مجموعة إنزيمية متشابكة

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

في الكيمياء الحيوية ، يُعرف تجمع الإنزيم المتشابك بأنه إنزيم مُثبَّت يتم تحضيره عن طريق ربط تجمعات الإنزيم الفيزيائية بروابط متشابكة ثنائية الوظيفة. ويمكن استخدامها كعوامل محفزة حيوية صناعية انتقائية فراغياً .

خلفية

الإنزيمات بروتينات تحفز ( أي تسرع) التفاعلات الكيميائية . وهي محفزات طبيعية موجودة في كل مكان، في النباتات والحيوانات والكائنات الدقيقة ، حيث تحفز عمليات حيوية للكائنات الحية. وتشارك الإنزيمات بشكل وثيق في العديد من العمليات البيوتكنولوجية، مثل صناعة الجبن والبيرة والنبيذ، والتي يعود تاريخها إلى فجر الحضارة. وقد وفرت التطورات الحديثة في مجال التكنولوجيا الحيوية ، ولا سيما في الهندسة الوراثية والبروتينية وعلم الوراثة ، الأساس لتطوير إنزيمات ذات خصائص محسنة للتطبيقات المعروفة، وإنزيمات جديدة مصممة خصيصًا لتطبيقات جديدة تمامًا لم تُستخدم فيها الإنزيمات من قبل.

تُستخدم الإنزيمات اليوم على نطاق واسع في العديد من الصناعات المختلفة، ويتزايد عدد تطبيقاتها باستمرار. تشمل الأمثلة معالجة الأغذية (المخبوزات، منتجات الألبان، تحويل النشا) والمشروبات ( البيرة ، النبيذ، عصائر الفاكهة والخضراوات)، وأعلاف الحيوانات ، والمنسوجات ، واللب والورق ، والمنظفات ، وأجهزة الاستشعار الحيوية ، ومستحضرات التجميل ، والرعاية الصحية والتغذية ، ومعالجة مياه الصرف الصحي ، وصناعة الأدوية والمواد الكيميائية ، ومؤخرًا، الوقود الحيوي مثل الديزل الحيوي . ويُعدّ انخفاض أثرها البيئي الدافع الرئيسي وراء انتشار استخدام الإنزيمات.

تعاني العديد من عمليات التحويل الكيميائي التقليدية المستخدمة في مختلف الصناعات من عيوب جوهرية من الناحيتين الاقتصادية والبيئية. فالتفاعلات غير المتخصصة قد تُنتج كميات قليلة من المنتجات، وتُخلف كميات كبيرة من النفايات، وتُنتج مواد غير نقية. كما أن الحاجة إلى درجات حرارة وضغوط مرتفعة تؤدي إلى استهلاك عالٍ للطاقة وتكاليف استثمارية رأسمالية باهظة . وقد يكون التخلص من المنتجات الثانوية غير المرغوب فيها صعبًا أو مكلفًا، وقد يتطلب استخدام مذيبات خطرة. في المقابل، تُجرى التفاعلات الإنزيمية في ظروف معتدلة من حيث درجة الحرارة والضغط، باستخدام الماء كمذيب، وتتميز بمعدلات عالية جدًا، وغالبًا ما تكون متخصصة للغاية. علاوة على ذلك، تُنتج هذه التفاعلات من مواد خام متجددة وقابلة للتحلل الحيوي . إضافة إلى ذلك، فإن ظروف التشغيل المعتدلة للعمليات الإنزيمية تعني إمكانية إجرائها باستخدام معدات بسيطة نسبيًا، وسهولة التحكم بها. باختصار، تُقلل هذه العمليات من الأثر البيئي للتصنيع عن طريق خفض استهلاك الطاقة والمواد الكيميائية، وما يصاحب ذلك من توليد للنفايات.

في إنتاج المواد الكيميائية الدقيقة والنكهات والعطور والمواد الكيميائية الزراعية والأدوية ، تتمثل إحدى أهم مزايا الإنزيمات في درجة الانتقائية الكيميائية والموضعية والضوئية العالية التي تتميز بها. وعلى وجه الخصوص، تُعد قدرتها على تحفيز تكوين منتجات ذات نقاء ضوئي عالٍ ، من خلال تحكم فراغي دقيق، ذات أهمية قصوى في هذه الصناعات .

على الرغم من كل هذه الخصائص المرغوبة للإنزيمات، فإن استخدامها الصناعي الواسع النطاق غالبًا ما يعيقه افتقارها إلى الاستقرار التشغيلي طويل الأمد وفترة صلاحية التخزين، فضلًا عن صعوبة استعادتها وإعادة استخدامها. ويمكن التغلب على هذه العيوب عمومًا بتثبيت الإنزيمات. ويُعدّ تطوير محفزات حيوية مستقرة وقوية، ويفضل أن تكون غير قابلة للذوبان، تحديًا رئيسيًا في مجال التحفيز الحيوي الصناعي.

التثبيت

راجع قسم الإنزيم المثبت لمزيد من المعلومات.

توجد عدة أسباب لتثبيت الإنزيم. فبالإضافة إلى تسهيل التعامل معه، يتيح التثبيت فصله بسهولة عن المنتج، مما يقلل أو يمنع تلوث المنتج بالبروتين. كما يُسهّل التثبيت استعادة الإنزيمات باهظة الثمن وإعادة استخدامها بكفاءة، وهو شرط أساسي في العديد من التطبيقات لتحقيق الجدوى الاقتصادية، ويُمكّن من استخدامها في عمليات التشغيل المستمر ذات الطبقة الثابتة. ومن الفوائد الأخرى تعزيز استقرار الإنزيم، سواء في ظروف التخزين أو التشغيل، مثل مقاومته للتلف الناتج عن الحرارة أو المذيبات العضوية أو التحلل الذاتي. فالإنزيمات جزيئات حساسة للغاية، وقد تفقد بسهولة بنيتها ثلاثية الأبعاد الفريدة، الضرورية لنشاطها، نتيجة التلف (انفكاك البنية). وينعكس تحسين أداء الإنزيم من خلال تعزيز استقراره، عبر نطاق واسع من الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة، فضلاً عن تحمله للمذيبات العضوية، إلى جانب إمكانية إعادة استخدامه ، في زيادة إنتاجية المحفز (كجم منتج/كجم إنزيم)، وهو ما يُحدد بدوره تكلفة الإنزيم لكل كيلوغرام من المنتج.

يمكن تمييز ثلاث طرق تقليدية أساسية لتثبيت الإنزيمات : الارتباط بدعامة (حامل)، والاحتجاز (التغليف)، والربط المتشابك. قد يكون الارتباط بالدعامة فيزيائيًا أو أيونيًا أو تساهميًا . مع ذلك، فإن الرابطة الفيزيائية ضعيفة عمومًا بحيث لا تكفي لتثبيت الإنزيم على الحامل في الظروف الصناعية ذات التركيزات العالية للمواد المتفاعلة والناتجة والقوة الأيونية العالية. يمكن أن تكون الدعامة راتنجًا صناعيًا ، أو بوليمرًا حيويًا ، أو بوليمرًا غير عضوي مثل السيليكا (المسامية) أو الزيوليت . يتضمن الاحتجاز إدخال الإنزيم في شبكة بوليمرية (شبكة هلامية) مثل بوليمر عضوي أو هلام السيليكا ، أو في جهاز غشائي مثل الألياف المجوفة أو الكبسولة الدقيقة. يتطلب الاحتجاز تركيب الشبكة البوليمرية في وجود الإنزيم. أما الفئة الثالثة فتتضمن الربط المتشابك لتجمعات أو بلورات الإنزيم، باستخدام كاشف ثنائي الوظيفة، لتحضير جسيمات كبيرة خالية من الحامل.

يؤدي استخدام الحامل حتمًا إلى "تخفيف النشاط"، نظرًا لوجود نسبة كبيرة من المواد غير المحفزة، تتراوح بين 90% وأكثر من 99%، مما ينتج عنه انخفاض في الإنتاجية والعائد لكل وحدة زمنية. علاوة على ذلك، غالبًا ما يؤدي تثبيت الإنزيم على حامل إلى فقدان كبير في النشاط، خاصةً عند استخدام كميات كبيرة من الإنزيم. ونتيجة لذلك، يتزايد الاهتمام بالإنزيمات المثبتة بدون حامل، مثل بلورات الإنزيم المتشابكة (CLECs) وتجمعات الإنزيم المتشابكة (CLEAs)، التي توفر مزايا النشاط الإنزيمي عالي التركيز، إلى جانب الاستقرار العالي وانخفاض تكاليف الإنتاج، نظرًا للاستغناء عن حامل إضافي (باهظ الثمن). [ 1 ]

تجمعات الإنزيمات المتشابكة (CLEAs)

كانت شركة ألتوس بيولوجيكس رائدة في استخدام بلورات الإنزيمات المتشابكة (CLECs) كمحفزات حيوية صناعية في تسعينيات القرن الماضي. وقد أثبتت هذه البلورات استقرارًا أكبر بكثير ضد التلف الناتج عن الحرارة والمذيبات العضوية والتحلل البروتيني مقارنةً بالإنزيمات الذائبة أو المساحيق المجففة بالتجميد. تتميز بلورات الإنزيمات المتشابكة بقوتها ونشاطها العالي، وهي عبارة عن إنزيمات مثبتة ذات حجم جسيمات قابل للتحكم، يتراوح بين 1 و100 ميكرومتر. إن استقرارها التشغيلي وسهولة إعادة تدويرها، بالإضافة إلى إنتاجيتها العالية كمحفز وحجم، يجعلها مثالية للتحولات الحيوية الصناعية.

مع ذلك، تعاني مُجمّعات الإنزيمات المُتشابكة (CLECs) من عيبٍ جوهري: إذ تُعدّ عملية تبلور الإنزيم عمليةً شاقةً تتطلب إنزيمًا عالي النقاوة، ما يُترجم إلى تكاليف باهظة. في المقابل، تُنتَج مُجمّعات الإنزيمات المُتشابكة (CLEAs) التي طُوِّرت مؤخرًا، عن طريق ترسيب الإنزيم ببساطة من المحلول المائي، على هيئة مُجمّعات فيزيائية لجزيئات البروتين، وذلك بإضافة الأملاح، أو المذيبات العضوية القابلة للامتزاج بالماء، أو البوليمرات غير الأيونية. [ 2 ] [ 3 ] تترابط هذه المُجمّعات الفيزيائية بروابط تساهمية دون التأثير على بنيتها الثلاثية، أي دون حدوث تمسخ. يُؤدي التشابك اللاحق لهذه المُجمّعات الفيزيائية إلى جعلها غير قابلة للذوبان بشكل دائم مع الحفاظ على بنيتها الفوقية المُهيكلة مُسبقًا، وبالتالي الحفاظ على نشاطها التحفيزي. وقد أدى هذا الاكتشاف إلى تطوير فئة جديدة من الإنزيمات المُثبّتة: مُجمّعات الإنزيمات المُتشابكة (CLEAs). بما أن الترسيب من وسط مائي، بإضافة كبريتات الأمونيوم أو بولي إيثيلين جليكول ، يُستخدم غالبًا لتنقية الإنزيمات، فإن منهجية CLEA تجمع أساسًا بين التنقية والتثبيت في عملية واحدة لا تتطلب إنزيمًا عالي النقاء. يمكن استخدامها، على سبيل المثال، للعزل المباشر للإنزيم، في صورة نقية ومثبتة مناسبة لإجراء التحولات الحيوية، من مرق تخمير خام .

تُعدّ مركبات CLEAs محفزات حيوية جذابة للغاية، نظرًا لسهولة إنتاجها وانخفاض تكلفتها وفعاليتها. ويمكن إعادة استخدامها بسهولة، كما أنها تتميز بثبات وأداء مُحسّنين. وتُطبّق هذه المنهجية على جميع الإنزيمات تقريبًا، بما في ذلك إنزيمات الأكسدة والاختزال المعتمدة على العوامل المساعدة . [ 4 ] وقد أظهر تطبيقها على إنزيم أسيل البنسلين المستخدم في تصنيع المضادات الحيوية تحسينات كبيرة مقارنةً بأنواع أخرى من المحفزات الحيوية. [ 5 ]

تتعدد التطبيقات المحتملة لـ CLEA وتشمل ما يلي:

  1. تصنيع المستحضرات الصيدلانية والنكهات والعطور والمواد الكيميائية الزراعية والمغذيات والمواد الكيميائية الدقيقة والمونومرات بكميات كبيرة والوقود الحيوي .
  2. علف الحيوانات ، على سبيل المثال إنزيم الفايتيز لاستخدام الفوسفات المرتبط عضوياً من قبل الخنازير والدواجن.
  3. معالجة الأغذية والمشروبات، على سبيل المثال الليباز في صناعة الجبن واللاكاز في تصفية النبيذ .
  4. مستحضرات التجميل ، على سبيل المثال في منتجات العناية بالبشرة
  5. معالجة الزيوت والدهون ، على سبيل المثال في مواد التشحيم الحيوية ، والمستحلبات الحيوية، والمطريات المشتقة من المواد الحيوية .
  6. معالجة الكربوهيدرات ، على سبيل المثال ، إنزيم اللاكاز في أكسدة الكربوهيدرات.
  7. صناعة اللب والورق ، على سبيل المثال في تبييض اللب.
  8. المنظفات ، مثل البروتيازات والأميلازات والليبازات لإزالة بقع البروتين والكربوهيدرات والدهون .
  9. معالجة مياه الصرف الصحي، على سبيل المثال لإزالة الفينولات والأصباغ والمواد المسببة لاضطرابات الغدد الصماء .
  10. أجهزة الاستشعار الحيوية / التشخيص ، على سبيل المثال أجهزة الاستشعار الحيوية لأكسيداز الجلوكوز وأكسيداز الكوليسترول.
  11. توصيل البروتينات كعوامل علاجية أو مكملات غذائية/هضمية مثل بيتا جالاكتوزيداز للتحلل الهضمي للاكتوز في منتجات الألبان لتخفيف أعراض عدم تحمل اللاكتوز .

مراجع

  1. ↑ كاو، ل.؛ فان لانجن، ل.؛ شيلدون، ر . أ .؛ الإنزيمات المثبتة: مرتبطة بحامل أم غير مرتبطة به؟؛ الرأي الحالي في التكنولوجيا الحيوية، 2003، 14، 387-394. doi : 10.1016/S0958-1669(03)00096-X
  2. ^ شيلدون، ر.أ. شوفارت، ر. فان لانجين، L.؛ طريقة جديدة لتجميد الإنزيم؛ بيوكات. بيوترانس, 2005, 23(3/4), 141-147.
  3. ↑ شيلدون، آر إيه ؛ تثبيت الإنزيم: البحث عن الأداء الأمثل؛ Adv. Synth. Catal.، 2007، 349، 387-394.
  4. ↑ شيلدون، آر إيه ؛ سورجيدراجر، إم جيه؛ جانسن، إم إتش إيه؛ استخدام تجمعات الإنزيمات المتشابكة (CLEAs) لإجراء التحولات الحيوية؛ الكيمياء اليوم، 2007، 25، 62-67.
  5. ↑ Illanes, A.; Wilson, L.; Caballero, E.; Fernandez-Lafuente, R.; Guisan, JM; تجمعات أسيل البنسلين المتشابكة لتخليق المضادات الحيوية بيتا لاكتام في وسط عضوي؛ Appl. Biochem. Biotechnol، 2006، 133، 189-202.