Laboratorium 6. Immobilizacja enzymu metodą pułapkowania w matrycy hydrożelowej

Podobne dokumenty
Laboratorium 5. Wpływ temperatury na aktywność enzymów. Inaktywacja termiczna

Laboratorium 4. Określenie aktywności katalitycznej enzymu. Wprowadzenie do metod analitycznych. 1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

CEL ĆWICZENIA: Zapoznanie się z przykładową procedurą odsalania oczyszczanych preparatów enzymatycznych w procesie klasycznej filtracji żelowej.

Podstawy biogospodarki. Wykład 7

Definicja immobilizacji

KINETYKA HYDROLIZY SACHAROZY

C 6 H 12 O 6 2 C 2 O 5 OH + 2 CO 2 H = -84 kj/mol

3. Badanie kinetyki enzymów

Laboratorium Inżynierii Bioreaktorów

KINETYKA HYDROLIZY SACHAROZY (REAKCJA ENZYMATYCZNA I CHEMICZNA)

Kinetyka reakcji hydrolizy sacharozy katalizowanej przez inwertazę

ĆWICZENIE II Kinetyka reakcji akwatacji kompleksu [Co III Cl(NH 3 ) 5 ]Cl 2 Wpływ wybranych czynników na kinetykę reakcji akwatacji

Laboratorium 8. Badanie stresu oksydacyjnego jako efektu działania czynników toksycznych

47 Olimpiada Biologiczna

BADANIE WŁASNOŚCI KOENZYMÓW OKSYDOREDUKTAZ

KINETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNYCH Wyznaczenie stałej Michaelisa i maksymalnej szybkości reakcji hydrolizy sacharozy katalizowanej przez inwertazę.

46 Olimpiada Biologiczna

KREW: 1. Oznaczenie stężenia Hb. Metoda cyjanmethemoglobinowa: Zasada metody:

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTRUKCJA Z LABORATORIUM W ZAKŁADZIE BIOFIZYKI. Ćwiczenie 3 ANALIZA TRANSPORTU SUBSTANCJI NISKOCZĄSTECZKOWYCH PRZEZ

OZNACZANIE ŻELAZA METODĄ SPEKTROFOTOMETRII UV/VIS

ANALIZA TŁUSZCZÓW WŁAŚCIWYCH CZ II

Ćwiczenie IX KATALITYCZNY ROZKŁAD WODY UTLENIONEJ

Badanie termostabilności oraz wpływu aktywatorów i inhibitorów na działanie α-amylazy [EC ]

Materiały polimerowe laboratorium

Wpływ ph i temperatury na aktywność enzymów na przykładzie α-amylazy [EC ]

WPŁYW SUBSTANCJI TOWARZYSZĄCYCH NA ROZPUSZCZALNOŚĆ OSADÓW

Projektowanie Procesów Biotechnologicznych

1. Oznaczanie aktywności lipazy trzustkowej i jej zależności od stężenia enzymu oraz żółci jako modulatora reakcji enzymatycznej.

Sporządzanie roztworów buforowych i badanie ich właściwości

Polarymetryczne oznaczanie stężenia i skręcalności właściwej substancji optycznie czynnych

KINETYKA INWERSJI SACHAROZY

Oznaczanie mocznika w płynach ustrojowych metodą hydrolizy enzymatycznej

ĆWICZENIE 5 MECHANIZMY PROMUJĄCE WZROST ROŚLIN

Zanieczyszczenia organiczne takie jak WWA czy pestycydy są dużym zagrożeniem zarówno dla środowiska jak i zdrowia i życia człowieka.

Laboratorium Inżynierii Bioreaktorów

WPŁYW SUBSTANCJI TOWARZYSZĄCYCH NA ROZPUSZCZALNOŚĆ OSADÓW

Ćwiczenie 8 Wyznaczanie stałej szybkości reakcji utleniania jonów tiosiarczanowych

LABORATORIUM Z KATALIZY HOMOGENICZNEJ I HETEROGENICZNEJ WYZNACZANIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI UTLENIANIA POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

POLITECHNIKA GDAŃSKA

Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej Uniwersytet Łódzki ul.tamka 12, Łódź

Na tej pracowni wyjątkowo odpowiedzi na zadania należy udzielić na osobnym arkuszu odpowiedzi.

Zakład Biologii Sanitarnej i Ekotechniki ĆWICZENIE 2 BUDOWA I FUNKCJE ENZYMÓW. ZASTOSOWANIE BADAŃ ENZYMATYCZNYCH W INŻYNIERII ŚRODOWISKA.

Katalaza scripted inquiry wersja dla nauczyciela

Oznaczanie żelaza i miedzi metodą miareczkowania spektrofotometrycznego

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

Badanie kinetyki katalitycznego rozkładu H 2 O 2

HYDROLIZA SOLI. ROZTWORY BUFOROWE

Biochemia Ćwiczenie 4

Odczynniki. dzieląc zmierzoną absorbancję przez współczynnik absorbancji dla 1µg p-nitrofenolu

a) hydroliza octanu n-butylu b) hydroliza maślanu p-nitrofenylu 4/7 O O PLE bufor ph 7,20 OH H 2 aceton O PLE O N O N O bufor ph 7,20 acetonitryl

Budowa prototypu aparatury do prowadzenia reakcji pod zwiększonym ciśnieniem (10 barów).

Oznaczanie aktywności - i β- amylazy słodu metodą kolorymetryczną

PL B1. Instytut Chemii Przemysłowej im.prof.ignacego Mościckiego,Warszawa,PL BUP 07/06

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Wpływ stężenia kwasu na szybkość hydrolizy estru

Oznaczanie dekstranu w sokach cukrowniczych

BIOTECHNOLOGIA OGÓLNA

Przedmiot: Chemia budowlana Zakład Materiałoznawstwa i Technologii Betonu

Sprawozdzanie z ćwiczenia nr 3 - Kinetyka enzymatyczna

Oznaczanie czasu żelowania i maksymalnej temperatury podczas żelowania nienasyconych żywic poliestrowych

Spektroskopia molekularna. Ćwiczenie nr 1. Widma absorpcyjne błękitu tymolowego

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT TECHNOLOGII NIEORGANICZNEJ I NAWOZÓW MINERALNYCH. Ćwiczenie nr 6. Adam Pawełczyk

KATALITYCZNE OZNACZANIE ŚLADÓW MIEDZI

Adsorpcja błękitu metylenowego na węglu aktywnym w obecności acetonu

Ćwiczenie 4. Identyfikacja wybranych cukrów w oparciu o niektóre reakcje charakterystyczne

Właściwości kinetyczne fosfatazy kwaśnej z ziemniaka

Kryteria oceniania z chemii kl VII

WYTWARZANIE I ANALIZA PRODUKTÓW MLECZNYCH

ENZYMOLOGIA. Ćwiczenie 4. α-amylaza (cz. I) Oznaczanie aktywności enzymu metodą kolorymetryczną

TaqNovaHS. Polimeraza DNA RP902A, RP905A, RP910A, RP925A RP902, RP905, RP910, RP925

Oznaczanie aktywności proteolitycznej trypsyny metodą Ansona

PL B1. POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL BUP 19/13

Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Chemii Krzemianów i Związków Wielkocząsteczkowych

ĆWICZENIE B: Oznaczenie zawartości chlorków i chromu (VI) w spoiwach mineralnych

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

data ĆWICZENIE 7 DYSTRYBUCJA TKANKOWA AMIDOHYDROLAZ

Spis treści. Wstęp... 9

Laboratorium Podstaw Biofizyki

Zakład Biologii Molekularnej Materiały do ćwiczeń z przedmiotu: BIOLOGIA MOLEKULARNA

Przedmiot CHEMIA Kierunek: Transport (studia stacjonarne) I rok TEMATY WYKŁADÓW 15 godzin Warunek zaliczenia wykłady: TEMATY LABORATORIÓW 15 godzin

Laktaza Mikrokapsułkowanie enzymu

6. Wykorzystanie tyrozynazy otrzymywanej z pieczarki dwuzarodnikowej (Agaricus Bisporus) do produkcji L-DOPA

Technologia Chemiczna II st. od roku akad. 2015/2016

Krew należy poddać hemolizie, która zachodzi pod wpływem izotonicznego odczynnika Drabkina.

Inżynieria Środowiska

ELEKTROFOREZA. Wykonanie ćwiczenia 8. ELEKTROFOREZA BARWNIKÓW W ŻELU AGAROZOWYM

SEPARACJE i OCZYSZCZANIE BIOPRODUKTÓW DESTYLACJA PROSTA

SPECJALNE TECHNIKI ROZDZIELANIA W BIOTECHNOLOGII. Laboratorium nr1 CHROMATOGRAFIA ODDZIAŁYWAŃ HYDROFOBOWYCH

Roztwory buforowe modyfikacja wykonania ćwiczenia.

Gel-Out. 50 izolacji, 250 izolacji. Nr kat , Zestaw do izolacji DNA z żelu agarozowego. wersja 0617

2.1. Charakterystyka badanego sorbentu oraz ekstrahentów

Spektrofotometryczne wyznaczanie stałej dysocjacji czerwieni fenolowej

Badanie procesu starzenia się kwasu ortokrzemowego w roztworach wodnych

Wyznaczanie krzywej progresji reakcji i obliczenie szybkości początkowej reakcji katalizowanej przez β-fruktofuranozydazy

Ćwiczenie 3: Wpływ temperatury na równowagę w układzie ciecz-ciecz

Kit for rapid detection Legionella pneumophilla

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH. ILOŚCIOWE ZBADANIE SZYBKOŚCI ROZPADU NADTLENKU WODORU.

KATALIZA I KINETYKA CHEMICZNA

Zakład Chemii Organicznej, Wydział Chemii UMCS Strona 1

Transkrypt:

Laboratorium 6 Immobilizacja enzymu metodą pułapkowania w matrycy hydrożelowej Prowadzący: dr inż. Karolina Labus 1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA Enzymy uważane są za niezwykle wydajne katalizatory różnorodnych reakcji, które efektywnie mogą być wykorzystane w różnych dziedzinach, np. w przemyśle chemicznym, kosmetycznym, tekstylnym, spożywczym czy farmaceutycznym, jak również w medycynie, ochronie środowiska oraz rolnictwie. Niemniej jednak w większości przypadków zastosowanie enzymów w skali przemysłowej jest ograniczone z uwagi na kilka głównych czynników: wysokie koszty produkcji preparatów enzymatycznych, niewielka możliwość użycia tego samego preparatu kilkukrotnie oraz znacząca podatność enzymów w formie natywnej (niezwiązanej) na inaktywację w ekstremalnych warunkach procesowych (np. wysoka temperatura, obecność rozpuszczalników organicznych, niskie lub wysokie wartości ph). W związku z powyższym, jednym z największych wyzwań obecnej biotechnologii przemysłowej jest stworzenie takiego biokatalizatora, który działałby perfekcyjnie. Do najważniejszych właściwości charakteryzujących efektywny preparat enzymatyczny należą: wysoka stabilność w warunkach procesowych oraz w warunkach przechowywania, jak również możliwość wielokrotnego wykorzystania lub zastosowanie takiego biokatalizatora w procesie ciągłym. Te założenia można spełnić m. in. poprzez immobilizację enzymu. IMMOBILIZACJA ENZYMÓW Immobilizacja jest jedną z najpopularniejszych procedur stosowanych w celu efektywnego zwiększenia stabilności enzymów. Termin immobilizowany enzym po raz pierwszy został rekomendowany w 1971 roku przez Katzir-Katchalskiego na Pierwszej Konferencji Inżynierii Enzymatycznej (the First Enzyme Engineering Conference, Henniker, New Hampshire, US) i zdefiniowany jako: Enzym unieruchomiony/zamknięty w ściśle określonej przestrzeni, który zachowuje swoje właściwości katalityczne oraz może być zastosowany wielokrotnie lub w procesie ciągłym. 1

Ogólnie, metody immobilizacji można podzielić na trzy główne grupy: (1) sieciowanie, (2) pułapkowanie i (3) wiązanie z nośnikiem (Rysunek 1).Wszystkie te procedury umożliwiają uzyskanie preparatów enzymatycznych o zwiększonej stabilności, które mogą być zastosowane wielokrotnie lub w procesie ciągłym. Rysunek 1. Ogólny podział metod immobilizacji enzymów. Metoda sieciowania opiera się na wytworzeniu wielokrotnych wiązań kowalencyjnych pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami enzymu w wyniku czego powstaje trójwymiarowa usieciowana struktura. Procesy sieciowania charakteryzują się brakiem znaczącego udziału nośnika w całej procedurze i przeprowadzane są z wykorzystaniem różnych typów czynników sieciujących, np.: (i) związków katalizujących powstawanie wiązań kowalencyjnych bezpośrednio pomiędzy grupami funkcyjnymi enzymu lub difunkcyjnych czynników, które są wprowadzane pomiędzy grupy funkcyjne sieciowanych cząsteczek białka tworząc w rezultacie końcowym pewnego typu mostki łączące. Metoda pułapkowania polega na zatrzymaniu cząsteczek natywnego enzymu w ściśle zdefiniowanej przestrzeni ograniczonej przez nierozpuszczalną, porowatą barierę pochodzenia naturalnego lub syntetycznego (np. sieć polimerowa, półprzepuszczalna membrana). Poprzez taką barierę możliwa jest wymiana reagentów (substratów, produktów i innych składników mieszaniny reakcyjnej) z szybkością związaną z dyfuzją tych związków zachodzącą w obu kierunkach. Wiązanie z nośnikiem jest najbardziej popularną metodą immobilizacji, opierającą się o wiązanie cząsteczek enzymu z powierzchnią nierozpuszczalnego nośnika. W tym przypadku odpowiedni dobór matrycy do immobilizacji oraz typu wiązania jest kluczowe do uzyskania biokatalizatora charakteryzującego się satysfakcjonującą (z przemysłowego punktu widzenia) 2

jakością. Szereg różnych materiałów można zastosować jako nośniki do immobilizacji m.in. nieorganiczne, organiczne, pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, jak również materiały hybrydowe. Enzymy mogą być wiązane z wykorzystaniem m.in.: słabych oddziaływań typu van der Waalsa, metali przejściowych, oddziaływań powinowactwa lub trwałych wiązań kowalencyjnych. Niemniej jednak, w praktyce najczęściej stosowaną metodą jest adsorpcja i wiązanie kowalencyjne z wykorzystaniem nośników zawierających szeroką gamę reaktywnych grup funkcyjnych. Każda z wyżej wymienionych metod immobilizacji posiada zarówno zalety jak i wady. Dodatkowo różnią się one pod względem stopnia ingerencji w przestrzenną strukturę unieruchamianego białka oraz jego stabilność w warunkach procesowych. Najważniejsze cechy charakteryzujące poszczególne procedury immobilizacji zebrano w Tabeli 1. Tabela 1. Główne cechy charakteryzujące poszczególne metody immobilizacji enzymów Wiązanie z nośnikiem Cecha Sieciowanie Pułapkowanie Adsorpcja Wiązanie kowalencyjne Wytwarzanie Trudne Umiarkowanie trudne Proste Trudne Aktywność enzymu Umiarkowana Wysoka Niska Wysoka Siła wiązania Mocna Mocna/Umiarkowana a Słaba Mocna Ingerencja w strukturę enzymu Wysoka Niska Niska Wysoka Regeneracja nośnika Niemożliwa Niemożliwa Możliwa Niemożliwa Koszty immobilizacji Wykorzystanie w szerszej skali Umiarkowane Niskie Niskie Wysokie Niewielkie Duże Niewielkie Duże a w zależności od typu matrycy zastosowanego jako nośnik Podstawowym parametrem charakteryzującym efektywność immobilizacji metodą pułapkowania w hydrożelowej matrycy jest wydajność pułapkowania definiowana jako: Do kartkówki obowiązuje materiał umieszczony w instrukcji (zarówno część teoretyczna i praktyczna). 3

2. CEL ĆWICZENIA Podczas zajęć zapoznają się Państwo z procedurą otrzymywania immobilizowanych preparatów enzymatycznych metodą pułapkowania. Ogólnie, metoda ta bazuje zatrzymaniu enzymu w sieci trójwymiarowej matrycy polimerowej. W tym przypadku, enzym nie jest bezpośrednio związany z nośnikiem tylko niejako uwięziony w pustych przestrzeniach pomiędzy łańcuchami polimerowymi. W związku z tym wpływ immobilizacji na strukturę oraz specyficzne właściwości katalityczne tak unieruchomionego enzymu jest nieznaczny. 3. CZĘŚĆ PRAKTYCZNA Przygotować 0,1M bufor fosforanowy ph 7.0 (dla całej grupy 1L) 200 ml laktozy o stężeniu 50 g/l przygotować w 0,1Mbuforze fosforanowym o ph 7.0 Odczynnik I (różowy) do pomiaru aktywności enzymu Żelatyna, czynnik sieciujący (mikrobiologiczna transglutaminaza, mtgaza) przygotowywana przez prowadzącego zajęcia Enzym do immobilizacji (roztwory β-galactozydazy o różnym stężeniu przygotowane przez prowadzącego zajęcia). 3.1. Immobilizacja enzymu (β-galaktozydazy) metodą pułapkowania w żelatynowej matrycy hydrożelowej Przygotować 30 ml 15% w/v roztworu żelatyny w 0.1M buforze fosforanowym ph 7.0, umieścić go w termostatowanym szklanym reaktorze (60 C) i mieszać aż do uzyskania całkowitego rozpuszczenia. Następnie otrzymany roztwór żelatyny schłodzić do 40 C. Następnie, w celu rozpoczęcia procesu sieciowania, schłodzony roztwór żelatyny zmieszać z czynnikiem sieciującym zawierającym β-galaktozydazę w stosunku 2:1 W celu otrzymania 1 cząstki hydrożelowej do probówki należy wprowadzić 1 ml czynnika sieciującego zawierającego β-galaktozydazę, a następnie dodać 2 ml roztworu żelatyny, zamknąć probówkę korkiem i natychmiast zmieszać na worteksie Należy przygotować po 5 cząsteczek hydrożelu dla jednego stężenia immobilizowanego enzymu Każda podgrupa przygotowuje hydrożele z immobilizowanym enzymem dla dwóch stężeń unieruchamianego białka Następnie wszystkie probówki z hydrożelami zostawić w 4 C na 1h Po upływie tego czasu wyjąć hydrożele z probówek używając metalowej szpatułki i zostawić do pomiarów aktywności 4

3.2. Pomiar aktywności katalitycznej enzymu (przypomnienie analityki z Lab 4) W pomiarach aktywności enzymu (β-galaktozydazy) wykorzystywany jest test analityczny na glukozę jednego z produktów reakcji katalizowanej przez ten enzym. Sposób wykonania testu analitycznego na zawartość glukozy: Z odpowiednio rozcieńczonej próbki pobrać 10 µl do 1 ml Odczynnika I (Glukoza OXY DST, Alpha Diagnostics), inkubować przez 5 min w 37 C, a następnie mierzyć absorbancję przy długości fali 500 nm. Przed rozpoczęciem pomiarów spektrofotometr należy wyzerować na 1 ml Odczynnika I. Pomiar katalitycznej aktywności natywnego enzyme (β-galaktozydazy) Przygotować roztwór substratu (laktozy) o stężeniu 50 g/l w 0,1M buforze fosforanowym ph 7.0 Następnie w termostacie (37 C) umieścić probówkę zawierającą 3 ml tego substratu i inkubować przez około 10 min. W międzyczasie przygotować statyw z 11probówkami i do każdej z nich dodać po 1 ml Odczynnika I (różowego). Po upływie tego czasu, do probówki z preinkubowanym substratem (3mL) dodać 0,3 ml roztworu natywnego enzymu (przygotowanego przez prowadzącego) i włączyć stoper Przez 10 min po każdej 1 minucie reakcji pobrać próbkę z probówki z mieszaniną laktozy i enzymu (10 µl), niezwłocznie zmieszać z 1 ml Odczynnika I (różowego) i umieścić dokładnie na 5 minut w łaźni wodnej (37 C) Następnie zmierzyć absorbancję na spektrofotometrze przy 500 nm. Przed pomiarami, aparat musi być wyzerowany (zero base) na 1 ml Odczynnika I. Próbki wyciągnięte z łaźni wodnej (5 min, 37 C) mogą czekać na pomiary absorbancji w temperaturze pokojowej nawet do 25 min. Pomiar katalitycznej aktywności enzymu (β-galactozydazy) immobilizowanego w matrycy hydrożelowej W termostatowanym reaktorze szklanym (37 C) umieścić 30 ml roztworu laktozy o stężeniu 50 g/l i inkubować przez około 10 min. W międzyczasie przygotować statyw z 11 probówkami i do każdej z nich dodać po 1 ml Odczynnika I (różowego). 5

Po upływie tego czasu, do reaktora z preinkubowanym substratem (30 ml) dodać 1 hydrożel z immobilizowanym enzymem (3 ml) i włączyć stoper Przez 20 min po każdych 2 minutach reakcji pobrać próbkę z reaktora zawierającego laktozę i immobilizowany enzym (10 µl), niezwłocznie zmieszać z 1 ml Odczynnika I (różowego) i umieścić dokładnie na 5 minut w łaźni wodnej (37 C) Następnie zmierzyć absorbancję na spektrofotometrze przy 500 nm. Przed pomiarami, aparat musi być wyzerowany (zero base) na 1 ml Odczynnika I. Próbki wyciągnięte z łaźni wodnej (5 min, 37 C) mogą czekać na pomiary absorbancji w temperaturze pokojowej nawet do 25 min. 3.3. Opracowanie wyników Każda podgrupa do sporządzenia sprawozdania potrzebuje wyniki całej grupy. W sprawozdaniu procedurę wykonania doświadczenia przedstawić graficznie na schemacie (nie przepisywać instrukcji). Wyniki pomiarów aktywności uzyskane dla natywnego i immobilizowanego enzymu przedstawić na wykresie jako: A 500nm = f(t) i na podstawie równania prostej wyznaczyć Wartości aktywności (wyrażone jako ) Wartości aktywności uzyskane dla wszystkich immobilizowanych preparatów enzymu skorelować z ich stężeniem i przedstawić na wykresie (Aktywność immobilizowanego enzymu = f(c ENZYMU ) Dla wszystkich enzymów po immobilizacji wyznaczyć tzw. wydajność pułapkowania Skomentować i podsumować uzyskane wyniki. Literatura [1] Katchalski-Katzir E., Immobilized enzymes learning from past succesess and failures, Trends in Biotechnology 11 (1993) 471-478. [2] Bryjak J., Immobilizacja enzymów. Część I: Metody konwencjonalne, Wiadomości Chemiczne 58 (2004) 9-10. [3] Illanes A., Stability of biocatalysts, Journal of Biotechnology 1 (1999) 1-9. [4] Tischer W., Wedekind F, Immobilized enzymes: methods and applications, Top. Curr. Chem.. 200 (1999) 95-126. [5] Wong S.S., Wong L.J.C., Chemical crosslinking and the stabilization of proteins and enzymes, Enzyme Microb. Technol. 14 (1992) 866-874. [6] Fernandez-Lafuente R., Rosell C.M., Rodriguez V., Guisan J.M., Strategies for enzyme stabilization by intramolecular crosslinking with bifunctional reagents, Enzyme Microb. Technol. 17 (1995) 517-523. [7] Betancor L. Luckarift H.R., Bioinspired enzyme encapsulation for biocatalysisis, Trends Biotechnol. 26 (2008) 566-572. [26] Mateo C., Palomo J.M., Fernandez-Lorente G., Guisan J.M., Fernandez-Lafuente R., Improvement of enzyme activity, stability and selectivity via immobilization techniques, Enzyme Microb. Technol. 40 (2007) 1451-1463. 6