na may hindi matutunaw na carrier. Ang konsepto ng immobilized enzymes ay ginawang legal noong 1971. Nangyari ito sa unang kumperensya sa engineering enzymology. Sa kasalukuyan, ang konsepto ng immobilized enzymes ay isinasaalang-alang sa isang mas malawak na kahulugan kaysa noong katapusan ng ika-20 siglo. Tingnan natin ang kategoryang ito nang mas malapitan.
Pangkalahatang impormasyon
Ang
Immobilized enzymes ay mga compound na artipisyal na nakagapos sa isang hindi matutunaw na carrier. Gayunpaman, pinapanatili nila ang kanilang mga catalytic na katangian. Sa kasalukuyan, ang prosesong ito ay isinasaalang-alang sa dalawang aspeto - sa loob ng balangkas ng bahagyang at kumpletong limitasyon ng kalayaan sa paggalaw ng mga molekula ng protina.
Dignidad
Nagtatag ang mga siyentipiko ng ilang partikular na benepisyo ng immobilized enzymes. Kumikilos bilang heterogenous catalysts, madali silang mahihiwalay sa medium ng reaksyon. Bilang bahagi ng pananaliksik, natuklasan na ang paggamit ng mga immobilized enzymes ay maaaring ulitin. Sa panahon ng proseso ng pagbubuklod, binabago ng mga koneksyon ang kanilang mga katangian. Nakukuha nila ang pagtitiyak at katatagan ng substrate. Kasabay nito, ang kanilang aktibidad ay nagsisimula na nakasalalay sa mga kondisyon sa kapaligiran. Ang mga hindi kumikilos na enzyme ay matibay at may mataas na antas ng katatagan. Ito ay mas malaki kaysa, halimbawa, ng mga libreng enzyme ng libu-libo, sampu-sampung libong beses. Tinitiyak ng lahat ng ito ang mataas na kahusayan, pagiging mapagkumpitensya at ekonomiya ng mga teknolohiya kung saan naroroon ang mga immobilized enzymes.
Media
J. Tinukoy ni Poratu ang mga pangunahing katangian ng mga mainam na materyales na gagamitin sa immobilization. Dapat ay mayroong:
- Insolubility.
- Mataas na biological at chemical resistance.
- Ang kakayahang mabilis na mag-activate. Ang mga carrier ay dapat na madaling maging reaktibo.
- Malaking hydrophilicity.
- Kailangang permeability. Dapat pantay na katanggap-tanggap ang indicator nito para sa parehong mga enzyme at coenzymes, mga produkto ng reaksyon at substrate.
Sa kasalukuyan ay walang materyal na ganap na nakakatugon sa mga kinakailangang ito. Gayunpaman, sa pagsasagawa, ang mga carrier ay ginagamit na angkop para sa immobilization.ilang kategorya ng mga enzyme sa ilalim ng mga partikular na kondisyon.
Pag-uuri
Depende sa kanilang kalikasan, ang mga materyales, na may kaugnayan sa kung saan ang mga compound ay na-convert sa immobilized enzymes, ay nahahati sa inorganic at organic. Ang pagbubuklod ng maraming mga compound ay isinasagawa sa mga polymeric carrier. Ang mga organikong materyales na ito ay nahahati sa 2 klase: synthetic at natural. Sa bawat isa sa kanila, sa turn, ang mga grupo ay nakikilala depende sa istraktura. Ang mga inorganic na carrier ay pangunahing kinakatawan ng mga materyales na gawa sa salamin, keramika, luad, silica gel, at graphite na itim. Kapag nagtatrabaho sa mga materyales, sikat ang mga pamamaraan ng dry chemistry. Ang mga immobilized enzymes ay nakukuha sa pamamagitan ng coating carriers na may film ng titanium, aluminum, zirconium, hafnium oxides o sa pamamagitan ng pagproseso gamit ang mga organic polymers. Ang isang mahalagang bentahe ng mga materyales ay ang kadalian ng pagbabagong-buhay.
Mga carrier ng protina
Ang pinakasikat ay mga materyal na lipid, polysaccharide at protina. Kabilang sa huli, ito ay nagkakahalaga ng pag-highlight ng mga istrukturang polimer. Pangunahing kasama sa mga ito ang collagen, fibrin, keratin, at gelatin. Ang ganitong mga protina ay malawak na ipinamamahagi sa natural na kapaligiran. Ang mga ito ay abot-kaya at matipid. Bilang karagdagan, mayroon silang isang malaking bilang ng mga functional na grupo para sa pagbubuklod. Ang mga protina ay biodegradable. Nagbibigay-daan ito sa pagpapalawak ng paggamit ng mga immobilized enzymes sa medisina. Samantala, ang mga protina ay mayroon ding mga negatibong katangian. Ang mga disadvantages ng paggamit ng mga immobilized enzymes sa mga carrier ng protina ay ang mataas na immunogenicity ng huli, pati na rin angang kakayahang magpakilala lamang ng ilang grupo sa kanila sa mga reaksyon.
Polysaccharides, aminosaccharides
Sa mga materyales na ito, kadalasang ginagamit ang chitin, dextran, cellulose, agarose at mga derivative nito. Upang gawing mas lumalaban ang polysaccharides sa mga reaksyon, ang kanilang mga linear na kadena ay naka-cross-link sa epichlorohydrin. Ang iba't ibang mga ionogenic na grupo ay malayang ipinapasok sa mga istruktura ng network. Ang chitin ay naiipon sa malalaking dami bilang basura sa panahon ng industriyal na pagproseso ng hipon at alimango. Ang substance na ito ay chemical resistant at may well-defined porous structure.
Mga sintetikong polimer
Ang pangkat ng mga materyales na ito ay napaka-iba't iba at naa-access. Kabilang dito ang mga polymer batay sa acrylic acid, styrene, polyvinyl alcohol, polyurethane at polyamide polymers. Karamihan sa kanila ay mekanikal na malakas. Sa proseso ng pagbabago, nagbibigay sila ng posibilidad ng pag-iiba-iba ng laki ng butas sa loob ng medyo malawak na hanay, na nagpapakilala ng iba't ibang functional na grupo.
Mga Paraan ng Pagbubuklod
Sa kasalukuyan, mayroong dalawang pangunahing magkaibang opsyon para sa immobilization. Ang una ay upang makakuha ng mga compound na walang covalent bond sa carrier. Ang pamamaraang ito ay pisikal. Ang isa pang pagpipilian ay nagsasangkot ng paglitaw ng isang covalent bond sa materyal. Isa itong kemikal na paraan.
Adsorption
Sa tulong nito, nakukuha ang mga immobilized enzymes sa pamamagitan ng paghawak ng gamot sa ibabaw ng carrier dahil sadispersion, hydrophobic, electrostatic na pakikipag-ugnayan at hydrogen bond. Ang adsorption ay ang unang paraan upang limitahan ang kadaliang mapakilos ng mga elemento. Gayunpaman, kahit na ngayon ang pagpipiliang ito ay hindi nawala ang kaugnayan nito. Bukod dito, ang adsorption ay itinuturing na pinakakaraniwang paraan ng immobilization sa industriya.
Mga tampok ng pamamaraan
Scientific publication inilalarawan ang higit sa 70 enzymes na nakuha sa pamamagitan ng adsorption method. Ang mga carrier ay higit sa lahat porous glass, iba't ibang clays, polysaccharides, aluminum oxides, synthetic polymers, titanium at iba pang mga metal. Ang huli ay ang pinakakaraniwang ginagamit. Ang pagiging epektibo ng adsorption ng gamot sa carrier ay tinutukoy ng porosity ng materyal at ang partikular na surface area.
Mekanismo ng pagkilos
Ang Enzyme adsorption sa mga hindi matutunaw na materyales ay simple. Ito ay nakakamit sa pamamagitan ng pakikipag-ugnay sa isang may tubig na solusyon ng gamot sa carrier. Maaari itong pumasa sa isang static o dynamic na paraan. Ang solusyon ng enzyme ay halo-halong may sariwang sediment, halimbawa, titanium hydroxide. Ang tambalan ay pagkatapos ay tuyo sa ilalim ng banayad na mga kondisyon. Ang aktibidad ng enzyme sa panahon ng naturang immobilization ay pinananatili ng halos 100%. Kasabay nito, ang partikular na konsentrasyon ay umaabot sa 64 mg bawat gramo ng carrier.
Mga negatibong sandali
Ang mga disadvantages ng adsorption ay kinabibilangan ng mababang lakas kapag nagbubuklod sa enzyme at carrier. Sa proseso ng pagbabago ng mga kondisyon ng reaksyon, ang pagkawala ng mga elemento, kontaminasyon ng mga produkto, at desorption ng protina ay maaaring mapansin. Upang mapabuti ang lakasang mga nagbubuklod na carrier ay paunang binago. Sa partikular, ang mga materyales ay ginagamot ng mga metal ions, polymers, hydrophobic compound, at iba pang polyfunctional agent. Sa ilang mga kaso, ang gamot mismo ay binago. Ngunit kadalasan ay humahantong ito sa pagbaba sa aktibidad nito.
Pagsasama sa gel
Medyo karaniwan ang opsyong ito dahil sa pagiging natatangi at pagiging simple nito. Ang pamamaraang ito ay angkop hindi lamang para sa mga indibidwal na elemento, kundi pati na rin para sa mga multi-enzyme complex. Ang pagsasama sa gel ay maaaring gawin sa dalawang paraan. Sa unang kaso, ang gamot ay pinagsama sa isang may tubig na solusyon ng monomer, pagkatapos kung saan ang polymerization ay ginanap. Bilang resulta, lumilitaw ang isang spatial na istraktura ng gel, na naglalaman ng mga molekula ng enzyme sa mga selula. Sa pangalawang kaso, ang gamot ay ipinakilala sa solusyon ng tapos na polimer. Pagkatapos ay ilagay ito sa isang gel state.
Pagpasok sa mga translucent na istruktura
Ang esensya ng pamamaraang ito ng immobilization ay ang paghihiwalay ng isang may tubig na solusyon ng enzyme mula sa substrate. Para dito, ginagamit ang isang semi-permeable membrane. Nagbibigay-daan ito sa mababang molekular na timbang ng mga elemento ng cofactor at substrate na dumaan at nagpapanatili ng malalaking molekula ng mga enzyme.
Microencapsulation
May ilang mga opsyon para sa pag-embed sa mga translucent na istruktura. Sa mga ito, ang microencapsulation at pagsasama ng mga protina sa mga liposome ay ang pinakamalaking interes. Ang unang opsyon ay iminungkahi noong 1964 ni T. Chang. Binubuo ito sa katotohanan na ang solusyon ng enzyme ay ipinakilala sa isang saradong kapsula, ang mga dingding nito ay gawa sa semi-permeable.polimer. Ang hitsura ng isang lamad sa ibabaw ay sanhi ng reaksyon ng interfacial polycondensation ng mga compound. Ang isa sa kanila ay natunaw sa organic, at ang isa pa - sa may tubig na bahagi. Ang isang halimbawa ay ang pagbuo ng isang microcapsule na nakuha sa pamamagitan ng polycondensation ng sebacic acid halide (organic phase) at hexamethylenediamine-1, 6 (ayon sa pagkakabanggit, aqueous phase). Ang kapal ng lamad ay kinakalkula sa daan-daang micrometer. Ang laki ng mga kapsula ay daan-daan o sampu-sampung micrometer.
Pagsasama sa mga liposome
Ang paraan ng immobilization na ito ay malapit sa microencapsulation. Ang mga liposome ay ipinakita sa lamellar o spherical system ng lipid bilayers. Ang pamamaraang ito ay unang ginamit noong 1970. Upang ihiwalay ang mga liposome mula sa isang solusyon sa lipid, ang organikong solvent ay sumingaw. Ang natitirang manipis na pelikula ay nakakalat sa isang may tubig na solusyon kung saan naroroon ang enzyme. Sa prosesong ito, nangyayari ang self-assembly ng mga lipid bilayer na istruktura. Ang ganitong mga immobilized enzymes ay medyo popular sa gamot. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang karamihan sa mga molekula ay naisalokal sa lipid matrix ng mga biological membrane. Ang immobilized enzymes na kasama sa liposomes ay ang pinakamahalagang research material sa medisina, na ginagawang posible na pag-aralan at ilarawan ang mga pattern ng mahahalagang proseso.
Pagbuo ng mga bagong bono
Ang
Immobilization sa pamamagitan ng pagbuo ng mga bagong covalent chain sa pagitan ng mga enzyme at carrier ay itinuturing na pinakalaganap na paraan para sa pagkuha ng mga pang-industriyang biocatalyst.patutunguhan. Hindi tulad ng mga pisikal na pamamaraan, ang opsyong ito ay nagbibigay ng hindi maibabalik at matibay na bono sa pagitan ng molekula at ng materyal. Ang pagbuo nito ay madalas na sinamahan ng pagpapapanatag ng gamot. Kasabay nito, ang lokasyon ng enzyme sa layo ng 1st covalent bond na may kaugnayan sa carrier ay lumilikha ng ilang mga paghihirap sa pagpapatupad ng proseso ng catalytic. Ang molekula ay pinaghihiwalay mula sa materyal sa pamamagitan ng isang insert. Madalas itong ginagamit bilang poly- at bifunctional agent. Sa partikular, ang mga ito ay hydrazine, cyanogen bromide, glutaric dialhedride, sulfuryl chloride, atbp. Halimbawa, upang alisin ang galactosyltransferase, ang sumusunod na sequence ay ipinasok sa pagitan ng carrier at ng enzyme -CH2- NH-(CH 2)5-CO-. Sa ganoong sitwasyon, ang isang insert, isang molekula, at isang carrier ay naroroon sa istraktura. Ang lahat ng mga ito ay konektado sa pamamagitan ng mga covalent bond. Ang pangunahing kahalagahan ay ang pangangailangan na ipakilala sa mga pangkat ng pagganap ng reaksyon na hindi mahalaga para sa catalytic function ng elemento. Kaya, bilang isang patakaran, ang mga glycoprotein ay nakakabit sa carrier hindi sa pamamagitan ng protina, ngunit sa pamamagitan ng bahagi ng carbohydrate. Bilang resulta, mas matatag at aktibong immobilized enzymes ang nakukuha.
Mga Cell
Ang mga pamamaraan na inilarawan sa itaas ay itinuturing na pangkalahatan para sa lahat ng uri ng biocatalyst. Kabilang dito, bukod sa iba pang mga bagay, ang mga cell, mga subcellular na istruktura, ang immobilization na kamakailan ay naging laganap. Ito ay dahil sa mga sumusunod. Kapag ang mga cell ay hindi kumikilos, hindi na kailangang ihiwalay at linisin ang mga paghahanda ng enzyme o ipasok ang mga cofactor sa mga reaksyon. Bilang resulta, nagiging posible namga system na nagsasagawa ng maraming yugto ng tuluy-tuloy na proseso.
Paggamit ng immobilized enzymes
Sa gamot sa beterinaryo, industriya, at iba pang sektor ng ekonomiya, ang mga gamot na nakuha sa mga pamamaraan sa itaas ay medyo popular. Ang mga diskarte na binuo sa pagsasanay ay nagbibigay ng solusyon sa mga problema ng naka-target na paghahatid ng gamot sa katawan. Ang mga hindi kumikilos na enzyme ay naging posible upang makakuha ng mga gamot na may matagal na pagkilos na may kaunting allergenicity at toxicity. Sa kasalukuyan, nilulutas ng mga siyentipiko ang mga problemang nauugnay sa bioconversion ng masa at enerhiya gamit ang mga microbiological approach. Samantala, ang teknolohiya ng immobilized enzymes ay gumagawa din ng malaking kontribusyon sa trabaho. Ang mga prospect para sa pag-unlad ay tila medyo malawak. Kaya, sa hinaharap, ang isa sa mga pangunahing tungkulin sa proseso ng pagsubaybay sa estado ng kapaligiran ay dapat kabilang sa mga bagong uri ng pagsusuri. Sa partikular, pinag-uusapan natin ang mga pamamaraan ng bioluminescent at enzyme immunoassay. Ang mga advanced na diskarte ay partikular na kahalagahan sa pagproseso ng lignoselulosic na hilaw na materyales. Maaaring gamitin ang mga hindi kumikilos na enzyme bilang mahinang signal amplifier. Ang aktibong sentro ay maaaring nasa ilalim ng impluwensya ng isang carrier na nasa ilalim ng ultrasound, mekanikal na stress, o napapailalim sa mga pagbabagong phytochemical.
