Le concept d'enzymes immobilisées est apparu pour la première fois dans la seconde moitié du XXe siècle. Pendant ce temps, en 1916, on a découvert que le saccharose sorbé sur du carbone conservait son activité catalytique. En 1953, D. Schleit et N. Grubhofer ont réalisé la première liaison de la pepsine, de l'amylase, de la carboxypeptidase et de la RNase avec un support insoluble. Le concept d'enzymes immobilisées a été légalisé en 1971. Cela s'est produit lors de la première conférence sur l'ingénierie enzymologique. À l'heure actuelle, le concept d'enzymes immobilisées est considéré dans un sens plus large qu'il ne l'était à la fin du XXe siècle. Examinons de plus près cette catégorie.
Informations générales
Les enzymes immobilisées sont des composés liés artificiellement à un support insoluble. Cependant, ils conservent leurs propriétés catalytiques. Actuellement, ce processus est considéré sous deux aspects - dans le cadre de la limitation partielle et complète de la liberté de mouvement des molécules protéiques.
Dignité
Les scientifiques ont établi certains avantages des enzymes immobilisées. Agissant comme des catalyseurs hétérogènes, ils peuvent facilement être séparés du milieu réactionnel. Dans le cadre de la recherche, il a été constaté que l'utilisation d'enzymes immobilisées peut être répétée. Pendant le processus de liaison, les connexions changent leurs propriétés. Ils acquièrent la spécificité et la stabilité du substrat. Dans le même temps, leur activité commence à dépendre des conditions environnementales. Les enzymes immobilisées sont durables et ont un haut degré de stabilité. Elle est supérieure, par exemple, à celle des enzymes libres par des milliers, des dizaines de milliers de fois. Tout cela garantit une efficacité, une compétitivité et une économie élevées des technologies dans lesquelles des enzymes immobilisées sont présentes.
Médias
J. Poratu a identifié les propriétés clés des matériaux idéaux à utiliser pour l'immobilisation. Les porteurs doivent avoir:
- Insolubilité.
- Haute résistance biologique et chimique.
- La possibilité d'activer rapidement. Les transporteurs devraient facilement devenir réactifs.
- Hydrophilie significative.
- Perméabilité nécessaire. Son indicateur doit être également acceptable pour les enzymes et les coenzymes, les produits de réaction et les substrats.
Actuellement, aucun matériel ne répond entièrement à ces exigences. Néanmoins, en pratique, on utilise des supports adaptés à l'immobilisation.certaine catégorie d'enzymes dans des conditions spécifiques.
Classement
Selon leur nature, les matériaux, dans le cadre desquels les composés sont convertis en enzymes immobilisées, sont divisés en inorganiques et organiques. La liaison de nombreux composés est réalisée avec des supports polymères. Ces matières organiques sont divisées en 2 classes: synthétiques et naturelles. Dans chacun d'eux, à leur tour, les groupes sont distingués en fonction de la structure. Les supports inorganiques sont principalement représentés par des matériaux en verre, céramique, argile, gel de silice et noir de graphite. Lorsque vous travaillez avec des matériaux, les méthodes de chimie sèche sont populaires. Les enzymes immobilisées sont obtenues en revêtant des supports avec un film d'oxydes de titane, d'aluminium, de zirconium, d'hafnium ou par traitement avec des polymères organiques. Un avantage important des matériaux est la facilité de régénération.
Porteurs de protéines
Les plus populaires sont les matières lipidiques, polysaccharidiques et protéiques. Parmi ces derniers, il convient de souligner les polymères structuraux. Ceux-ci comprennent principalement le collagène, la fibrine, la kératine et la gélatine. Ces protéines sont largement distribuées dans le milieu naturel. Ils sont abordables et économiques. De plus, ils ont un grand nombre de groupes fonctionnels pour la liaison. Les protéines sont biodégradables. Cela permet d'étendre l'utilisation des enzymes immobilisées en médecine. Pendant ce temps, les protéines ont également des propriétés négatives. Les inconvénients de l'utilisation d'enzymes immobilisées sur des supports protéiques sont la forte immunogénicité de ces dernières, ainsi quela capacité de n'introduire que certains groupes d'entre eux dans les réactions.
Polysaccharides, aminosaccharides
Parmi ces matériaux, la chitine, le dextran, la cellulose, l'agarose et leurs dérivés sont les plus souvent utilisés. Pour rendre les polysaccharides plus résistants aux réactions, leurs chaînes linéaires sont réticulées avec de l'épichlorhydrine. Divers groupes ionogènes sont librement introduits dans les structures du réseau. La chitine s'accumule en grande quantité sous forme de déchets lors de la transformation industrielle des crevettes et des crabes. Cette substance est résistante aux produits chimiques et possède une structure poreuse bien définie.
Polymères synthétiques
Ce groupe de matériaux est très diversifié et accessible. Il comprend des polymères à base d'acide acrylique, de styrène, d'alcool polyvinylique, de polymères de polyuréthane et de polyamide. La plupart d'entre eux sont mécaniquement solides. Au cours du processus de transformation, ils offrent la possibilité de faire varier la taille des pores dans une gamme assez large, en introduisant divers groupes fonctionnels.
Méthodes de liaison
Actuellement, il existe deux options fondamentalement différentes pour l'immobilisation. La première consiste à obtenir des composés sans liaisons covalentes avec le support. Cette méthode est physique. Une autre option implique l'émergence d'une liaison covalente avec le matériau. Il s'agit d'une méthode chimique.
Adsorption
Avec l'aide de celui-ci, des enzymes immobilisées sont obtenues en maintenant le médicament à la surface du support en raison dedispersion, interactions hydrophobes, électrostatiques et liaisons hydrogène. L'adsorption a été le premier moyen de limiter la mobilité des éléments. Cependant, même maintenant, cette option n'a pas perdu de sa pertinence. De plus, l'adsorption est considérée comme la méthode d'immobilisation la plus courante dans l'industrie.
Caractéristiques de la méthode
Des publications scientifiques décrivent plus de 70 enzymes obtenues par la méthode d'adsorption. Les supports étaient principalement du verre poreux, diverses argiles, des polysaccharides, des oxydes d'aluminium, des polymères synthétiques, du titane et d'autres métaux. Ces derniers sont les plus couramment utilisés. L'efficacité de l'adsorption du médicament sur le support est déterminée par la porosité du matériau et la surface spécifique.
Mécanisme d'action
L'adsorption d'enzymes sur des matériaux insolubles est simple. Il est obtenu par contact d'une solution aqueuse du médicament avec le support. Il peut passer de manière statique ou dynamique. La solution enzymatique est mélangée avec du sédiment frais, par exemple de l'hydroxyde de titane. Le composé est ensuite séché dans des conditions douces. L'activité enzymatique pendant une telle immobilisation est conservée à près de 100 %. Dans le même temps, la concentration spécifique atteint 64 mg par gramme de support.
Moments négatifs
Les inconvénients de l'adsorption incluent une faible résistance lors de la liaison de l'enzyme et du support. Lors du changement des conditions de réaction, on peut noter la perte d'éléments, la contamination des produits et la désorption des protéines. Pour améliorer la forceles supports de liaison sont pré-modifiés. En particulier, les matériaux sont traités avec des ions métalliques, des polymères, des composés hydrophobes et d'autres agents polyfonctionnels. Dans certains cas, le médicament lui-même est modifié. Mais bien souvent, cela entraîne une diminution de son activité.
Inclusion dans le gel
Cette option est assez courante en raison de son caractère unique et de sa simplicité. Cette méthode convient non seulement aux éléments individuels, mais également aux complexes multi-enzymes. L'incorporation dans le gel peut se faire de deux manières. Dans le premier cas, le médicament est combiné avec une solution aqueuse du monomère, après quoi la polymérisation est effectuée. En conséquence, une structure de gel spatiale apparaît, contenant des molécules d'enzymes dans les cellules. Dans le second cas, le médicament est introduit dans la solution du polymère fini. Il est ensuite mis dans un état de gel.
Intrusion dans des structures translucides
L'essence de cette méthode d'immobilisation est la séparation d'une solution enzymatique aqueuse du substrat. Pour cela, une membrane semi-perméable est utilisée. Il laisse passer les éléments de faible poids moléculaire des cofacteurs et des substrats et retient les grosses molécules d'enzymes.
Microencapsulation
Il existe plusieurs options pour l'intégration dans des structures translucides. Parmi celles-ci, la microencapsulation et l'incorporation de protéines dans des liposomes sont du plus grand intérêt. La première option a été proposée en 1964 par T. Chang. Elle consiste dans le fait que la solution enzymatique est introduite dans une capsule fermée dont les parois sont en matériau semi-perméablepolymère. L'apparition d'une membrane en surface est provoquée par la réaction de polycondensation interfaciale des composés. L'un d'eux est dissous dans la phase organique et l'autre dans la phase aqueuse. Un exemple est la formation d'une microcapsule obtenue par polycondensation d'halogénure d'acide sébacique (phase organique) et d'hexaméthylènediamine-1,6 (respectivement phase aqueuse). L'épaisseur de la membrane se calcule en centièmes de micromètre. La taille des capsules est de centaines ou de dizaines de micromètres.
Incorporation dans les liposomes
Cette méthode d'immobilisation est proche de la microencapsulation. Les liposomes sont présentés dans des systèmes lamellaires ou sphériques de bicouches lipidiques. Cette méthode a été utilisée pour la première fois en 1970. Pour isoler des liposomes à partir d'une solution lipidique, le solvant organique est évaporé. Le film mince restant est dispersé dans une solution aqueuse dans laquelle l'enzyme est présente. Au cours de ce processus, l'auto-assemblage des structures de la bicouche lipidique se produit. De telles enzymes immobilisées sont très populaires en médecine. Ceci est dû au fait que la plupart des molécules sont localisées dans la matrice lipidique des membranes biologiques. Les enzymes immobilisées incluses dans les liposomes sont le matériel de recherche le plus important en médecine, ce qui permet d'étudier et de décrire les schémas des processus vitaux.
Formation de nouveaux liens
L'immobilisation par formation de nouvelles chaînes covalentes entre enzymes et transporteurs est considérée comme la méthode la plus répandue pour obtenir des biocatalyseurs industriels.destination. Contrairement aux méthodes physiques, cette option fournit une liaison irréversible et forte entre la molécule et le matériau. Sa formation s'accompagne souvent d'une stabilisation médicamenteuse. Parallèlement, la localisation de l'enzyme à distance de la 1ère liaison covalente par rapport au support crée certaines difficultés dans la mise en oeuvre du procédé catalytique. La molécule est séparée du matériau au moyen d'un insert. Il est souvent utilisé comme agent poly- et bifonctionnel. En particulier, il s'agit de l'hydrazine, du bromure de cyanogène, du dialhédride glutarique, du chlorure de sulfuryle, etc. Par exemple, pour éliminer la galactosyltransférase, la séquence suivante est insérée entre le support et l'enzyme -CH2- NH-(CH 2)5-CO-. Dans une telle situation, un insert, une molécule et un support sont présents dans la structure. Tous sont reliés par des liaisons covalentes. La nécessité d'introduire dans la réaction des groupes fonctionnels qui ne sont pas essentiels à la fonction catalytique de l'élément est d'une importance fondamentale. Ainsi, en règle générale, les glycoprotéines sont attachées au support non pas par la protéine, mais par la partie glucidique. En conséquence, des enzymes immobilisées plus stables et plus actives sont obtenues.
Cellules
Les méthodes décrites ci-dessus sont considérées comme universelles pour tous les types de biocatalyseurs. Ceux-ci incluent, entre autres, les cellules, les structures sous-cellulaires, dont l'immobilisation s'est récemment généralisée. Cela est dû à ce qui suit. Lorsque les cellules sont immobilisées, il n'est pas nécessaire d'isoler et de purifier les préparations enzymatiques ou d'introduire des cofacteurs dans les réactions. En conséquence, il devient possible desystèmes qui exécutent des processus continus à plusieurs étapes.
Utilisation d'enzymes immobilisées
En médecine vétérinaire, dans l'industrie et dans d'autres secteurs économiques, les médicaments obtenus par les méthodes ci-dessus sont très populaires. Les approches développées dans la pratique apportent une solution aux problèmes de délivrance ciblée de médicaments dans l'organisme. Les enzymes immobilisées ont permis d'obtenir des médicaments à action prolongée avec un minimum d'allergénicité et de toxicité. Actuellement, les scientifiques résolvent les problèmes liés à la bioconversion de masse et d'énergie en utilisant des approches microbiologiques. Parallèlement, la technologie des enzymes immobilisées apporte également une contribution significative aux travaux. Les perspectives de développement semblent assez larges. Ainsi, à l'avenir, l'un des rôles clés dans le processus de surveillance de l'état de l'environnement devrait appartenir à de nouveaux types d'analyse. En particulier, nous parlons de méthodes bioluminescentes et immunoenzymatiques. Les approches avancées revêtent une importance particulière dans le traitement des matières premières lignocellulosiques. Les enzymes immobilisées peuvent être utilisées comme amplificateurs de signaux faibles. Le centre actif peut être sous l'influence d'un porteur soumis à des ultrasons, à des contraintes mécaniques ou soumis à des transformations phytochimiques.
