RU2460790C2 - Method for immobilisation of l-phenylalanine-ammonium-lyase on magnetic nanoparticles - Google Patents

Method for immobilisation of l-phenylalanine-ammonium-lyase on magnetic nanoparticles Download PDF

Info

Publication number
RU2460790C2
RU2460790C2 RU2010127878/10A RU2010127878A RU2460790C2 RU 2460790 C2 RU2460790 C2 RU 2460790C2 RU 2010127878/10 A RU2010127878/10 A RU 2010127878/10A RU 2010127878 A RU2010127878 A RU 2010127878A RU 2460790 C2 RU2460790 C2 RU 2460790C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nanoparticles
phenylalanine
ammonium
immobilized
lyase
Prior art date
Application number
RU2010127878/10A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010127878A (en
Inventor
Ольга Олеговна Бабич (RU)
Ольга Олеговна Бабич
Любовь Сергеевна Солдатова (RU)
Любовь Сергеевна Солдатова
Александр Юрьевич Просеков (RU)
Александр Юрьевич Просеков
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский технологический институт пищевой промышленности"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский технологический институт пищевой промышленности" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский технологический институт пищевой промышленности"
Priority to RU2010127878/10A priority Critical patent/RU2460790C2/en
Publication of RU2010127878A publication Critical patent/RU2010127878A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2460790C2 publication Critical patent/RU2460790C2/en

Links

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: what is presented is a method for immobilisation of L-phenylalanine-ammonium-lyase on magnetic nanoparticles of metal oxides in the presence of the condensing agent 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide.
EFFECT: method enables higher specific activity of L-phenylalanine-ammonium-lyase with maintained activity.
6 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к способу иммобилизации на поверхностно-модифицированных магнитных наночастицах фермента L-фенилаланин-аммоний-лиазы, осуществляющего биотрансформацию L-фенилаланина до аммиака и транс-циннамовой кислоты. Изобретение может быть использовано в качестве терапевтических композиций, а также для создания специализированных продуктов питания для больных фенилкетонурией.The invention relates to biotechnology, and in particular to a method for immobilizing the enzyme L-phenylalanine-ammonium lyase, which biotransforms L-phenylalanine to ammonia and trans-cinnamic acid, on surface-modified magnetic nanoparticles. The invention can be used as therapeutic compositions, as well as to create specialized food products for patients with phenylketonuria.

Иммобилизованные ферменты обладают рядом очевидных преимуществ перед нативными: легкость отделения гетерогенного биокатализатора от реакционной среды; непрерывность проведения ферментативного процесса с возможностью регулирования скорости катализируемой реакции и выхода продукта; направленное изменение свойств фермента (специфичность, зависимость каталитической активности от рН и других параметров среды, стабильность к денатурирующим воздействиям); возможность регулирования каталитической активности иммобилизованных ферментов путем изменения свойств носителя.Immobilized enzymes have a number of obvious advantages over native ones: ease of separation of a heterogeneous biocatalyst from the reaction medium; the continuity of the enzymatic process with the ability to control the rate of the catalyzed reaction and product yield; directed change in the properties of the enzyme (specificity, dependence of catalytic activity on pH and other environmental parameters, stability to denaturing effects); the ability to regulate the catalytic activity of immobilized enzymes by changing the properties of the carrier.

В данной области предложено множество технических решений, среди которых наибольшее распространение получили химические способы иммобилизации ферментных препаратов, суть которых заключается в ковалентном связывании биомолекул с инертным носителем, модифицированным реакционно-способными функциональными группами (амино-, азидо-, карбоксильные, гидроксильные и др.). Однако в большинстве своем эти способы иммобилизации имеют ряд недостатков, а именно использование дорогостоящих материалов и реактивов для иммобилизации, трудоемкость и многостадийность методик.Many technical solutions have been proposed in this area, among which the most widely used are chemical methods for immobilizing enzyme preparations, the essence of which is the covalent binding of biomolecules with an inert carrier modified with reactive functional groups (amino, azido, carboxyl, hydroxyl, etc.) . However, for the most part, these methods of immobilization have several disadvantages, namely the use of expensive materials and reagents for immobilization, the complexity and multi-stage methods.

Известен способ иммобилизации (см. пат. US №WO 2009120916 (A1), МПК С08K 3/08, заявл. 28.03.2008, опубл. 10.01.2009) биообъектов на поликарбонатных нанокомпозитах, представляющих собой металлические наночастицы, покрытые слоем поликарбоната полимеризацией в реакционной смеси. В данном случае поликарбонатные нанокомпозиты получают из смеси дигидроксисоединений, активированного карбоната, металлического прекурсора и растворителя. Затем реакционная смесь подвергается полимеризации с образованием поликарбонатного нанокомпозита, представляющего собой поликарбонатную матрицу с распределенными частицами металла. В качестве прекурсоров при этом используют оксиды таких металлов, как золото, платина, палладий, кобальт, железо, никель, магний. Данный способ иммобилизации отличается такими недостатками, как использование дорогостоящих металлов и невысокая удельная активность полученных препаратов.A known method of immobilization (see US Pat. No. WO 2009120916 (A1), IPC C08K 3/08, claimed March 28, 2008, published January 10, 2009) of bioobjects on polycarbonate nanocomposites, which are metal nanoparticles coated with a polycarbonate layer by polymerization in a reaction mixtures. In this case, polycarbonate nanocomposites are prepared from a mixture of dihydroxy compounds, activated carbonate, a metal precursor and a solvent. Then the reaction mixture is polymerized to form a polycarbonate nanocomposite, which is a polycarbonate matrix with distributed metal particles. In this case, oxides of metals such as gold, platinum, palladium, cobalt, iron, nickel, and magnesium are used as precursors. This method of immobilization is characterized by such disadvantages as the use of expensive metals and the low specific activity of the preparations obtained.

Также известно изобретение (см. пат. IT №WО 2009040843 (А2), МПК А61K 47/48, заявл. 04.08.2008, опубл. 02.04.2009), описывающее способ получения неорганических микро- и наночастиц оксидов металлов с регулируемой пористостью, используемых в качестве носителей для биомолекул. Данное техническое решение описывает неорганические мицеллярные композиты, функционализированные с использованием различных реагентов с помощью процесса графт-сополимеризации. Данное техническое решение имеет следующие недостатки: многостадийность процесса и невысокая стабильность препаратов.The invention is also known (see Pat. IT No. WO 2009040843 (A2), IPC A61K 47/48, application 04.08.2008, published 02.04.2009), which describes a method for producing inorganic micro- and nanoparticles of metal oxides with controlled porosity used as carriers for biomolecules. This technical solution describes inorganic micellar composites functionalized using various reagents using the graft copolymerization process. This technical solution has the following disadvantages: multi-stage process and low stability of the drugs.

Известен также способ полимеризационной иммобилизации биологических макромолекул (см. пат. РФ №RU 2216547 (С2), заявл. 16.10.2001, опубл. 20.11.2003), описывающий композит для присоединения олигонуклеотидов, белков и нуклеиновых кислот, структура которых включает активные функциональные группы: - амино, сульфгидрильные и т.д. В качестве мономеров в данном техническом решении используются такие соединения, как акриламид, метакриламид, 2-гидроксиэтилэтилметакрилат или производные акриловой, метакриловой, коричной, кретоновой и других ненасыщенных кислот. Недостатки данного изобретения следующие: использование токсических соединений и узкий диапазон оптимальных условий функционирования: рН и температура.There is also known a method of polymerization immobilization of biological macromolecules (see US Pat. RF No. RU 2216547 (C2), application form 16.10.2001, publ. 20.11.2003), which describes a composite for the attachment of oligonucleotides, proteins and nucleic acids, the structure of which includes active functional groups : - amino, sulfhydryl, etc. As monomers in this technical solution, compounds such as acrylamide, methacrylamide, 2-hydroxyethyl ethyl methacrylate or derivatives of acrylic, methacrylic, cinnamon, cretonic and other unsaturated acids are used. The disadvantages of this invention are as follows: the use of toxic compounds and a narrow range of optimal operating conditions: pH and temperature.

Наиболее близким к заявляемому изобретению - прототипом - является техническое решение (см. пат.US №ЕР 0230649 (А1), МПК C12N 11/10, заявл. 23.12.1986, опубл. 05.08.1987), заключающееся в иммобилизации L-фенилаланин-аммоний-лиазы путем добавления полиамина, хитозана и многофункциональных соединений, содержащих аминогруппы, таких как глутаровый альдегид. Примеры полиаминов, используемых в данном изобретении, включают полиэтилендиамин, полиэтиленимин, полидиэтилентриамин, политриэтилентетрамин, полипентаэтиленгексамин или полигексаметилендиамин. В данном случае глутаровый альдегид выполняет функцию конденсирующего агента, посредством которого происходит образование ковалентной связи между функциональными группами фермента и носителя.Closest to the claimed invention - the prototype - is a technical solution (see US Pat. No. 0230649 (A1), IPC C12N 11/10, decl. 12.23.1986, publ. 05.08.1987), which consists in the immobilization of L-phenylalanine ammonium lyases by adding polyamine, chitosan and multifunctional compounds containing amino groups such as glutaraldehyde. Examples of the polyamines used in this invention include polyethylene diamine, polyethyleneimine, polydiethylenetriamine, polytriethylenetetramine, polypentaethylene hexamine or polyhexamethylene diamine. In this case, glutaraldehyde functions as a condensing agent, through which covalent bonds are formed between the functional groups of the enzyme and the carrier.

Основными недостатками данного технического решения следует считать относительно низкую удельную активность иммобилизованного препарата и узкий диапазон условий функционирования.The main disadvantages of this technical solution should be considered a relatively low specific activity of the immobilized drug and a narrow range of operating conditions.

Задачей технического решения является повышение удельной активности и стабильности иммобилизованного препарата L-фенилаланин-аммоний-лиазы за счет химического взаимодействия реакционно-способных функциональных групп молекулы фермента с поверхностью магнитных наночастиц, что открывает перспективы многократного использования биокатализатора в технологическом процессе и непрерывного проведения ферментативного процесса с возможностью регулирования скорости катализируемой реакции и выхода продукта. Данные характеристики иммобилизованных препаратов позволят снизить их себестоимость. Использование магнитных наночастиц в получении иммобилизованных ферментных препаратов является перспективным в связи с тем фактом, что они обладают развитой активной поверхностью и высокой сорбционной емкостью, а также способны приближаться к биообъекту и связываться с ним вследствие размеров, сопоставимых с размерами клеток, вирусов, белков, ДНК. Проведенный поиск показал, что в источниках информации отсутствуют технические решения, связанные со всей совокупностью отличительных признаков, изложенных в изобретении.The objective of the technical solution is to increase the specific activity and stability of the immobilized preparation of L-phenylalanine-ammonium lyase due to the chemical interaction of the reactive functional groups of the enzyme molecule with the surface of magnetic nanoparticles, which opens up prospects for the repeated use of the biocatalyst in the technological process and the continuous carrying out of the enzymatic process with the possibility controlling the rate of the catalyzed reaction and product yield. These characteristics of immobilized drugs will reduce their cost. The use of magnetic nanoparticles in the preparation of immobilized enzyme preparations is promising due to the fact that they have a developed active surface and high sorption capacity, as well as being able to approach and bind to a biological object due to sizes comparable to the sizes of cells, viruses, proteins, DNA . The search showed that in the information sources there are no technical solutions associated with the totality of the distinguishing features set forth in the invention.

Технический результат достигается за счет использования в качестве носителя для иммобилизации магнитных наночастиц, представляющих собой оксиды металлов. Выбор в качестве наночастиц оксидов металлов обусловлен их широким распространением и невысокой стоимостью. Данная техническая задача реализуется за счет модификации поверхности магнитных наночастиц функциональными группами с последующим ковалентным присоединением фермента L-фенилаланин-аммоний-лиазы в присутствии конденсирующего агента 1-этил-3-(3-диметиламинопропил) карбодиимида.The technical result is achieved through the use as a carrier for immobilization of magnetic nanoparticles, which are metal oxides. The choice of metal oxides as nanoparticles is due to their wide distribution and low cost. This technical problem is achieved by modifying the surface of magnetic nanoparticles with functional groups, followed by covalent addition of the enzyme L-phenylalanine-ammonium lyase in the presence of a condensing agent 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide.

Способ получения поверхностно-модифицированных магнитных наночастиц для иммобилизации биологических веществ включает выполнение следующих операций. На первом этапе осуществляется получение магнитных наночастиц, содержащих на поверхности электрофильные сложноэфирные группы, путем взаимодействия полиметилметакрилата, соответствующего хлорида металла и диэтиленгликоля. Вторая стадия заключается в формировании на поверхности наночастиц слоя аминопропилтриэтоксисисилана за счет протекания реакции аминолиза электрофильных фрагментов носителя. Полученные наночастицы служат для последующей иммобилизации ферментов с использованием 1-этил-3-(3-диметиламинопропил) карбодиимида.A method of obtaining surface-modified magnetic nanoparticles for immobilization of biological substances includes the following operations. At the first stage, magnetic nanoparticles containing electrophilic ester groups on the surface are obtained by reacting polymethyl methacrylate, the corresponding metal chloride, and diethylene glycol. The second stage consists in the formation of a layer of aminopropyltriethoxysysilane on the surface of nanoparticles due to the aminolysis of electrophilic fragments of the carrier. The obtained nanoparticles serve for subsequent immobilization of enzymes using 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения.The invention is illustrated by the following examples of specific performance.

Пример 1Example 1

Готовят смесь полиметилметакрилата, хлорида железа (III) и диэтиленгликоля, нагревают при перемешивании до 220°С. Затем к смеси добавляют раствор гидроксида натрия в диэтиленгликоле. Через несколько минут образуются наночастицы Fе3O4 с поверхностными сложноэфирными группами, которые отделяют центрифугированием. Образующиеся магнитные наночастицы пригодны для иммобилизации биологических веществ посредством конденсирующего агента.A mixture of polymethyl methacrylate, iron (III) chloride and diethylene glycol is prepared, heated to 220 ° C with stirring. Then, a solution of sodium hydroxide in diethylene glycol is added to the mixture. After a few minutes, Fe 3 O 4 nanoparticles with surface ester groups are formed, which are separated by centrifugation. The resulting magnetic nanoparticles are suitable for immobilizing biological substances through a condensing agent.

На второй стадии получения ферментного препарата на поверхности наночастиц Fе3O4 формируют слой аминопропилтриэтоксисилана за счет протекания реакции аминолиза электрофильных фрагментов носителя. Важно избегать присутствия воды в системе на этой стадии, поскольку ее наличие приводит к гидролизу аминопропилтриэтоксисилана и образованию олигомерных силанов. Поэтому в отдельной камере объемом 30 см3 наночастицы Fе3O4 (1,0 мг) покрывают газообразным 3-аминопропилтриэтоксисиланом (1 см3) при атмосферном давлении и температуре 70°С в течение 30 минут. После остывания образец обрабатывают этиловым спиртом три раза по 5 см3 и высушивают на воздухе. Далее наночастицы Fе3O4 (1,0 мг) обрабатывают 0,5%-ным раствором 3-аминопропилтриэтоксисилана (растворитель - смесь этанол: вода 1:1) в течение одного часа при температуре 50°С. На этом этапе происходит совместная поликонденсация силана с триалкоксисилановыми группами. По окончании процесса модификации наночастицы Fе3O4 несколько раз промывают растворителем вода - этиловый спирт (1:1) и готовят суспензию наночастиц Fе3O4 с концентрацией 5 мг/см3 в 0,1М фосфатном буфере (рН 7,8).In the second stage of obtaining the enzyme preparation, a layer of aminopropyltriethoxysilane is formed on the surface of Fe 3 O 4 nanoparticles due to the aminolysis of the electrophilic fragments of the carrier. It is important to avoid the presence of water in the system at this stage, since its presence leads to the hydrolysis of aminopropyltriethoxysilane and the formation of oligomeric silanes. Therefore, in a separate chamber with a volume of 30 cm 3, Fe 3 O 4 nanoparticles (1.0 mg) are coated with gaseous 3-aminopropyltriethoxysilane (1 cm 3 ) at atmospheric pressure and a temperature of 70 ° C for 30 minutes. After cooling, the sample is treated with ethyl alcohol three times 5 cm 3 and dried in air. Next, Fe 3 O 4 nanoparticles (1.0 mg) are treated with a 0.5% solution of 3-aminopropyltriethoxysilane (the solvent is a mixture of ethanol: water 1: 1) for one hour at a temperature of 50 ° C. At this stage, a joint polycondensation of silane with trialkoxysilane groups occurs. At the end of the modification process, Fe 3 O 4 nanoparticles are washed several times with a water - ethyl alcohol solvent (1: 1) and a suspension of Fe 3 O 4 nanoparticles with a concentration of 5 mg / cm 3 in 0.1 M phosphate buffer (pH 7.8) is prepared.

Далее 200 мкл полученной суспензии инкубируют с 200 мкл 100 мМ 1-этил-3-(3-диметиламинопропил) карбодиимида в 0,1М фосфатном буфере в течение трех часов при непрерывном перемешивании при комнатной температуре. По окончании инкубации суспензию промывают три раза 0,025М фосфатным буфером и готовят суспензию в 500 мкл 0,1М фосфатного буфера. На следующей стадии смешивают 20 мкл L-фенилаланин-аммоний-лиазы с 500 мкл 0,1М фосфатного буфера и инкубируют полученный раствор с 500 мкл суспензии наночастиц Fе3О4 в 0,1М фосфатном буфере при температуре 30°С в течение двух часов. По окончании иммобилизации наночастицы Fе3O4 промывают 0,025М фосфатным буферным раствором до исчезновения активности в промывных водах. Полученный иммобилизованный препарат хранится в виде суспензии наночастиц с ковалентно связанным ферментом в 1000 мкл 0,1М фосфатного буфера. Физико-химические характеристики L-фенилаланин-аммоний-лиазы, иммобилизованной на наночастицах Fе3O4, представлены в табл.1. В качестве контроля в данном случае используют L-фенилаланин-аммоний-лиазу, иммобилизованную на немодифицированных наночастицах Fе3O4 адсорбционным способом.Then, 200 μl of the resulting suspension are incubated with 200 μl of 100 mM 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide in 0.1 M phosphate buffer for three hours with continuous stirring at room temperature. At the end of the incubation, the suspension is washed three times with 0.025 M phosphate buffer and a suspension is prepared in 500 μl of 0.1 M phosphate buffer. In the next step, 20 μl of L-phenylalanine ammonium lyase are mixed with 500 μl of 0.1 M phosphate buffer and the resulting solution is incubated with 500 μl of a suspension of Fe 3 O 4 nanoparticles in 0.1 M phosphate buffer at 30 ° C for two hours. At the end of the immobilization, the Fe 3 O 4 nanoparticles are washed with 0.025 M phosphate buffer solution until the activity in the wash water disappears. The obtained immobilized preparation is stored in the form of a suspension of nanoparticles with a covalently bound enzyme in 1000 μl of 0.1 M phosphate buffer. The physicochemical characteristics of L-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on Fe 3 O 4 nanoparticles are presented in Table 1. In this case, L-phenylalanine-ammonium-lyase immobilized on unmodified Fe 3 O 4 nanoparticles by adsorption is used as a control.

В табл.2 представлены данные, полученные при исследовании стабильности иммобилизованной на наночастицах Fе3O4 L-фенилаланин-аммоний-лиазы, по сравнению с контролем при хранении. Из табл.2 следует, что иммобилизация L-фенилаланин-аммоний-лиазы на наночастицах Fе3O4 приводит к стабилизации фермента. Так, по истечении 30 суток хранения иммобилизованная на наночастицах Fе3O4 L-фенилаланин-аммоний-лиаза сохраняет 65,5% активности, в то время как в контрольном опыте сохраняется 32,9% активности.Table 2 presents the data obtained by studying the stability of Fe 3 O 4 L-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on nanoparticles, compared with the control during storage. From table 2 it follows that the immobilization of L-phenylalanine-ammonium lyase on Fe 3 O 4 nanoparticles leads to stabilization of the enzyme. So, after 30 days of storage, L-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on Fe 3 O 4 nanoparticles retains 65.5% of activity, while 32.9% of activity is retained in the control experiment.

Таблица 1Table 1 Физико-химические параметры иммобилизованной L-фенилаланин-аммоний-лиазыPhysicochemical parameters of immobilized L-phenylalanine-ammonium lyase Способ иммобилизацииImmobilization method Удельная активность фермента, ед./мг белкаThe specific activity of the enzyme, units / mg protein Удельная активность фермента, % от нативногоThe specific activity of the enzyme,% of native Оптимум рНOptimum pH Температурный оптимум, °СTemperature optimum, ° С Иммобилизация на модифицированных наночастицах Fе3O4 Immobilization on modified Fe 3 O 4 nanoparticles 0,530.53 60,960.9 7,5-9,07.5-9.0 30±330 ± 3 Контрольный опытControl experience 0,330.33 37,937.9 8,0-9,08.0-9.0 30±130 ± 1

Таблица 2table 2 Стабильность при хранении L-фенилаланин-аммоний-лиазы, иммобилизованной на наночастицах Fе3О4, по сравнению с контролемStorage stability of L-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on Fe 3 O 4 nanoparticles compared to the control Продолжительность хранения, суткиDuration of storage, day Остаточная активность фермента, %The residual activity of the enzyme,% L-фенилаланин-аммоний-лиаза, иммобилизованная на наночастицах Fе3O4 L-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on Fe 3 O 4 nanoparticles Контрольный опытControl experience 55 98,098.0 91,591.5 1010 95,695.6 85,085.0 15fifteen 82,482,4 69,869.8 20twenty 77,677.6 57,057.0 2525 72,072.0 40,540.5 30thirty 65,565.5 32,932.9

Пример 2Example 2

Смесь полиметилметакрилата, хлорида никеля и диэтиленгликоля тщательно перемешивают и нагревают до 180°С. К реакционной смеси добавляют раствор гидроксида натрия в диэтиленгликоле. Образующиеся через несколько минут наночастицы NiO с поверхностными сложноэфирными группами отделяют центрифугированием. Следующей стадией получения ферментного препарата является формирование слоя аминопропилтриэтоксисилана за счет протекания реакции аминолиза электрофильных фрагментов носителя. Для этого в отдельной камере объемом 50 см3 наночастицы NiO (5,0 мг) покрывают газообразным 3-аминопропилтриэтоксисиланом (2 см3) при атмосферном давлении и температуре 80°С в течение 20 минут. После остывания образец обрабатывают этиловым спиртом три раза по 5 см3 и высушивают на воздухе. Далее наночастицы NiO (1,0 мг) обрабатывают 0,5%-ным раствором 3-аминопропилтриэтоксисилана (растворитель - смесь этанол: вода 1:1) в течение одного часа при температуре 70°С. На этом этапе происходит совместная поликонденсация силана с триалкоксисилановыми группами. По окончании процесса модификации наночастицы NiO несколько раз промывают растворителем вода - этиловый спирт (1:1) и готовят суспензию наночастиц NiO с концентрацией 5 мг/см3 в 0,1М фосфатном буфере (рН 7,8).A mixture of polymethyl methacrylate, nickel chloride and diethylene glycol is thoroughly mixed and heated to 180 ° C. A solution of sodium hydroxide in diethylene glycol is added to the reaction mixture. NiO nanoparticles with surface ester groups formed after several minutes are separated by centrifugation. The next step in the preparation of the enzyme preparation is the formation of an aminopropyltriethoxysilane layer due to the aminolysis of the electrophilic fragments of the carrier. For this, in a separate chamber with a volume of 50 cm 3, NiO nanoparticles (5.0 mg) are covered with gaseous 3-aminopropyltriethoxysilane (2 cm 3 ) at atmospheric pressure and a temperature of 80 ° C for 20 minutes. After cooling, the sample is treated with ethyl alcohol three times 5 cm 3 and dried in air. Next, NiO nanoparticles (1.0 mg) are treated with a 0.5% solution of 3-aminopropyltriethoxysilane (the solvent is a mixture of ethanol: water 1: 1) for one hour at a temperature of 70 ° C. At this stage, a joint polycondensation of silane with trialkoxysilane groups occurs. At the end of the modification process, the NiO nanoparticles are washed several times with a solvent of water - ethyl alcohol (1: 1) and a suspension of NiO nanoparticles with a concentration of 5 mg / cm 3 in 0.1 M phosphate buffer (pH 7.8) is prepared.

Последующая иммобилизация L-фенилаланин-аммоний-лиазы на наночастицы NiO посредством конденсирующего агента 1-этил-3-(3-диметиламинопропил) карбодиимида осуществляется аналогично примеру 1. Физико-химические характеристики L-фенилаланин-аммоний-лиазы, иммобилизованной на наночастицах NiO, по сравнению с контролем представлены в табл.3.Subsequent immobilization of L-phenylalanine-ammonium lyase on NiO nanoparticles by the condensing agent 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide is carried out analogously to example 1. Physico-chemical characteristics of L-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on NiO nanoparticles, according to compared with the control are presented in table.3.

В табл.4 представлены данные, полученные при исследовании стабильности иммобилизованной на наночастицах NiO L-фенилаланин-аммоний-лиазы, по сравнению с контролем при хранении. Результаты, представленные в табл.4, свидетельствуют о том, что иммобилизация L-фенилаланин-аммоний-лиазы на наночастицах NiO приводит к стабилизации фермента. Так, по истечении 30 суток хранения иммобилизованная на наночастицах NiO L-фенилаланин-аммоний-лиаза сохраняет 64,4% активности, в то время как в контрольном опыте сохраняется 32,9% активности.Table 4 presents the data obtained by studying the stability of NiO L-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on nanoparticles in comparison with the control during storage. The results presented in Table 4 indicate that the immobilization of L-phenylalanine-ammonium lyase on NiO nanoparticles leads to stabilization of the enzyme. So, after 30 days of storage, Ni-L-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on nanoparticles retains 64.4% of activity, while 32.9% of activity is retained in the control experiment.

Таблица 3Table 3 Физико-химические параметры иммобилизованной L-фенилаланин-аммоний-лиазыPhysicochemical parameters of immobilized L-phenylalanine-ammonium lyase Способ иммобилизацииImmobilization method Удельная активность фермента, ед./мг белкаThe specific activity of the enzyme, units / mg protein Удельная активность фермента, % от нативногоThe specific activity of the enzyme,% of native Оптимум рНOptimum pH Температурный оптимум, °СTemperature optimum, ° С Иммобилизация на модифицированных наночастицах NiOImmobilization on modified NiO nanoparticles 0,650.65 74,774.7 7,3-9,27.3-9.2 30±430 ± 4 Контрольный опытControl experience 0,330.33 37,937.9 8,0-9,08.0-9.0 30±130 ± 1

Таблица 4Table 4 Стабильность при хранении L-фенилаланин-аммоний-лиазы, иммобилизованной на наночастицах NiO, по сравнению с контролемStorage stability of L-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on NiO nanoparticles compared to the control Продолжительность хранения, суткиDuration of storage, day Остаточная активность фермента, %The residual activity of the enzyme,% L-фенилаланин-аммоний-лиаза, иммобилизованная на наночастицах NiOL-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on NiO nanoparticles Контрольный опытControl experience 55 95,095.0 91,591.5 1010 93,293.2 85,085.0 15fifteen 80,180.1 69,869.8 20twenty 74,074.0 57,057.0 2525 69,569.5 40,540.5 30thirty 64,464,4 32,932.9

Пример 3Example 3

Для получения поверхностно-модифицированных наночастиц ТiO2 готовят смесь хлорида титана (IV), полиметилметакрилата и диэтиленгликоля, после чего нагревают ее при перемешевании до 220°С. Затем к реакционной смеси добавляют гидроксид натрия в диэтиленгликоле. Через несколько минут образуются наночастицы ТiO2, которые отделяют центрифугированием. Следующий этап - образование слоя аминопропилтриэтоксисилана за счет протекания реакции аминолиза электрофильных фрагментов носителя. Для этого в отдельной камере объемом 10 см3 наночастицы TiO2 (1,0 мг) покрывают газообразным 3-аминопропилтриэтоксисиланом (1 см3) при атмосферном давлении и температуре 100°С в течение 60 минут. После остывания образец обрабатывают этиловым спиртом три раза по 5 см3 и высушивают на воздухе. Далее частицы ТiO2 (1,0 мг) обрабатывают 0,5%-ным раствором 3-аминопропилтриэтоксисилана (растворитель - смесь этанол: вода 1:1) в течение двух часов при температуре 90°С. На этом этапе происходит совместная поликонденсация силана с триалкоксисилановыми группами. По окончании процесса модификации наночастицы ТiO2 несколько раз промывают растворителем вода - этиловый спирт (1:1) и готовят суспензию наночастиц с концентрацией 5 мг/см3 в 0,1М фосфатном буфере (рН 7,8).To obtain surface-modified TiO 2 nanoparticles, a mixture of titanium (IV) chloride, polymethyl methacrylate and diethylene glycol is prepared, and then it is heated with stirring to 220 ° C. Then, sodium hydroxide in diethylene glycol is added to the reaction mixture. After a few minutes, TiO 2 nanoparticles are formed, which are separated by centrifugation. The next step is the formation of a layer of aminopropyltriethoxysilane due to the aminolysis of electrophilic fragments of the carrier. For this, in a separate chamber with a volume of 10 cm 3, TiO 2 nanoparticles (1.0 mg) are coated with gaseous 3-aminopropyltriethoxysilane (1 cm 3 ) at atmospheric pressure and a temperature of 100 ° C for 60 minutes. After cooling, the sample is treated with ethyl alcohol three times 5 cm 3 and dried in air. Next, TiO 2 particles (1.0 mg) are treated with a 0.5% solution of 3-aminopropyltriethoxysilane (solvent - ethanol: water 1: 1 mixture) for two hours at a temperature of 90 ° C. At this stage, a joint polycondensation of silane with trialkoxysilane groups occurs. At the end of the modification process, TiO 2 nanoparticles are washed several times with a water - ethyl alcohol solvent (1: 1) and a suspension of nanoparticles with a concentration of 5 mg / cm 3 in 0.1 M phosphate buffer (pH 7.8) is prepared.

Иммобилизацию L-фенилаланин-аммоний-лиазы на наночастицы ТiO2 посредством конденсирующего агента 1-этил-3-(3-диметиламинопропил) карбодиимида осуществляют аналогично примеру 1. Физико-химические характеристики L-фенилаланин-аммоний-лиазы, иммобилизованной на наночастицах ТiO2, по сравнению с контролем представлены в табл.5.The immobilization of L-phenylalanine-ammonium lyase on TiO 2 nanoparticles by means of the condensing agent 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide is carried out analogously to example 1. Physicochemical characteristics of L-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on TiO 2 nanoparticles, compared with the control are presented in table.5.

В табл.6 представлены данные, полученные при исследовании стабильности иммобилизованной на наночастицах TiO2 L-фенилаланин-аммоний-лиазы, по сравнению с контролем при хранении. Результаты, представленные в табл.6, свидетельствуют о том, что иммобилизация L-фенилаланин-аммоний-лиазы на наночастицах ТiO2 приводит к стабилизации фермента. Так, по истечении 30 суток хранения иммобилизованная на наночастицах ТiO2 L-фенилаланин-аммоний-лиаза сохраняет 75,0% активности, в то время как в контрольном опыте сохраняется 32,9% активности.Table 6 presents the data obtained by studying the stability of TiO 2 L-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on nanoparticles, compared with the control during storage. The results presented in table 6 indicate that the immobilization of L-phenylalanine-ammonium lyase on TiO 2 nanoparticles leads to stabilization of the enzyme. Thus, after 30 days of storage, L-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on TiO 2 nanoparticles retains 75.0% of activity, while 32.9% of activity is retained in the control experiment.

Таблица 5Table 5 Физико-химические параметры иммобилизованной L-фенилаланин-аммоний-лиазыPhysicochemical parameters of immobilized L-phenylalanine-ammonium lyase Способ иммобилизацииImmobilization method Удельная активность фермента, ед./мг белкаThe specific activity of the enzyme, units / mg protein Удельная активность фермента, % от нативногоThe specific activity of the enzyme,% of native Оптимум рНOptimum pH Температурный оптимум, °СTemperature optimum, ° С Иммобилизация на модифицированных наночастицах ТiO2 Immobilization on modified TiO 2 nanoparticles 0,710.71 81,681.6 7,4-9,17.4-9.1 30±430 ± 4 Контрольный опытControl experience 0,330.33 37,937.9 8,0-9,08.0-9.0 30±130 ± 1

Таблица 6Table 6 Стабильность при хранении L-фенилаланин-аммоний-лиазы, иммобилизованной на наночастицах TiO2, по сравнению с контролемStorage stability of L-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on TiO 2 nanoparticles compared to the control Продолжительность хранения, суткиDuration of storage, day Остаточная активность, %Residual activity,% L-фенилаланин-аммоний-лиаза, иммобилизованная на наночастицах ТiO2 L-phenylalanine-ammonium lyase immobilized on TiO 2 nanoparticles Контрольный опытControl experience 55 98,798.7 91,591.5 1010 97,297.2 85,085.0 15fifteen 90,390.3 69,869.8 20twenty 85,485,4 57,057.0 2525 81,581.5 40,540.5 30thirty 75,075.0 32,932.9

Таким образом, иммобилизация L-фенилаланин-аммоний-лиазы на поверхностно-модифицированных наночастицах оксидов металлов открывает перспективу модуляции каталитических свойств фермента. Данное изобретение обладает рядом преимуществ перед прототипом:Thus, the immobilization of L-phenylalanine-ammonium lyase on surface-modified nanoparticles of metal oxides opens up the prospect of modulating the catalytic properties of the enzyme. This invention has several advantages over the prototype:

- возможность использования в качестве инертного носителя магнитных наночастиц, имеющих ряд преимуществ перед макрообъектами;- the possibility of using magnetic nanoparticles as an inert carrier, which have a number of advantages over macro objects;

- повышение удельной активности и стабильности иммобилизованных препаратов;- increase the specific activity and stability of immobilized drugs;

- оптимизация условий функционирования иммобилизованных препаратов;- optimization of the functioning conditions of immobilized drugs;

- упрощение и удешевление технологии получения иммобилизованных препаратов.- simplification and cheaper technology for obtaining immobilized drugs.

Стабилизирующее действие наночастиц оксидов металлов на L-фенилаланин-аммоний-лиазу, очевидно, обусловлено конформационными изменениями в молекуле белка в результате его взаимодействия с наноразмерными объектами. Каталитические свойства полученного иммобилизованного препарата L-фенилаланин-аммоний-лиазы позволяют широко использовать его в биотехнологии.The stabilizing effect of metal oxide nanoparticles on L-phenylalanine-ammonium lyase is obviously due to conformational changes in the protein molecule as a result of its interaction with nanoscale objects. The catalytic properties of the obtained immobilized preparation of L-phenylalanine-ammonium lyase allow its wide use in biotechnology.

Claims (1)

Способ иммобилизации L-фенилаланин-аммоний-лиазы на магнитных наночастицах, заключающийся в ковалентном связывании молекул фермента с поверхностью носителя посредством конденсирующего агента, отличающийся тем, что в качестве носителя для иммобилизации выступают наночастицы оксидов металлов, а в качестве конденсирующего агента используют 1-этил-3-(3-диметиламинопропил)карбодиимид. A method of immobilizing L-phenylalanine-ammonium lyase on magnetic nanoparticles, which involves covalently bonding enzyme molecules to the surface of a carrier by means of a condensing agent, characterized in that metal oxide nanoparticles act as a carrier for immobilization, and 1-ethyl 3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide.
RU2010127878/10A 2010-07-06 2010-07-06 Method for immobilisation of l-phenylalanine-ammonium-lyase on magnetic nanoparticles RU2460790C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010127878/10A RU2460790C2 (en) 2010-07-06 2010-07-06 Method for immobilisation of l-phenylalanine-ammonium-lyase on magnetic nanoparticles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010127878/10A RU2460790C2 (en) 2010-07-06 2010-07-06 Method for immobilisation of l-phenylalanine-ammonium-lyase on magnetic nanoparticles

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010127878A RU2010127878A (en) 2012-01-20
RU2460790C2 true RU2460790C2 (en) 2012-09-10

Family

ID=45785054

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010127878/10A RU2460790C2 (en) 2010-07-06 2010-07-06 Method for immobilisation of l-phenylalanine-ammonium-lyase on magnetic nanoparticles

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2460790C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2551317C2 (en) * 2013-04-10 2015-05-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук Method of immobilisation of chymotrypsin on nanoparticles of selenium or silver
RU2812044C1 (en) * 2023-02-16 2024-01-22 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Method for immobilizing enzyme on porous ceramic support based on silicon dioxide

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0230649A1 (en) * 1986-01-02 1987-08-05 Miles Inc. Immobilization of phenylaline ammonia-lyase

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0230649A1 (en) * 1986-01-02 1987-08-05 Miles Inc. Immobilization of phenylaline ammonia-lyase

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KOUASSI G.K. et all. Activity of glucose oxidase functionalized onto magnetic nanoparticles // BioMagnetic Research and Technology 2005, 3:1. Найдено в Интернет <URL:http://www.biomagres.com/content/3/1/1. SHIH-HUNG HUANG et all. Direct Binding and Characterization of lipase onto Magnetic Nanoparticles // Biotechnol. Prog. 2003, v.19, №3, pp.1096-1100. KOUASSI G. K. et all. Examination of Cholesterol oxidase attachment to magnetic nanoparticles// BioMagnetic Research and Technology 2005, 3:1. Найдено в Интернет <URL:http://www.biomagres.com/content/3/1/1. LIAO М-Н; CHEN D-H. Immobilization of yeast alcohol dehydrogenase on magnetic nanoparticles for improving its stability // Biotechnology Letters, v.23, №20, October 2001, pp.1723-1727(5). *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2551317C2 (en) * 2013-04-10 2015-05-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук Method of immobilisation of chymotrypsin on nanoparticles of selenium or silver
RU2812044C1 (en) * 2023-02-16 2024-01-22 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Method for immobilizing enzyme on porous ceramic support based on silicon dioxide

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010127878A (en) 2012-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Smith et al. A comprehensive review of the covalent immobilization of biomolecules onto electrospun nanofibers
Abdelhamid Biointerface between ZIF-8 and biomolecules and their applications
Gačanin et al. Biomedical applications of DNA‐based hydrogels
Du et al. Metal-organic frameworks with different dimensionalities: An ideal host platform for enzyme@ MOF composites
Uchida et al. Modular self-assembly of protein cage lattices for multistep catalysis
Jesionowski et al. Enzyme immobilization by adsorption: a review
Homaei et al. Enzyme immobilization: an update
Thangaraj et al. Immobilization of lipases–a review. Part II: carrier materials
Tan et al. Electrostatic interaction-induced formation of enzyme-on-MOF as chemo-biocatalyst for cascade reaction with unexpectedly acid-stable catalytic performance
Kameta et al. Soft nanotube hydrogels functioning as artificial chaperones
Esmaeilnejad-Ahranjani et al. Study of molecular conformation and activity-related properties of lipase immobilized onto core–shell structured polyacrylic acid-coated magnetic silica nanocomposite particles
Wang et al. Immobilization of cellulase on polyamidoamine dendrimer-grafted silica
Kröger et al. Complex‐shaped microbial biominerals for nanotechnology
Seenuvasan et al. Magnetic nanoparticles: a versatile carrier for enzymes in bio‐processing sectors
Faridi et al. Utility of immobilized recombinant carbonic anhydrase of Bacillus halodurans TSLV1 on the surface of modified iron magnetic nanoparticles in carbon sequestration
Tian et al. Recent development in the design of artificial enzymes through molecular imprinting technology
P Chiriac et al. Sol gel method performed for biomedical products implementation
Wang et al. Lipase immobilized on a novel rigid–flexible dendrimer-grafted hierarchically porous magnetic microspheres for effective resolution of (R, S)-1-phenylethanol
Song et al. Based on DNA Strand displacement and functionalized magnetic nanoparticles: a promising strategy for enzyme immobilization
Liya et al. Immobilization of papain in biosilica matrix and its catalytic property
Xiao et al. Self-assembled regenerated silk fibroin microsphere-embedded Fe3O4 magnetic nanoparticles for immobilization of zymolyase
Anwar et al. Smart chemistry and applied perceptions of enzyme-coupled nano-engineered assemblies to meet future biocatalytic challenges
Nam et al. A novel route for immobilization of proteins to silica particles incorporating silaffin domains
Bayramoglu et al. Immobilisation of β-galactosidase onto double layered hydrophilic polymer coated magnetic nanoparticles: Preparation, characterisation and lactose hydrolysis
Rodriguez-Abetxuko et al. Carrierless immobilization route for highly robust metal–organic hybrid enzymes

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20140522

QC41 Official registration of the termination of the licence agreement or other agreements on the disposal of an exclusive right

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20140522

Effective date: 20141111

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160707

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20190320