Damir Baranašić 5404/BT

Modul: Odabrana poglavlja zelene kemijeAk. god. 2008./2009.Koordinator modula: dr. sc. M. Jukić, doc.

1.1. Definicija

nanotehnologija� 1974. prvi put korištena riječ nanotehnologija (Norio

Taniguchi, Sveučilište u Tokiu)

� Sposobnost precizne izrade materijala u nanometarskojskali

� Današnja definicija: “Dizajniranje i proizvodnja

materijala, uređaja te kontroliranih sistema u

nanometarskim dimenzijama”

1.2. Podjela nanotehnologije

2.1. Karakteristike enzima kao biokatalizatora�Djelotvorni su katalizatori

�Razgradivi su

�Djeluju u blagim reakcijskim uvjetima

�Trebaju odgovarajuće reakcijske parametre

�Najveća aktivnost u vodi

�Podložni inhibiciji

2.2. Selektivnost enzima

�Kemoselektivnost

�Regioselektivnost i dijastereoselektivnost

�Enantioselektivnost

2.3. Prednosti i nedostaci izoliranih

enzima i čitavih stanica kao

biokatalizatoraIZOLIRANI ENZIMI ČITAVE STANICE

Prednosti Nedostaci Prednosti Nedostaci

Visoka koncentracija katalizatora

Ograničena stabilnost

Neograničena stabilnost

Nusreakcije

Nema energije održavanja

Ograničena reciklacijakofaktora (samo NADPH i ATP)

Reciklacijakofaktora uglavnom nepotrebna

Složeni radni postupak

Nema otpadne biomase

Potrebna obrada otpadaka

Nema nusreakcijaVišestupanjskiprocesi

Niska produktivnostJednostavan radni postupak

Enzimi iz različitih izvora

2.4. Usporedba mikrobne, enzimske

i organo-kemijske tehnologije

PROCESNI

PARAMETRI

TEHNOLOGIJA

MIKROBNA ENZIMSKAORGANSKO-KEMIJSKA

Katalizator Žive stanice Enzim Metal

Specifičinostreakcije

Ponekad Često Često

Uvjeti procesa Umjereni UmjereniUmjereni do

ekstremni

Sterilnost Obavezna Obavezna Nepotrebna

Prinos (%) 10 - 95 70 - 99 70 – 99

Važna stavkaCijena vode za

hlađenjeCijena enzima Cijena katalizatora

Glavni problemRegulacija

aktivnosti stanicaStabilnost enzima Toksičnost okoline

3.1. Prednosti i mane imobiliziranih biokatalizatoraPrednosti:

� višestruka primjena�mogućnost kontinuiranog vođenja procesa�mogućnost zaustavljanja reakcije i jednostavnog

uklanjanja biokatalizatora iz reakcijske smjese� reakcijska smjesa se ne kontaminira

biokatalizatorom�mogućnost stabilizacije enzima imobilizacijom

Mane:

� gubitak aktivnosti postupkom imobilizacije (pH, temperatura, kemijski postupak)

�mogućnost regeneracije koenzima ili izvora energije (ATP)

� u industriji se provode samo jednostavne reakcije kao što su hidroliza ili izomerizacija

� stupnjevite reakcije se provode samo s imobiliziranim stanicama

3.2. MaterijaliPolupropusna silika (MPS)� SiO2

� dolazi u različitim oblicima i veličinama pora

� veličine pora mogu biti izrađene po mjeri, a površina može biti funkcionalizirana

FUNKCIONALIZACIJA POVRŠINE:

Uloga grupa prisutnih na površini MPS-a:

1.mjenja se naboj površine zbog interacije sa enzimom tako da enzim ostane adsorbiran na površini MPS-a

2.kemijski se vežu sa amino grupom na enzimu

3.smanjuju veličinu pora tako da enzim ne može izaći iz nanoprostora

3.3. Metode imobilizacije enzima na MPS

1. Fizička adsorpcija

2. Ionsko (elektrostatsko) privlačenje

3. Kovalentnim vezanjem

4. Metalnim afinitetom (His6 – tag enzimi)

5. Umrežavanjem

6. Single enzyme nanoparticles (SENs)

Primjer kovalentnog vezanja enzima cikloadicijom na azidnu skupinu

Primjer metalno afinitetnog vezivanja

3.4. Stabilizacija enzima imobilizacijomRAZLIČITE “RAZINE” STABILIZACIJE ENZIMA

IMOBILIZACIJOM:

1. Radna stabilizacija enzima imobilizacijom na porozni nosač

2. Ukrućivanje enzima višestrukom kovalentnomimobilizacijom

3. Stabilizacija oligomernih enzima imobilizacijom više podjedinica

3.5. Smanjenje inhibicije imobilizacijskim postupcima1. Isključivanje inhibitora iz enzimskog

okruženja

2. Smanjenje afeniteta inhibitora za mjesto prepoznavanja na enzimu

Imobilizacija enzima u nanomaterijalima je tehnika koja se drži načela zelene kemije.

U našem je cilju i interesu da organsko-kemijsku sintezuupotpunosti zamjenimo biokataliktičkim procesima, iako to nikada nećemo moći učiniti.

Ukoliko to uspijemo živjeti ćemo u sigurnijem i zdravijem okolišu te ćemo također uštedjeti mnogo energije.

Za sada je imobilizacija enzima u nanomaterijalimatehnologija koja se još uvijek razvija, iako je već našla primjenu u industriji.

Kada bi uspjeli dovesti do toga da enzimski procesi budu ekonomski prihvatljiviji od organsko-kemijskih priroda će nam zahvaliti na slijedeći način...

Popis literature:1.Chia-Hung Lee, Tien-Sung Lin,Chung-Yuan Mou; Mesoporousmaterials for encapsulating enzymes2. Cesar Mateo, Jose M. Palomo, Gloria

Fernandez-Lorente, Jose M. Guisan , Roberto Fernandez-Lafuente; Improvement of enzyme activity, stability and selectivity viaimmobilization techniques

B. Šantek; predavanja iz biokemijskog inženjerstvaJ. Vorkapić-Furač; predavanja iz biotransformacijahttp://www.eminent-microtechnology.net/grafik.gif

http://pages.unibas.ch/colbas/ntp/

N03RA05.pdf

http://genomicsgtl.energy.gov/benefits/

smsammsenzyme.jpghttp://www.azom.com/work/

Z47W2k4cflP8Clsc0lv9_files/image003.jpg