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Inmovilización de enzimas Procesos de Química Sostenible utilizando enzimas como catalizadores Curso Posgrado Ciencias y Tecnologías Químicas

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Inmovilización de enzimas

Procesos de Química Sostenible utilizando enzimas como catalizadores

Curso Posgrado Ciencias y Tecnologías Químicas

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VENTAJAS DE INMOVILIZAR ENZIMAS • Enzimas en forma de catalizadores heterogéneos

• Posibilidad de reutilización del catalizador

• No necesidad de separar la enzima de los productos de reacción

• Mayor versatilidad en elección de reactores

• Mejora de las propiedades (actividad, estabilidad y selectividad)

• Mejora del control de los procesos

Curso Posgrado 2012

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ESTABILIZACION POR INMOVILIZACIÓN PURA

Las burbujas de gas o gotas de disolvente no pueden penetrar en los poros

Las moléculas de enzima están dispersas

No hay agregación No hay interacciones con interfases No hay posibilidad de proteolisis

Curso Posgrado 2012

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MÉTODOS DE INMOVILIZACIÓN DE ENZIMAS

No todos los métodos de inmovilización estabilizan todas las enzimas

Curso Posgrado 2012

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• Método muy simple

• Este método permite valores elevados de carga enzimática

• Las interacciones implicadas son resultantes de fuerzas de van der Waals, efectos hidrofóbicos y de carga iónica

• La selección del soporte pasa por su capacidad de retener la enzima, sin dejar desorber nuevamente al seno del liquido, actividad enzimática obtenida, posibilidad de regeneración y costo.

• Como ejemplos de soporte tenemos materias orgánicas neutras (carbón activo y celulosa) y cargadas (quitina, intercambiadores aniónicos y catiónicos), además de materia inorgánica (bentonita, alúmina, vidrio y sílica porosa).

INMOVILIZACIÓN DE ENZIMAS POR MÉTODOS DE ADSORCIÓN Curso Posgrado 2012

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+ + + +

- - -

-

-

- - -

- -

- - -

MECANISMO DE LOS PROCESOS DE ADSORCIÓN

Adsorción por mecanismo de intercambio multipuntual

Curso Posgrado 2012

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DISEÑO DE NUEVOS SOPORTES PARA LA INMOVILIZACIÓN

MUY SENCILLA Y REVERSIBLE DE ENZIMAS

Reuso del soporte/ reactor Adsorciones físicas muy fuertes

Efecto estabilizante: Adsorción multisubunidades de proteínas multiméricas

Soportes muy estables

Condiciones de inmovilización muy suaves

No es necesario bloquear

Curso Posgrado 2012

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INMOVILIZACIÓN REVERSIBLE SOBRE

SOPORTES RÍGIDOS RECUBIERTOS DE POLÍMEROS POLIFUNCIONALES

Gran concentración de grupos: adsorción fuerte

Biotechnol. Bioeng. 2000. 68, 98-105.

Biotechnol. Progr. 2004. 20, 284 - 288

Biotechnol. Progr. 2004. 20, 1134-1139.

COO -

SO4-2

NH3+

Curso Posgrado 2012

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COMPARACIÓN DE SOPORTES PEI FRENTE A SOPORTES CONVENCIONALES:

ADSORCIÓN DE INVERTASA DE SACCHAROMYCES CEREVISAE

Biotechnol. Progr. 2003. 18, 1221-1226.

Sobrenadante

ADSORCIÓN A SOPORTES PEI

Suspensión

0

25

50

75

100

0 1 2 3 4 5

Tiempo (min)

Acti

vid

ad

, %

DESORCIÓN A pH 7

0

25

50

75

100

0 200 400 600 800 1000

[NaCl] (mM)

Acti

vid

ad

deso

rbid

a,

%

Curso Posgrado 2012

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INACTIVACIÓN TÉRMICA DE INVERTASA ADSORBIDA SOBRE

SEPABEADS - PEI

Enzimas multiméricas : Adsorción multi-subunidades

Tª 55º C pH 7

Biotechnol. Progr. 2003. 18, 1221-1226.

0

25

50

75

100

0 5 10 15 20 25Tiempo (h)

Act

ivid

ad r

eman

ente

, (%

)

Sepabeads-PEI

DEAE

Enzima soluble

Curso Posgrado 2012

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SOPORTES RECUBIERTOS DE POLÍMEROS

Adsorciones muy rápidas y sencillas

Adsorción más fuerte que soportes convencionales

Adsorción muy poco distorsionante (actividad 100%)

Adsorción estabilizante: adsorción multi-subunidades

estabilización frente a disolventes

Permiten reuso del soporte/reactor

Métodos sencillos y eficientes de mejorar las propiedades de las enzimas

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Adsorción de Proteínas Recombinantes sobre Quelatos Metálicos

Adsorción multipuntual a través de varios grupos quelato

Adsorción unipuntual a través de una interacción muy fuerte con único quelato

COO

Me

His

His

His

His

His

His

COO

-

-

+2

Proteínas recombinantes con colas poli-His

Proteínas naturales

His

His

Curso Posgrado 2012

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Enzimas recombinantes

con colas poli-His

COO-

COO- Zn+2

His

His

His

His

Adsorción unipuntual a través de una interacción muy fuerte

Adsorción multipuntual a través de varios grupos quelato

Enzimas naturales His

His

Curso Posgrado 2012

INMOVILIZACIÓN DE ENZIMAS MEDIANTE COORDINACIÓN A METALES

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UNION COVALENTE

Posibilidad de estabilización por unión multipuntual La unión de la enzima al soporte es muy fuerte

Útil cuando la enzima requiere ser estabilizada previa a su utilización

Tras inactivación hay que eliminar el soporte y la enzima

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MECANISMOS DE INACTIVACIÓN DE ENZIMAS

+ + +

Alta temperatura Disolventes pHs extremos

M. acuoso pH neutro 4º C

ESTABILIZACIÓN DE ENZIMAS MEDIANTE PROCESOS DE INMOVILIZACIÓN

Rigidificación de la estructura 3-D Estabilización de la estructura cuaternaria

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MECANISMOS DE ESTABILIZACIÓN POR INMOVILIZACIÓN

RIGIDIFICACIÓN DE LA ESTRUCTURA 3D

ESTABILIZACIÓN DE LA ESTRUCTURA CUATERNARIA

+

Curso Posgrado 2012

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Muchos residuos de la enzima Brazos espaciadores muy cortos Soporte rígido

Posiciones relativas invariables durante cualquier cambio conformacional inducido por cualquier agente distorsionarte

ESTRATEGIA GENERAL DE ESTABILIZACIÓN DE ENZIMAS POR INMOVILIZACIÓN COVALENTE MULTIPUNTUAL

ESTABILIZACIÓN 3-D

COMO CONSEGUIR ESTE TIPO DE INMOVILIZACIONES

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RIGIDIFICACIÓN DE DIFERENTES REGIONES

Región cercana al centro activo Región más rica en lisinas

Bucle inestable

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GRUPOS AMINO

NH2 ¨ Muy reactivo cuando está ionizado

Mayoritariamente en la superficie

Abundante

Amino terminal (pK=7.5) … muy reactivo a pH neutro Lisinas (pK=10.5) ……… poco reactivas a pH neutro

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Reactividad mayor en el amino más reactivo (pk 7,5 <<< 10.7 (lys)

Muy difícil rigidificar la superficie a pH alcalino

INMOVILIZACIÓN SOBRE SOPORTES CON GRUPOS MUY REACTIVOS (glutaraldehído, CNBr, etc)

NH2 ¨

NH3

+

NH3

+

NH3

+

NH3

+

-OH

Curso Posgrado 2012

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+

+

NaBH4

GRUPOS MUY POCO REACTIVOS

Reaccion intermolecular muy lenta

Bases de Schiff muy inestables

En principio muy poco útiles para la unión covalente enzima-soporte a pH neutro pero los hemos convertidos es los mejores para inmovilización estabilización

Curso Posgrado 2012

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LOS RESIDUOS Y LA REGION

Los grupos amino: un amino terminal muy reactivo y numerosos residuos lisina poco reactivos

- NH2 (muy buen nucleófilo sin necesidad de activación)

..

La región : a.- el amino mas reactivo b.- las mas ricas en grupos amino

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INMOVILIZACIÓN POR EL AMINO MÁS REACTIVO

NH

NH2

NH3 NH3

O

O

O

NH2

NH

O

O

O

NH2

OH

NH2

NH3+

NH3+

Curso Posgrado 2012

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INMOVILIZACION DE ENZIMAS A TRAVÉS DE SUS GRUPOS AMINO

H2N R H2N R’

O CH2 C

O

H + H2N R

H2N

NH3

+ NH3

+

+

Curso Posgrado 2012

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LA REACCION INICIAL ENTRE ENZIMAS Y SOPORTES GLIOXIL

pH 8.0 (NO) pH 10.0 (NO)

pH 10.0 (SI)

Regiones muy ricas en grupos aminos

NH2

NH2

H2N

H2N

H2N

H2N

NH2

H2N

H2N

H2N

H2N

Curso Posgrado 2012

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EL PROCESO DE MULTI-INTERACCIÓN ENZIMA - SOPORTE

.........

Tiempo hasta 72 horas después del final de la primera inmovilización Temperatura (25 ºC >>> 4 ºC)

Curso Posgrado 2012

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PUNTO FINAL DE LA MULTI-INTERACCION ENZIMA-SOPORTE

NaBH4

1mg/ml

O CH2

C

O

H

O CH2

C

O

H

NO CH2

CH

NO CH2

CH

NO CH2

CH NHO CH2

CH2

O CH2

CH2OH

NHO CH2

CH2

NHO CH2

CH2

O CH2

CH2OH

Curso Posgrado 2012

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LOS GRUPOS GLIOXIL: SOPORTE-O- CH2 - CHO

Muy estables y muy cercanos al soporte rígido Reacción unipuntual reversible con grupos amino a.- orientación adecuada para inmovilización multipuntual b.- multi-interacción no distorsionarte

O CH2

C

O

H

.. NH2

Modificación química mínima

Ausencia de impedimentos estéricos

E NH2

CH2

CH2

O+ +

E NH3

Soportes completamente inertes e hidrofílicos

Curso Posgrado 2012

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SOPORTES GLIOXIL PARA LA ESTABILIZACION DE ENZIMAS

Soportes formados por grandes superficies con un elevado grado de activación Brazos espaciadores muy pequeños La enzima se inmoviliza siempre por regiones muy ricas en NH2 Los grupos glioxil son muy estables y no tienen impedimentos estéricos durante la multi-interacción La modificación química de la enzima es mínima

C

O

H

C

O

H

C

O

H

C

O

H

C

O

H

C

O

HC

O

H

alta densidad superficial de grupos glioxil, Eq. / m2

Curso Posgrado 2012

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ENZIMAS ESTABILIZADAS POR INMOVILIZACION MULTIPUNTUAL SOBRE SOPORTES GLIOXIL

>>>

estable

Tripsina Quimotripsina Penicilina G acilasa de E. Coli Penicilina G acilasa de K. citrophila Ferredoxina NADP reductasa de Anabaena Lipasa de C. rugosa Glutamato racemasa Esterasa de B. stearothermofilus Termolisina de B. thermoproteolyticus

ENZIMA

75% 70% 70% 70% 60% 50% 70% 70% 100%

ACTIVIDAD

10.000 60.000 8.000 7.000 1.000 150 1.000 1.000 100

ESTABILIZACION

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Orientacion correcta: regiones muy ricas en aminos

No inmoviliza soportes muy activados a pH 7.0 No inmoviliza soportes poco activados a pH 10.0 Inmovilizacion muy rapida sobre soportes muy activados a pH 10.0 Inmovilizacion muy rapida de tripsina (autolisada) sobre soportes muy activados a pH 7.0 Efecto espectacular de la concentracion de grupos activos sobre la velocidad inmovilización Efecto espectacular de la temperatura sobre la velocidad de inmovilización Estabilización muy elevada de todas las enzimas evaluadas

glioxil muy diferente de BrCN, glutaraldehido…

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Unión de enzimas con varios aminos terminales a soportes activados con grupos glioxil pH 7

Hipótesis multiméricas:

NH2

NH2

pH 8

NH2

Si hubiera varios aminos terminales en un mismo plano de la proteína esta se podría inmovilizar multipuntualmente sobre glioxil a pH 7-8

Ésta inmovilización debería involucrar a muchas subunidades

Curso Posgrado 2012

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Curso Posgrado 2012

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Grupos estables Posibilidad de reacción con muchos residuos de la enzima Brazos espaciadores cortos Muchos grupos activados

NH2 SH

OH

H2N

NH2 NH2

LOS SOPORTES EPÓXIDO PARA LA UNIÓN COVALENTE

MULTIPUNTUAL.

O

O

O

O

O

Curso Posgrado 2012

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O

O

O

O

O

INMOVILIZACIÓN DE ENZIMAS SOBRE SOPORTES EPÓXIDO

Inmovilización extremadamente lenta

NH2

Reacción amino-epoxido : Intermolecular muy lenta Intramolecular muy rápida e intensa

NH2

O

O

NH2

NH2

..

.. ..

..

Curso Posgrado 2012

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MECANISMO DE INMOVILIZACIÓN-ESTABILIZACIÓN DE ENZIMAS A

SOPORTES EPÓXIDO

pH 7.0

Adsorción física

pH 10

NH2

..

pH 7.0

NH2

..

NH3+

NH3+

NH3+

Inmovilización covalente

O

O

O

O

NH2

..

NH3+

NH3+

NH3+

O

O

O

O

O

O

O

NH3+

NH3+

NH3+

Interacción multipuntual

Biomacromolecules. 2000. 1, 739-745 Nature Protocols. 2007. 2, 1022-33

Curso Posgrado 2012

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2) Me+2

O

O

OH

+H2N

NH3+

O

O

NH+COO-

COO-

OH

OH

+H2N

B

OHHO

O

O

O

O

NH+COO-

COO-

Me+2

OH

Biomacromolecules. 2000. 1, 739-745

NH2

NH2

H2N+

COO-

COO-1)

O

O

O

H2N+

COO-

COO-

NH2

BOH

OH

Curso Posgrado 2012

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INMOVILIZACIÓN COVALENTE DE ENZIMAS DE UN EXTRACTO CRUDO

DE Escherichia coli EN DIFERENTES SOPORTES

EPÓXIDO HETERO-FUNCIONALES.

Un alto porcentaje de enzimas se pueden inmovilizar sobre diferentes soportes .... diferentes orientaciones.

La utilización secuencial de 3 soportes permite la inmovilización de “todas” las proteínas del extracto.

Condiciones: pH 7 y 25ºC * 1 M de fosfato sódico

SOPORTE

Proteína

inmovilizada

Eupergit

Hidrofóbico* Eupergit Cu+2 Eupergit boronato Eupergit – NH3

+

70% >85% 75% 65%

Biomacromolecules. 2000. 1, 739-745

Curso Posgrado 2012

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Epóxido

hidrofóbico

NH2-Epóxido M+2-Epóxido

Lipasa C. rugosa 100 95 70

PGA E. coli 75 nd 75

-galactosidasa A.oryzae 0 95 0

-galactosidasa

Thermus.sp.T2

40 35 95

Epóxido hidrolasa A.niger 30 95 0

ACTIVIDAD ENZIMÁTICA EN FUNCIÓN DEL SOPORTE

Biomacromolecules. 2000. 1, 739-745

Curso Posgrado 2012

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ESTABILIDAD TÉRMICA DE DIFERENTES DERIVADOS SEPABEADS

EPÓXIDO HETEROFUNCIONALES DE -GALACTOSIDASA DE Thermus sp. T2

Soluble

Boronato-Epóxido

M+2-Epóxido

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60

Act

ivid

ad, (

%)

Tiempo (horas)

NH2-Epóxido

Hidrófobico - Epóxido

pH 6,5; 70ºC

Biotechnol. Progr. 2004. 20, 388 – 392.

Curso Posgrado 2012

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OPTIMIZACIÓN DE LOS SOPORTES HETEROFUNCIONALES

Suficientes grupos nuevos para favorecer la adsorción y muchos grupos epóxido fácilmente

accesibles para favorecer la inmovilización covalente.

O

O

O

O

O

O

O

O

O

+

O

+

+

+ +

+ +

+

+

+

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 20 40 60 80 100

% EPOXIDOS MODIFICADOS

AD

SO

RC

ION

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

INM

OV

ILIZ

AC

ION

CO

VA

LE

NT

E

Curso Posgrado 2012

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Máxima densidad de grupos amino Máxima densidad de epóxidos

Nuevo soporte comercial Resindion

Biomacromolecules. 2003. 4, 772-777.

Patente aplicada industrialmente por la empresa Resindion S.R.L. (200300428)

O

NH2

+

O

NH2

+

O

NH2

+

O

NH2

+

-

-

NH2

NH2

-

-

NH2

NH2

HO

NH2

+

HO

NH2

+

Incubación a pH 10

pH 7 pH 7

TERCERA GENERACIÓN DE SOPORTES EPÓXIDOS

Curso Posgrado 2012

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UNA MISMA ENZIMA POR DIFERENTES REGIONES

+ + +

+

- - - -

+ + +

+

- - - -

+ + +

+

- - - -

BOLSILLO HODROFÓBICO

ZONA RICA EN HISTIDINAS

Curso Posgrado 2012

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CUARTA GENERACIÓN DE SOPORTES EPÓXIDO:INTERCAMBIADORES TIOL-DISULFURO

La mayoría de las proteínas no tienen cisteínas superficiales Podemos introducir cisteína en la región más conveniente Inmovilización dirigida de la enzima Posibilidad de rigidificación dirigida

Grupos reactivos

Biotechnol Bioeng. 2005, 90, 597-605

O

O

S S R SH

O

O

S S

pH 7

Incubación a pH 10

Curso Posgrado 2012

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Amplia gama de soportes Epoxido heterofuncionales

Derivados con muy alta actividad y estabilidad

Rigidificación de diferentes regiones de la superficie de enzimas industriales

Curso Posgrado 2012

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SOPORTES GLIOXIL HETEROFUNCIONALES

NaOH

NaIO4

Curso Posgrado 2012

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NH3+

NH3+

NH3+

NH2 ¨

NH2 ¨

NH3+

NH3+

NH3+

NH2 ¨

NH3+

NH3+

NH3+

pH 7.0

Adsorción física

Incubación a pH 10

Inmovilización covalente multipuntual muy intensa Inmovilización covalente

intramolecular suave

Incubación a pH 7

INMOVILIZACIÓN EN TRES PASOS

Curso Posgrado 2012

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BTL2 inmovilizada en aminos sin groups glioxil (■); BTL2 inmovilizada en soportes amino-glyoxyl a pH 8 durante 12 h (▲); BTL2 inmovilizada en amino-glioxil a pH 8 e incubada durante 3 horas a pH 10 (♦).

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Support ( pH of immobilization)

Immobilized BTL (%) (A)

Recovered Activity after

adsorption (%) (B)

Recovered Activity after incubation of adsorbed enzyme at

pH 10 (%) (B)

Chelate-glyoxyl (pH 7.0)

94 21 11

Amino-glyoxyl (pH 7.0)

100 90 90

Monofunctional glyoxyl (pH 10.0)

100 60 60

Boronate-glyoxyl (pH 7.0)

95 71 67

Table 3: Immobilization of BTL on different glyoxyl supports.

A.- percentage of soluble enzyme incorporated to the activated support. B - percentage of activity regarding to the soluble enzyme that has been incorporated to the activated support

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SOPORTE ACTIVADO CONDICIONES EXPERIMENTALES ORIENTACIÓN DE LA ENZIMA

Glioxil monofuncional pH 10 Región más rica en lisinas

Glioxil monofuncional

pH 8 Región con más de un amino terminal

Glioxil monofuncional

pH 8 + compuestos tiolados (DTT) Región del amino terminal

Ionizado amino-glioxil pH 7 + baja fuerza iónica Región con mayor carga negativa neta

Ionizado carboxi-glioxil pH 7 + baja fuerza iónica Región con mayor carga neta positiva

Metal quelato-glioxil pH 7; 200mM NaCl Región más rica en histidinas

Grupo hidrofóbico-glioxil pH 7; alta fuerza iónica Región más rica en residuos hidrofóbicos

Baja densidad de grupos capaces de adsorber y alta densidad de grupos glioxil

pH 7; baja fuerza iónica Región que expone la mayor superficie

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Activation of agarose gels with epiclorhydrine : glyceril-epoxy supports

Modification of epoxy groups with ligands bearing nucleophiles

Oxidation of glyceryl groups with periodate: glyoxil groups

Adsorption of enzymes at pH 7.0 ( through different regions) on different immobilized ligands

Long-term incubation at pH 7.0: mild intramolecular covalent immobilization with glyoxyl groups

Long-term incubation at pH 10: intense intramolecular multipoint covalent attachment

Mild borohydride reduction to stabilize amine-glyoxyl attachments

PROTOCOLO DE ACTIVACIÓN-INMOVILIZACIÓN

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DERIVADOS SIN SOPORTE

Todo el sólido es proteína

No hay gasto de soporte

Estabilización operacional

Rigidificación ?

Microambiente ?

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POSIBILIDADES

CLECs Enzimas puras y cristalinas Necesidad de enzima pura Estabilizacion de proteinas multimericas

CLEAs Enzimas con trazas de impurezas Coagregacion de enzimas Agregacion de enzima y polimero Estabilizacion de enzimas multimericas

Crosslinked Enzyme Crystals Crosslinked Enzyme Aggregates

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CLECs (Cross Linked Enzyme Crystals)

Ventajas: - Alta actividad catalítica - Posibilidad de estabilización de estructuras multiméricas Inconvenientes: - Necesidad de enzimas puras y cristalizables - Necesidad de procesos sencillos de cristalización

Entrecruzante

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CLEAs

PREPARACIÓN DE CLEAs

Agente entrecruzante

precipitante PEG

sales, disolventes

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Alta actividad volumétrica

Co-agregación enzimas-polímeros Estabilización

CLEAs

Co-agregación de enzimas

No necesario soporte

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CLEA: Disociación de subunidades no es posible

Inmovilización convencional de enzimas: Disociación de subunidades es posible

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5 6 7

Clea1/10

Clea1/100

soluble1/10

soluble1/200

Effect of dilution on the thermal stability of CLEA from M. lysodeiktycus catalase

Tiempo (h)

Act

ividad r

esidua

l (%

)

Las condiciones experimentales fueron: 60ºC , pH 7, 10000 IU/ml

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AGREGADOS DE ENZIMAS Y POLÍMEROS:

CLEAS CON MICROAMBIENTES

Entrecruzamiento Agregación

Estabilización frente a disolventes • Estabilización frente a oxígeno

Biocatal. Biotransfor. 19, 489-503

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0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 50 100 150 200 250 300 350

e/eo

Time(hours)

Cinética de inactivación de CLEAs, a 4 ºC en 75 % (v/v) dioxano en 100 mM de tampón fosfato a pH 7.0.

PENICILLIN G ACYLASE

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+

LENTIKATS

Usado normalmente con células Enzima soluble escapa

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CLEA CLEA LentiKatsTM Enzima soluble

PVA CLEA G

PRECIPITACIÓN ENCAPSULACIÓN

Enzima precipitada

ENTRECRUZAMIENTO

REPRESENTACION DE LA PRODUCCIÓN DE LENTIKATS® A PARTIR DE CLEA. Curso Posgrado 2012

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0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 100 200 300 400

e/e

o

Time(hours)

INACTIVACIÓN POR CODISOLVENTE. Experimento hecho a 4 ºC en 75 % (v/v) dioxano y 25 % (v/v) 100 mM de tampón fosfato a pH 7.0.

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ESTABILIZACIÓN DE NITRILASA USANDO

MICROAMBIENTES EN ATMÓSFERA DE OXÍGENO

0

25

50

75

100

0 20 40Tiempo, (h)

Act

ivid

ad, %

J. Mol. Catal. B: Enzymatic. 2006, 38, 154-57.

OH

CN

OH

COOHNitrilasa

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DESARROLLO DE CLEAs

Permite obtener catalizadores muy activos Estabilización de enzimas: (multiméricas, disolventes, O2, etc) Coagregación de varias enzimas Coagregación de enzimas y polímeros

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