Enzima inmovilizada

Una enzima inmovilizada es una enzima con movilidad restringida, unida a un material inerte e insoluble, como el alginato de calcio (producido al hacer reaccionar una mezcla de solución de alginato de sodio y solución de enzima con cloruro de calcio ). Esto puede proporcionar una mayor resistencia a los cambios en las condiciones, como el pH o la temperatura . También permite que las enzimas se mantengan en su lugar durante toda la reacción, después de lo cual se separan fácilmente de los productos y se pueden volver a utilizar, un proceso mucho más eficiente y, por lo tanto, se usa ampliamente en la industria para reacciones catalizadas por enzimas . Una alternativa a la inmovilización de enzimas es la inmovilización de células completas . ^{[1] [2]} Las enzimas inmovilizadas son fáciles de manipular, simplemente se separan de sus productos y se pueden reutilizar. ^[3]

Las enzimas son biocatalizadores que desempeñan un papel esencial en la mejora de las reacciones químicas en las células sin sufrir modificaciones persistentes, desperdiciarse ni provocar la pérdida del equilibrio de las reacciones químicas. Aunque las características de las enzimas son extremadamente únicas, su utilidad en la industria es limitada debido a la falta de reutilización, estabilidad y alto costo de producción. ^[4]

La primera enzima inmovilizada sintética se fabricó en la década de 1950, mediante la inclusión de la enzima en matrices poliméricas o la unión a sustancias portadoras. También se aplicó el procedimiento de reticulación mediante la reticulación de la proteína sola o junto con la adición de materiales inertes. ^[3] Durante la última década se han desarrollado varios métodos de inmovilización. La unión de la enzima a materiales portadores previamente sintetizados, por ejemplo, es el método más preferido hasta ahora. Recientemente, el procedimiento de reticulación de cristales de enzima también se considera un sustituto interesante. La tasa de utilización de enzimas inmovilizadas está creciendo constantemente. ^[5]

Antes de realizar cualquier tipo de técnica de inmovilización, se deben tener en cuenta algunos factores. Es necesario comprender los efectos químicos y físicos sobre una enzima después de la inmovilización. La estabilidad de la enzima y las características cinéticas pueden alterarse debido a cambios en las condiciones del microambiente de la enzima después del atrapamiento, la unión del material de soporte o los productos de las acciones enzimáticas, por ejemplo. Además, es importante considerar el mantenimiento de la estructura terciaria de una enzima antes de la inmovilización para tener una enzima funcional. De manera similar, otro sitio crucial para la funcionalidad de una enzima es el sitio activo , que también debe mantenerse mientras la enzima se une a una superficie para la inmovilización, es imprescindible tener un método selectivo para la unión de la superficie/material para no terminar con una enzima inmovilizada, pero disfuncional. ^[3] En consecuencia, hay tres factores fundamentales que se deben tener en cuenta para la producción de enzimas inmovilizadas funcionales: la selección de los soportes de inmovilización, las condiciones y los métodos de inmovilización. ^[6]

Para que un material de soporte sea ideal, debe ser hidrófilo , inerte a las enzimas, biocompatible , resistente al ataque microbiano y a la compresión, y debe ser asequible. ^{[7] [8]} Los materiales de soporte pueden ser orgánicos o inorgánicos, sintéticos o naturales (dependiendo de la composición), ya que son tipos de biomateriales al final. No existe un tipo universal de material de soporte que se utilice para la inmovilización de todas las enzimas. Sin embargo, existen algunos soportes de uso común como portadores a base de sílice, resinas acrílicas , polímeros sintéticos , membranas activas y resinas de intercambio. ^[6] Uno de los procesos más difíciles antes del proceso de inmovilización en sí, es la selección del material de soporte, ya que depende del tipo de enzima, la reacción de los medios, la política de seguridad de la hidrodinámica y las condiciones de reacción. ^{[3] [8]} Como los diferentes tipos de soporte dan diferentes características y propiedades físicas y químicas, que afectarían la función enzimática, tales como: Hidrofilicidad / hidrofobicidad , química de la superficie y tamaño de poro.

Las enzimas se pueden inmovilizar mediante métodos físicos o químicos, entre ellos:

• Un método sencillo para la inmovilización reversible, que implica la adsorción o unión física de las enzimas a una sustancia de soporte. La adsorción puede tener lugar a través de fuerzas débiles no específicas, como las de van der Waals , los enlaces de hidrógeno y las interacciones hidrofóbicas, mientras que en la unión iónica las enzimas se unen a través de enlaces salinos. ^[6]
• Adsorción sobre vidrio, perlas de alginato o matriz: la enzima se adhiere al exterior de un material inerte. En general, este método es el más lento de los que se enumeran aquí. Como la adsorción no es una reacción química , el sitio activo de la enzima inmovilizada puede quedar bloqueado por la matriz o las perlas, lo que reduce en gran medida la actividad de la enzima. ^[9]

• Se trata de una técnica de inmovilización física irreversible que puede considerarse como una restricción física de la enzima en un área o espacio específico. Puede utilizarse para aumentar la estabilidad mecánica y también para reducir los eventos de lixiviación de las enzimas. Dado que la enzima en este proceso no interactúa químicamente con el polímero o material de las fibras o la red de soporte, permanece protegida de la desnaturalización con el tiempo. ^[6]
• Básicamente, la enzima queda atrapada en microesferas o perlas insolubles , como las perlas de alginato de calcio . Sin embargo, estas sustancias insolubles dificultan la llegada del sustrato y la salida de los productos.

• Reticulación : otro método irreversible que no requiere un material de soporte para la unión de las moléculas de enzimas. En esta técnica, las moléculas de enzimas se unen covalentemente entre sí para crear una matriz que consiste casi únicamente en enzima. La reacción asegura que el sitio de unión no cubra el sitio activo de la enzima , la actividad de la enzima solo se ve afectada por la inmovilidad. Sin embargo, la inflexibilidad de los enlaces covalentes impide las propiedades de autocuración exhibidas por las monocapas autoensambladas quimioadsorbidas. El uso de una molécula espaciadora como el poli( etilenglicol ) ayuda a reducir el impedimento estérico por parte del sustrato en este caso. ^[6]

• La enzima se une covalentemente a un soporte insoluble (como gel de sílice o perlas de polímero macroporosas con grupos epóxido). Este enfoque proporciona la interacción enzima/soporte más fuerte y, por lo tanto, la menor pérdida de proteínas durante la catálisis. ^[10]
• La actividad de la enzima unida covalentemente depende de varios factores, entre ellos: la forma y el tamaño del material portador, el tipo de método de acoplamiento, la composición y las condiciones especiales de acoplamiento del material portador. ^[11]

Unión por etiquetas de afinidad: es un método de inmovilización que combina métodos físicos y químicos en el que las enzimas pueden inmovilizarse a una superficie, por ejemplo, en un material poroso, utilizando etiquetas de proteína covalentes o no covalentes . Esta tecnología se ha establecido para fines de purificación de proteínas. Esta técnica es de aplicación general y se puede realizar sin purificación enzimática previa con una preparación pura como resultado. Se utilizan vidrios porosos y derivados de los mismos, donde la superficie porosa se puede adaptar en términos de hidrofobicidad para adecuarse a la enzima en cuestión. ^[9]

Numerosas enzimas de importancia biotecnológica se han inmovilizado en diversos soportes (inorgánicos, orgánicos, compuestos y nanomateriales) mediante la unión aleatoria de múltiples puntos. Sin embargo, la inmovilización mediante modificación química aleatoria da como resultado una población de proteínas heterogénea en la que más de una cadena lateral (amino, carboxilo, tiol, etc.) presente en las proteínas se une al soporte con una posible reducción de la actividad debido a la restricción del acceso del sustrato al sitio activo. ^[12]

Por el contrario, en la inmovilización enzimática dirigida al sitio, el soporte puede estar unido a un único aminoácido específico (generalmente el extremo N o C) en una molécula de proteína alejada del sitio activo. De esta manera, se conserva la máxima actividad enzimática debido al libre acceso del sustrato al sitio activo. Estas estrategias son principalmente químicas, pero también pueden requerir métodos genéticos y enzimáticos para generar grupos funcionales (que están ausentes en la proteína) en el soporte y la enzima. ^[12]

La elección del método SDCM depende de muchos factores, como el tipo de enzima (psicrofílica menos estable u homóloga termófila más estable), la estabilidad del pH de la enzima, la disponibilidad de los extremos N o C del reactivo, la no interferencia del extremo enzimático con la actividad enzimática, el tipo de residuo de aminoácido catalítico, la disponibilidad, el precio y la facilidad de preparación de los reactivos. Por ejemplo, la generación de funcionalidades complementarias seleccionables (alquino y azida) en el soporte y la enzima es una de las formas más convenientes de inmovilizar enzimas mediante modificación química dirigida al sitio. ^[13]

Otra aplicación ampliamente utilizada del método de inmovilización junto con enzimas han sido las reacciones enzimáticas sobre sustratos inmovilizados. Este método facilita el análisis de las actividades enzimáticas e imita el desempeño de las enzimas en, por ejemplo, las paredes celulares. ^[14]

Las enzimas inmovilizadas tienen importantes aplicaciones, ya que reducen los costos y mejoran el resultado de la reacción que catalizan. Entre sus ventajas se incluyen:

Conveniencia

En la reacción se disuelven cantidades minúsculas de proteína , por lo que el procesamiento puede ser mucho más fácil. Una vez finalizada, las mezclas de reacción normalmente contienen solo disolvente y productos de reacción. ^[15]

Economía

La enzima inmovilizada se elimina fácilmente de la reacción, lo que facilita el reciclado del biocatalizador . Esto es particularmente útil en procesos como la producción de leche sin lactosa, ya que la leche se puede drenar de un recipiente dejando la enzima ( lactasa ) en el interior lista para el siguiente lote. ^[15]

Estabilidad

Las enzimas inmovilizadas suelen tener mayor estabilidad térmica y operativa que la forma soluble de la enzima. ^[15]

En el pasado, los detergentes y polvos de limpieza biológicos contenían muchas proteasas y lipasas que descomponían la suciedad. Sin embargo, cuando los productos de limpieza entraban en contacto con la piel humana, provocaban reacciones alérgicas. Por eso, la inmovilización de enzimas es importante para muchos campos de aplicación.

Las enzimas inmovilizadas se utilizan en diversas aplicaciones, entre ellas: la industria alimentaria, química, farmacéutica y médica. En la industria alimentaria, por ejemplo, las enzimas inmovilizadas se utilizan para la fabricación de varios tipos de edulcorantes sin calorías. La alulosa , por ejemplo, es un epímero de la fructosa , que es diferente estructuralmente, lo que hace que no sea absorbible por el cuerpo humano cuando se ingiere. Otro ejemplo de edulcorantes basados ​​en enzimas inmovilizadas incluye: Tagatosa ( β-galactosidasa inmovilizada ). ^[16]

En la industria química (cosmética) también se utilizan enzimas inmovilizadas para la producción de ésteres emolientes mediante el uso de la enzima CalB inmovilizada. La primera empresa que utilizó este método fue la empresa Evonik en 2000. La enzima Lipasa-CalB en su estado inmovilizado se utiliza actualmente en otras aplicaciones farmacéuticas para la producción de Odanacatib y Sofosbuvir . ^[16]