W walce o przyjazne środowisko
Jednym z największych wyzwań, przed którymi staje współcześnie przemysł, jest dążenie do procesów bardziej ekologicznych, przyjaznych środowisku. Wszelkie innowacje nakierowane są na minimalizację czy całkowitą eliminację powstających zanieczyszczeń i rezygnację z użycia toksycznych i niebezpiecznych surowców. Biokataliza pod tym względem przejawia wiele zalet, gdyż generuje dużo mniej zanieczyszczeń w porównaniu do rozwiązań konwencjonalnych, jest dużo efektywniejsza energetycznie, a produkty cechują się wyższym stopniem oczyszczenia.
Enzymy to uniwersalne biokatalizatory w skali nano, używane w wielu gałęziach przemysłu, między innymi w biokatalizie przemysłowej i bioremediacji. Użycie enzymów w formie rozpuszczalnej pozostaje często kosztownym rozwiązaniem, dodatkowo niekorzystnym przez niestabilność i trudności w odzyskiwaniu materiałów i przywróceniu im wartości użytkowej. Wszystkich tych wad da się uniknąć poprzez immobilizację enzymów do stałych nośników. W ten sposób zwiększa się stabilność operacyjną cząsteczek, a także zapobiega się ewentualnej utracie niezbędnych właściwości podczas przechowywania. Immobilizacja ochrania również enzymy przed denaturacją cieplną, autolizą i niszczącym działaniem rozpuszczalników organicznych. Ponadto, możliwość ponownego użycia enzymów w kolejnych cyklach katalitycznych znacząco obniża koszty biokatalizatora. Przywracanie własności użytkowych enzymom w formie rozpuszczalnej zaś ekonomicznie jest nieopłacalne.
Postęp w skali nano
Ostatnie postępy nanotechnologii zapewniają dostęp do zróżnicowanych nanomateriałów, a immobilizacja enzymów do trwałych podłoży w ostatnich czasach zyskała na popularności. Największą uwagę zwrócono na magnetyczne nanocząsteczki (magnetic nanoparticles, MNP) zbudowane z tlenku żelaza i stanowiące nowoczesne nośniki immobilizujące enzymy. To wyróżnienie zawdzięczają swym unikatowym właściwościom – kontrolowalny rozmiar cząsteczki, jej duża i modyfikowalna powierzchnia oraz łatwy odzysk dzięki zastosowaniu pola magnetycznego.
Materiały magnetyczne w znaczny sposób ułatwiają separację, pozwalając na wykorzystanie magnesu w szybkim i efektywnym oddzieleniu unieruchomionego enzymu od produktu. Jednocześnie gwarantuje to możliwość ponownego użycia białka i przyczynia się do zachowania stabilności w przeciwieństwie do tradycyjnych matryc. W ich przypadku bowiem wirowanie i filtracja to jedyna opcja oddzielenia katalizatora od produktu. Takie operacje często prowadzą do spadku stabilności enzymu wskutek powstających zaburzeń w wyniku mechanicznego mieszania. Niskie koszty obróbki nanocząsteczek magnetycznych ukazują je jako ekonomiczna i interesująca alternatywa.
Według opisu procedury eksperymentu przeprowadzonego przez dr Carmen Lopez z Uniwersytetu Kraju Basków, nanocząsteczki z magnetytu (Fe3O4) uzyskuje się poprzez koprecypitację soli żelaza w środowisku zasadowym. Czarno zabarwiony precypitat oddziela się od fazy ciekłej za pomocą pola magnetycznego i przemywa buforem. Tak uzyskane MNP funkcjonalizuje się grupami aminowymi poprzez inkubację z 3 – aminotrietoksysilanem (APTS).
Proces immobilizacji przeprowadzono na dwa różne sposoby. Jednym z nich była immobilizacja kowalencyjna poprzez sieciowanie białka CALB (lipaza B z Candida antarctica) na powierzchni ufunkcjonalizowanych MNP (MNP – CALB). Drugi sposób to kowalencyjne unieruchomienie sieciowanych agregatów enzymatycznych (CLEA – cross – linked enzyme aggregates), czyli utworzenie mCLEA – CALB. W obydwu przypadkach zastosowano aldehyd glutarowy jako reagent sieciujący.
{page_break}
A podsuowując...
Wysokie nakłady finansowe na produkcję biopaliwa oraz związane z nią zagrożenia środowiskowe nakierowały uwagę badaczy na rozwiązania nanotechnologiczne. Wytwarzanie biodiesela za pośrednictwem lipazy przeważa nad metodami chemicznymi głównie z uwagi na korzystniejsze wymogi temperaturowe i bezpieczeństwo wobec środowiska. Głównie z uwagi na stabilizację białka, usieciowane agregaty lipazy CALB przeważają w tworzeniu estrów wolnych kwasów tłuszczowych w reakcji estryfikacji czy hydrolizy trójglicerydów.
Chemiczne metody syntezy estrów cukrowych kwasów tłuszczowych (sugar fatty acid esters, SFAE) wymagają wysokich temperatur, podłoża zasadowego i wykazują się słabą selektywnością oraz generują barwne produkty uboczne. Synteza enzymatyczna SFAE za pomocą immobilizowanych agregatów CALB okazała się i w tym przypadku bardziej wydajna niż z użyciem wolnej formy enzymu. Reakcja zachodząca pomiędzy sacharozą i palmitynianem winylu prowadzi do utworzenia monopalmitynianu 6’ – sacharozy (SMP), czyli estru cukrowego kwasu tłuszczowego oraz alkoholu winylowego. SFAE są biodegradowalnymi biosurfaktantami mającymi szerokie zastosowanie w przemyśle detergentów, żywnościowym i kosmetycznym. Ponadto wykazują właściwości antynowotworowe, przeciwmikrobowe i insektycydowe.
Okazało się, że aktywność specyficzna enzymów immobilizowanych w porównaniu do tych w wolnej formie była niższa. Spadek ten ma miejsce z powodu ograniczeń w dyfuzji wynikających z konfliktów sterycznych. Takie problemy pojawiały się częściej w przypadku agregatów enzymatycznych niż białek nieagregowanych, co sugeruje, że tworzenie kompleksów znacznie ogranicza swobodny dostęp do miejsca aktywnego.
Jednakże pod względem aktywności enzymatycznej, mCLEA – CALB okazały się skuteczniejsze niż nieagregowane formy. Tego rodzaju biokatalizatory najdłużej utrzymały swoją stabilność – po 10 cyklach reakcyjnych stopień konwersji pozostał bez zmian. W warunkach wysokiej temperatury zachowały aż 90 % początkowej aktywności. Z tych powodów mCLEA wydają się być najlepszą opcją w biokatalizie magnetycznej.
Podsumowując, z uwagi na stabilność, wysoką efektywność i łatwy odzysk, nanobiokatalizatory magnetyczne jawią się jako ekonomiczna alternatywa w otrzymywaniu bioproduktów na skalę przemysłową.
KOMENTARZE