مفهوم آنزیم های بی حرکت اولین بار در نیمه دوم قرن بیستم ظاهر شد. در همین حال، در سال 1916، مشخص شد که ساکارز جذب شده روی کربن، فعالیت کاتالیزوری خود را حفظ می کند. در سال 1953، D. Schleit و N. Grubhofer اولین اتصال پپسین، آمیلاز، کربوکسی پپتیداز و RNase را با یک حامل نامحلول انجام دادند. مفهوم آنزیم های بی حرکت در سال 1971 قانونی شد. این اتفاق در اولین کنفرانس آنزیم شناسی مهندسی رخ داد. در حال حاضر، مفهوم آنزیم های تثبیت شده به معنای وسیع تری نسبت به پایان قرن بیستم مورد توجه قرار می گیرد. بیایید نگاهی دقیق تر به این دسته بیندازیم.
اطلاعات عمومی
آنزیم های بی حرکت ترکیباتی هستند که به طور مصنوعی به یک حامل نامحلول متصل می شوند. با این حال، آنها خواص کاتالیزوری خود را حفظ می کنند. در حال حاضر، این فرآیند از دو جنبه در نظر گرفته می شود - در چارچوب محدودیت جزئی و کامل آزادی حرکت مولکول های پروتئین.
کرامت
دانشمندان فواید خاصی از آنزیم های بی حرکت را مشخص کرده اند. به عنوان کاتالیزورهای ناهمگن عمل می کنند و می توانند به راحتی از محیط واکنش جدا شوند. به عنوان بخشی از تحقیقات، مشخص شد که استفاده از آنزیم های بی حرکت را می توان تکرار کرد. در طول فرآیند اتصال، اتصالات ویژگی های خود را تغییر می دهند. آنها ویژگی و پایداری بستر را به دست می آورند. در همان زمان، فعالیت آنها به شرایط محیطی بستگی دارد. آنزیم های تثبیت شده بادوام هستند و از پایداری بالایی برخوردار هستند. برای مثال، آنزیم‌های آزاد هزاران، ده‌ها هزار برابر بیشتر است. همه اینها کارایی بالا، رقابت و صرفه جویی در فناوری هایی را تضمین می کند که در آن آنزیم های بی حرکت وجود دارند.
رسانه
J. پوراتو ویژگی‌های کلیدی مواد ایده‌آل را برای استفاده در بیحرکتی شناسایی کرد. حاملان باید:
داشته باشند
- ناحلولیت.
- مقاومت بیولوژیکی و شیمیایی بالا.
- قابلیت فعال سازی سریع. حامل ها باید به راحتی واکنش نشان دهند.
- آب دوستی قابل توجه.
- نفوذپذیری لازم. شاخص آن باید برای آنزیم ها و کوآنزیم ها، محصولات واکنش و سوبستراها به یک اندازه قابل قبول باشد.
در حال حاضر هیچ ماده ای وجود ندارد که به طور کامل این الزامات را برآورده کند. با این وجود، در عمل از حامل هایی استفاده می شود که برای بی حرکتی مناسب هستند.دسته خاصی از آنزیم ها تحت شرایط خاص.
طبقه بندی
بسته به ماهیت آنها، موادی که در ارتباط با آنها ترکیبات به آنزیم های بی حرکت تبدیل می شوند، به غیر آلی و آلی تقسیم می شوند. اتصال بسیاری از ترکیبات با حامل های پلیمری انجام می شود. این مواد آلی به دو دسته مصنوعی و طبیعی تقسیم می شوند. در هر یک از آنها، به نوبه خود، گروه ها بسته به ساختار متمایز می شوند. حامل های غیر آلی عمدتاً با مواد ساخته شده از شیشه، سرامیک، خاک رس، سیلیکاژل و گرافیت سیاه نشان داده می شوند. هنگام کار با مواد، روش های شیمی خشک محبوب هستند. آنزیم‌های تثبیت‌شده با پوشش دادن حامل‌ها با لایه‌ای از اکسیدهای تیتانیوم، آلومینیوم، زیرکونیوم، هافنیوم یا با پردازش با پلیمرهای آلی به دست می‌آیند. مزیت مهم مواد، سهولت بازسازی است.
حامل پروتئین
محبوب ترین آنها مواد لیپیدی، پلی ساکارید و پروتئین هستند. در میان دومی، ارزش برجسته کردن پلیمرهای ساختاری را دارد. اینها عمدتاً شامل کلاژن، فیبرین، کراتین و ژلاتین هستند. چنین پروتئین هایی به طور گسترده در محیط طبیعی توزیع می شوند. آنها مقرون به صرفه و مقرون به صرفه هستند. علاوه بر این، تعداد زیادی گروه عملکردی برای اتصال دارند. پروتئین ها زیست تخریب پذیر هستند. این اجازه می دهد تا استفاده از آنزیم های بی حرکت در پزشکی گسترش یابد. در این میان پروتئین ها نیز خواص منفی دارند. مضرات استفاده از آنزیم های بی حرکت بر روی حامل های پروتئینی ایمنی زایی بالای حامل های پروتئینی و همچنینتوانایی معرفی تنها گروه های خاصی از آنها به واکنش ها.
پلی ساکاریدها، آمینوساکاریدها
از این مواد، کیتین، دکستران، سلولز، آگارز و مشتقات آنها بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند. برای اینکه پلی ساکاریدها در برابر واکنش ها مقاوم تر شوند، زنجیره های خطی آنها با اپی کلروهیدرین به هم متصل می شوند. گروه های مختلف یون زا آزادانه به ساختار شبکه وارد می شوند. کیتین در طی فرآوری صنعتی میگو و خرچنگ در مقادیر زیادی به عنوان زباله جمع می شود. این ماده مقاوم در برابر مواد شیمیایی است و ساختار متخلخل کاملاً مشخصی دارد.
پلیمرهای مصنوعی
این گروه از مواد بسیار متنوع و در دسترس هستند. این شامل پلیمرهای مبتنی بر اسید اکریلیک، استایرن، پلی وینیل الکل، پلی اورتان و پلیمرهای پلی آمید است. اکثر آنها از نظر مکانیکی قوی هستند. در فرآیند تبدیل، آنها امکان تغییر اندازه منافذ را در یک محدوده نسبتاً وسیع فراهم می‌کنند و گروه‌های عملکردی مختلفی را معرفی می‌کنند.
روش‌های اتصال
در حال حاضر، دو گزینه اساساً متفاوت برای بی حرکتی وجود دارد. اولین مورد به دست آوردن ترکیبات بدون پیوند کووالانسی با حامل است. این روش فیزیکی است. گزینه دیگر شامل ظهور یک پیوند کووالانسی با مواد است. این یک روش شیمیایی است.
جذب
به کمک آن با نگه داشتن دارو بر روی سطح حامل آنزیم های بی حرکت به دست می آید.پراکندگی، برهمکنش های آبگریز، الکترواستاتیک و پیوندهای هیدروژنی. جذب اولین راه برای محدود کردن تحرک عناصر بود. با این حال، حتی در حال حاضر این گزینه ارتباط خود را از دست نداده است. علاوه بر این، جذب به عنوان رایج ترین روش بیحرکتی در صنعت در نظر گرفته می شود.
ویژگی های روش
انتشارات علمی بیش از ۷۰ آنزیم به دست آمده با روش جذب را توصیف می کنند. حامل ها عمدتاً شیشه متخلخل، خاک رس های مختلف، پلی ساکاریدها، اکسیدهای آلومینیوم، پلیمرهای مصنوعی، تیتانیوم و سایر فلزات بودند. مورد دوم بیشترین استفاده را دارند. اثربخشی جذب دارو بر روی حامل توسط تخلخل ماده و سطح ویژه تعیین می شود.
مکانیسم عمل
جذب آنزیمی روی مواد نامحلول ساده است. با تماس محلول آبی دارو با حامل حاصل می شود. می تواند به صورت ایستا یا پویا عبور کند. محلول آنزیم با رسوبات تازه، به عنوان مثال، هیدروکسید تیتانیوم مخلوط می شود. سپس این ترکیب در شرایط ملایم خشک می شود. فعالیت آنزیم در طول چنین بیحرکتی تقریباً 100٪ حفظ می شود. در همان زمان، غلظت ویژه به 64 میلی گرم در هر گرم حامل می رسد.
لحظات منفی
معایب جذب عبارتند از استحکام کم هنگام اتصال آنزیم و حامل. در فرآیند تغییر شرایط واکنش، از بین رفتن عناصر، آلودگی محصولات و دفع پروتئین قابل توجه است. برای بهبود قدرتحامل های اتصال از قبل اصلاح شده اند. به طور خاص، مواد با یون های فلزی، پلیمرها، ترکیبات آبگریز و سایر عوامل چند عملکردی تصفیه می شوند. در برخی موارد، خود دارو اصلاح می شود. اما اغلب این منجر به کاهش فعالیت آن می شود.
درج در ژل
این گزینه به دلیل منحصر به فرد بودن و سادگی آن بسیار رایج است. این روش نه تنها برای عناصر فردی، بلکه برای مجتمع های چند آنزیمی نیز مناسب است. ادغام در ژل به دو صورت انجام می شود. در حالت اول، دارو با محلول آبی مونومر ترکیب می شود و پس از آن پلیمریزاسیون انجام می شود. در نتیجه، یک ساختار ژل فضایی ظاهر می شود که حاوی مولکول های آنزیمی در سلول ها است. در مورد دوم، دارو به محلول پلیمر نهایی وارد می شود. سپس در حالت ژل قرار می گیرد.
نفوذ به سازه های نیمه شفاف
ماهیت این روش بیحرکتی جداسازی محلول آنزیمی آبی از بستر است. برای این کار از یک غشای نیمه تراوا استفاده می شود. این اجازه می دهد تا عناصر با وزن مولکولی کم کوفاکتورها و بسترها از خود عبور کنند و مولکول های بزرگ آنزیم ها را حفظ می کند.
Microencapsulation
گزینه های مختلفی برای تعبیه در ساختارهای نیمه شفاف وجود دارد. از این میان، ریزپوشانی و ادغام پروتئین ها در لیپوزوم ها بیشترین علاقه را دارد. اولین گزینه در سال 1964 توسط تی چانگ پیشنهاد شد. این شامل این واقعیت است که محلول آنزیمی به یک کپسول بسته وارد می شود که دیواره های آن از نیمه تراوا ساخته شده است.پلیمر ظهور یک غشاء بر روی سطح ناشی از واکنش چند تراکم سطحی ترکیبات است. یکی از آنها در آلی حل می شود و دیگری در فاز آبی. به عنوان مثال، تشکیل یک میکروکپسول به دست آمده از چند متراکم شدن هالید اسید سباسیک (فاز آلی) و هگزامتیلن دی آمین-1، 6 (به ترتیب فاز آبی) است. ضخامت غشا بر حسب صدم میکرومتر محاسبه می شود. اندازه کپسول ها صدها یا ده ها میکرومتر است.
ادغام در لیپوزوم
این روش بیحرکتی به میکروکپسولاسیون نزدیک است. لیپوزوم ها در سیستم های لایه ای یا کروی از دو لایه لیپیدی ارائه می شوند. این روش برای اولین بار در سال 1970 مورد استفاده قرار گرفت. برای جداسازی لیپوزوم ها از محلول لیپیدی، حلال آلی تبخیر می شود. لایه نازک باقیمانده در محلول آبی که آنزیم در آن وجود دارد پراکنده می شود. در طی این فرآیند، خودآرایی ساختارهای دولایه لیپیدی رخ می دهد. چنین آنزیم های بی حرکت در پزشکی بسیار محبوب هستند. این به دلیل این واقعیت است که بیشتر مولکول ها در ماتریس لیپیدی غشاهای بیولوژیکی قرار دارند. آنزیم های تثبیت شده موجود در لیپوزوم ها مهمترین ماده تحقیقاتی در پزشکی هستند که امکان مطالعه و توصیف الگوهای فرآیندهای حیاتی را فراهم می کند.
تشکیل اوراق قرضه جدید
بیحرکتی با تشکیل زنجیره‌های کووالانسی جدید بین آنزیم‌ها و حامل‌ها، گسترده‌ترین روش برای به دست آوردن بیوکاتالیست‌های صنعتی در نظر گرفته می‌شود.مقصد برخلاف روش های فیزیکی، این گزینه یک پیوند برگشت ناپذیر و قوی بین مولکول و ماده ایجاد می کند. تشکیل آن اغلب با تثبیت دارو همراه است. در عین حال، قرار گرفتن آنزیم در فاصله ای از پیوند کووالانسی 1 نسبت به حامل، مشکلات خاصی را در اجرای فرآیند کاتالیزوری ایجاد می کند. مولکول به وسیله یک درج از ماده جدا می شود. اغلب به عنوان عوامل چند منظوره و دو کاره استفاده می شود. به طور خاص، آنها هیدرازین، سیانوژن برومید، گلوتاریک دیالهدرید، سولفوریل کلرید و غیره هستند. به عنوان مثال، برای حذف گالاکتوزیل ترانسفراز، دنباله زیر بین حامل و آنزیم قرار می گیرد -CH
2-- NH-(CH 2)5-CO-. در چنین شرایطی یک درج، یک مولکول و یک حامل در ساختار وجود دارد. همه آنها با پیوندهای کووالانسی به هم متصل هستند. نیاز به معرفی گروه های عاملی که برای عملکرد کاتالیزوری عنصر ضروری نیستند، از اهمیت اساسی برخوردار است. بنابراین، به عنوان یک قاعده، گلیکوپروتئین ها نه از طریق پروتئین، بلکه از طریق قسمت کربوهیدراتی به حامل متصل می شوند. در نتیجه، آنزیم‌های تثبیت‌شده پایدارتر و فعال‌تری به دست می‌آیند.
سلول
روش هایی که در بالا توضیح داده شد برای همه انواع بیوکاتالیست ها جهانی در نظر گرفته می شوند. اینها، از جمله، سلول ها، ساختارهای درون سلولی هستند که بی حرکتی آنها اخیراً گسترده شده است. این به دلیل موارد زیر است. وقتی سلول‌ها بی‌حرکت می‌شوند، نیازی به جداسازی و خالص‌سازی آنزیم‌ها یا وارد کردن کوفاکتورها در واکنش‌ها نیست. در نتیجه امکان پذیر می شودسیستم هایی که فرآیندهای پیوسته چند مرحله ای را انجام می دهند.
استفاده از آنزیم های بی حرکت
در دامپزشکی، صنعت و سایر بخش های اقتصادی، داروهایی که با روش های فوق به دست می آیند بسیار محبوب هستند. رویکردهای توسعه یافته در عمل راه حلی برای مشکلات ارسال هدفمند دارو در بدن ارائه می دهد. آنزیم های تثبیت شده امکان به دست آوردن داروهای طولانی مدت با حداقل حساسیت و سمیت را فراهم کردند. در حال حاضر، دانشمندان در حال حل مشکلات مربوط به تبدیل زیستی جرم و انرژی با استفاده از رویکردهای میکروبیولوژیکی هستند. در همین حال، فناوری آنزیم های بی حرکت نیز کمک قابل توجهی به کار می کند. به نظر می رسد چشم اندازهای توسعه بسیار گسترده است. بنابراین، در آینده، یکی از نقش های کلیدی در فرآیند نظارت بر وضعیت محیط باید به انواع جدید تجزیه و تحلیل تعلق گیرد. به طور خاص، ما در مورد روش‌های ایمونواسی بیولومینسانس و آنزیمی صحبت می‌کنیم. رویکردهای پیشرفته در فرآوری مواد خام لیگنوسلولزی اهمیت ویژه ای دارند. آنزیم های بی حرکت را می توان به عنوان تقویت کننده سیگنال ضعیف استفاده کرد. مرکز فعال ممکن است تحت تأثیر یک حامل باشد که تحت سونوگرافی، استرس مکانیکی یا در معرض تغییرات فیتوشیمیایی قرار دارد.
