Development of multifunctional biocatalyst colloids by co-immobilization of enzymes

Sáringer Szilárd
Development of multifunctional biocatalyst colloids by co-immobilization of enzymes.
[Thesis]

[thumbnail of Sáringer Szilárd disszertáció.pdf] PDF (disszertáció)
Download (7MB)
[thumbnail of Thesis book_Szilárd Sáringer.pdf] PDF (tézis)
Download (588kB)
[thumbnail of Tézisfüzet_Sáringer Szilárd.pdf] PDF (tézis)
Download (592kB)

Abstract in Hungarian

Az enzimek olyan biokatalizátorként működő fehérjék, amelyek növelik a biológiai rendszerekben lejátszódó kémiai reakciók sebességét. A természetben a sejtekben végbemenő szinte összes reakciót különféle enzimek együttműködése szabályozza, ugyanakkor ezeknek meghatározó szerepük van az ipari folyamatokban is. A különböző enzimtípusok között különösen fontos szerepük van az oxidoreduktáz enzimeknek a reaktív oxigén származékok (ROS) eltávolításában. Ilyenek lehetnek például a szuperoxid gyök anionok és a hidrogén-peroxid. A káros környezeti hatások következtében a normál biokémiai reakciókban megnövekszik a ROS koncentrációja, amely oxidatív stressz kialakulásához vezet, ami károsítja a sejtalkotókat, és jelentős minőségbeli romlást okoz ipari termékekben is. A peroxidáz enzimek alkalmazása számos esetben elégséges lehet, azonban dizmutáz enzimekkel kombinálva enzimatikus kaszkád reakciók játszódnak le, amely a ROS vízre és oxigénre történő teljes lebomlásához vezet. Az enzimek ugyanakkor sérülékeny biokatalizátorok, amelyek a környezetükben bekövetkező változások miatt részben vagy teljesen elveszíthetik aktivitásukat. Ezt a környezeti hatásokkal szembeni érzékenységet tudjuk kiküszöbölni szilárd hordozókon történő immobilizálással, amely az ipari alkalmazásokban is számos technikai előnyt biztosít. A nanostrukturált anyagok előnyös tulajdonságaiknak köszönhetően ideális hordozóknak bizonyultak a különböző enzimek együttes immobilizációjához, amely lehetővé teszi multienzimatikus rendszerek előállítását. Ugyanakkor a fluid fázisban diszpergált nanorészecskék alkalmazásának fő korlátja a részecskék aggregációja, amely az enzimek nem megfelelő működéséhez, ezáltal az antioxidáns hatás megszűnéséhez vezet. Mivel ezeket az összetett anyagokat heterogén rendszerekben, például vérben, víz bázisú biológiai környezetben vagy ipari gyártási folyamatokban alkalmazzák, az aggregációs folyamatok szabályozása kiemelt fontosságú. A környezeti körülmények, például az ionerősség, a hőmérséklet és a pH jelentősen befolyásolják az összetett részecskék felületi töltési és aggregációs folyamatait, és ezáltal a diszperziók kolloidstabilitását. Az ellentétesen töltött polielektrolitoknak a részecskék felületén történő adszorpciójával hatékonyan tudjuk szabályozni a vizes közegben diszpergált nanorészecskék töltését és aggregációs tulajdonságait. A szekvenciális adszorpció módszerével létrehozott többrétegű kompozitok ideális hordozók lehetnek a különböző enzimek együttes immobilizálására. Ezen rendszerekben a polielektrolit rétegek hordozó szerepük mellett az enzimek térben történő elválasztását, és a részecskék előnyös kolloidstabilitását is biztosítják.

Abstract in foreign language

Enzymes are proteins that act as biological catalysts, which accelerate chemical reactions. In nature, almost all the reactions in cells are catalyzed by cooperation of various enzymes and enzyme catalysis also has a primal role in biochemical industrial processes. Among all the different classes of enzymes, oxidoreductase enzymes are of special importance for the removal of reactive oxygen species (ROS) like superoxide radical anions and hydrogen peroxide. Normal biochemical reactions exposed to environmental effects lead to extended ROS production, which induces oxidative stress giving rise to damage of cellular components and also causes significant loss in the quality of industrial products. In some of the later cases, only peroxidase enzymes are needed, however, when they are used together with superoxide dismutase enzymes, they perform a cascade reaction leading to the complete decomposition of ROS to water and oxygen. Enzymes, on the other hand, are sensitive biocatalysts that can partially or totally lose their enzymatic activity as a consequence of any major changes occurring in their surrounding environment. This major drawback of their environmental response can be overcome by immobilization on solid supports, which also offers several technical advantages in the industrial applications. Nanostructured materials provide ideal characteristics for the co-immobilization of different enzymes to obtain multi-enzymatic systems. However, one of the main limitations of these type of supports is the particle aggregation in dispersions, which gives rise to inefficient function of the antioxidant enzymes and hence, to failure in ROS decomposition. Since these composite materials are applied in heterogenous systems such as in blood, aqueous environmental samples, or industrial manufacturing processes, the colloidal stability is a critical issue. Experimental conditions such as ionic strength, temperature and pH significantly influence the charging and the aggregation processes and thus, the colloidal stability of these dispersions. Polyelectrolytes have proved to be efficient aggregation or stabilization agents for nanoparticles dispersed in an aqueous medium. Furthermore, the charging and the aggregation processes are controllable by the adsorption of oppositely charged polyelectrolyte layers on the surface of the particles. Sequential adsorption method with the application of polyelectrolytes is a self-evident way to immobilize multi-enzymatic systems in/on the nanostructures. In this method, the polyelectrolyte multilayers act as a support, and also as a separator between the proteins. On the other hand, they ensure high colloidal stability for the system.

Item Type: Thesis (Doktori értekezés)
Creators: Sáringer Szilárd
Magyar cím: Multifunkcionális biokatalizátor kolloidok fejlesztése enzimek együttes immobilizálásával
Subjects: 01. Natural sciences > 01.04. Chemical sciences > 01.04.04. Colloid chemistry
Divisions: Doctoral School of Chemistry
Tudományterület / tudományág: Natural Sciences > Chemistry
Nyelv: English
Date: 2022. September 12.
Uncontrolled Keywords: enzim, oxidatív stressz, enzim immmobilizáció, kolloid stabilitás, szekvenciális adszorpció
Item ID: 11323
Date Deposited: 2022. May. 19. 14:22
Last Modified: 2022. Sep. 22. 10:07
Depository no.: B 6990
URI: https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/11323
Defence/Citable status: Not Defended. (Do not cite until it has not assigned DOI number!)

Actions (login required)

View Item View Item