إنزيم مثبت

الإنزيم المُثبَّت هو إنزيم ذو حركة محدودة، مُرتبط بمادة خاملة غير قابلة للذوبان، مثل ألجينات الكالسيوم (التي تُنتَج بتفاعل محلول ألجينات الصوديوم ومحلول الإنزيم مع كلوريد الكالسيوم ). يُوفر هذا مقاومة مُعززة للتغيرات في الظروف، مثل درجة الحموضة أو درجة الحرارة . كما يُتيح تثبيت الإنزيمات في مكانها طوال التفاعل، وبعد ذلك يُمكن فصلها بسهولة عن النواتج وإعادة استخدامها - وهي عملية أكثر كفاءة، ولذا تُستخدم على نطاق واسع في الصناعة للتفاعلات المُحفَّزة بالإنزيمات . يُعد تثبيت الخلايا الكاملة بديلاً لتثبيت الإنزيمات . ^{[ 1 ] [ 2 ]} تتميز الإنزيمات المُثبَّتة بسهولة التعامل معها، وفصلها ببساطة عن نواتجها، وإمكانية إعادة استخدامها. ^{[ 3 ]}

الإنزيمات هي عوامل محفزة حيوية تؤدي دورًا أساسيًا في تعزيز التفاعلات الكيميائية داخل الخلايا دون أن تتعرض لتعديلات مستمرة أو هدر، ودون أن تؤدي إلى فقدان توازن التفاعلات الكيميائية. ورغم أن خصائص الإنزيمات فريدة للغاية، إلا أن استخدامها في الصناعة محدود بسبب عدم إمكانية إعادة استخدامها، وعدم استقرارها، وارتفاع تكلفة إنتاجها. ^{[ 4 ]}

تم تصنيع أول إنزيم اصطناعي مُثبَّت في خمسينيات القرن الماضي، وذلك عن طريق دمج الإنزيم في مصفوفات بوليمرية أو ربطه بمواد حاملة. كما طُبِّقت عملية الربط المتشابك عن طريق ربط البروتين وحده أو مع إضافة مواد خاملة. ^{[ 3 ]} خلال العقد الماضي، طُوِّرت طرق تثبيت متنوعة. ويُعد ربط الإنزيم بمواد حاملة مُصنَّعة مسبقًا، على سبيل المثال، الطريقة الأكثر شيوعًا حتى الآن. ومؤخرًا، تُعتبر عملية الربط المتشابك لبلورات الإنزيم بديلًا واعدًا. ويتزايد معدل استخدام الإنزيمات المُثبَّتة باستمرار. ^{[ 5 ]}

قبل تطبيق أي نوع من تقنيات التثبيت، ينبغي مراعاة بعض العوامل. من الضروري فهم التأثيرات الكيميائية والفيزيائية على الإنزيم بعد تثبيته. قد تتغير استقرارية الإنزيم وخصائصه الحركية نتيجة لتغيرات في ظروف البيئة الدقيقة المحيطة به بعد التثبيت، أو بسبب ارتباطه بمادة داعمة، أو نواتج التفاعلات الإنزيمية، على سبيل المثال. إضافةً إلى ذلك، من المهم الحفاظ على البنية الثلاثية للإنزيم قبل تثبيته لضمان فعاليته. وبالمثل، يُعد الموقع النشط موقعًا بالغ الأهمية لفعالية الإنزيم ، ويجب الحفاظ عليه أيضًا. أثناء تثبيت الإنزيم على سطح ما، من الضروري استخدام طريقة انتقائية لربط السطح/المادة لتجنب تثبيت إنزيم غير فعال. ^{[ 3 ]} بالتالي، هناك ثلاثة عوامل أساسية يجب مراعاتها لإنتاج إنزيمات مثبتة فعالة: اختيار دعامات التثبيت، وظروف وطرق التثبيت. ^{[ 6 ]}

يمكن تثبيت الإنزيمات بطرق فيزيائية أو كيميائية، بما في ذلك:

تم تثبيت العديد من الإنزيمات ذات الأهمية في مجال التقنية الحيوية على دعامات متنوعة (غير عضوية، عضوية، مركبة، ونانوية) عبر ارتباط عشوائي متعدد النقاط. مع ذلك، ينتج عن التثبيت عبر التعديل الكيميائي العشوائي مجموعة بروتينية غير متجانسة، حيث ترتبط أكثر من سلسلة جانبية (أمينو، كربوكسيلي، ثيول، إلخ) موجودة في البروتينات بالدعامة، مما قد يؤدي إلى انخفاض النشاط نتيجةً لتقييد وصول الركيزة إلى الموقع النشط. ^{[ 12 ]}

في المقابل، في تثبيت الإنزيم الموجه للموقع، يمكن ربط الدعامة بحمض أميني محدد (عادةً الطرف الأميني أو الكربوكسيلي) في جزيء بروتين بعيدًا عن الموقع النشط. وبهذه الطريقة، يُحافظ على أقصى نشاط للإنزيم بفضل سهولة وصول الركيزة إلى الموقع النشط. تعتمد هذه الاستراتيجيات بشكل أساسي على الكيمياء، ولكنها قد تتطلب أيضًا طرقًا جينية وإنزيمية لتوليد مجموعات وظيفية (غير موجودة في البروتين) على الدعامة والإنزيم. ^{[ 12 ]}

يعتمد اختيار طريقة SDCM على عوامل عديدة، منها نوع الإنزيم (إنزيم محب للبرودة أقل استقرارًا، أو نظير محب للحرارة أكثر استقرارًا)، وثبات الإنزيم في درجات الحموضة المختلفة، وتوافر طرفيه الأميني والكربوكسيلي للكاشف، وعدم تداخل طرف الإنزيم مع نشاطه، ونوع بقايا الأحماض الأمينية المحفزة، وتوافر الكواشف وسعرها وسهولة تحضيرها. على سبيل المثال، يُعدّ توليد وظائف قابلة للربط (الألكاين والأزيد) على الدعامة والإنزيم من أكثر الطرق ملاءمة لتثبيت الإنزيمات عبر التعديل الكيميائي الموجه للموقع. ^{[ 13 ]}

من التطبيقات الأخرى الشائعة لتقنية التثبيت مع الإنزيمات، التفاعلات الإنزيمية على الركائز المثبتة. تُسهّل هذه التقنية تحليل أنشطة الإنزيمات وتحاكي أداءها على جدران الخلايا، على سبيل المثال. ^{[ 14 ]}

تُستخدم الإنزيمات المُثبّتة في تطبيقات مهمة لأنها تُقلل التكاليف وتُحسّن نتائج التفاعلات التي تُحفّزها. ومن مزاياها:

راحة

تذوب كميات ضئيلة من البروتين في التفاعل، مما يجعل عملية المعالجة أسهل بكثير. عند اكتمال التفاعل، لا تحتوي مخاليط التفاعل عادةً إلا على المذيب ونواتج التفاعل. ^{[ 15 ]}

اقتصاد

يسهل إزالة الإنزيم المُثبَّت من التفاعل، مما يُسهِّل إعادة تدوير المحفز الحيوي . يُعدّ هذا مفيدًا بشكل خاص في عمليات مثل إنتاج الحليب الخالي من اللاكتوز، حيث يُمكن تصفية الحليب من الوعاء مع بقاء الإنزيم ( اللاكتيز ) بداخله جاهزًا للدفعة التالية. ^{[ 15 ]}

استقرار

تتمتع الإنزيمات المثبتة عادةً بثبات حراري وتشغيلي أكبر من الشكل القابل للذوبان للإنزيم. ^{[ 15 ]}

في الماضي، كانت مساحيق الغسيل والمنظفات البيولوجية تحتوي على العديد من البروتيازات والليبازات التي تعمل على تحليل الأوساخ. إلا أن هذه المنتجات كانت تسبب ردود فعل تحسسية عند ملامستها للجلد. ولذلك، يُعد تثبيت الإنزيمات أمرًا بالغ الأهمية في العديد من مجالات التطبيق .

تُستخدم الإنزيمات المُثبّتة في تطبيقات متنوعة، تشمل الصناعات الغذائية والكيميائية والصيدلانية والطبية. ففي صناعة الأغذية، على سبيل المثال، تُستخدم هذه الإنزيمات في تصنيع أنواع عديدة من المُحليات الخالية من السعرات الحرارية. يُعدّ الألولوز، على سبيل المثال، مُتَماثِلًا فراغيًا للفركتوز ، ويختلف عنه بنيويًا، مما يجعله غير قابل للامتصاص من قِبل جسم الإنسان عند تناوله. ومن الأمثلة الأخرى على المُحليات المُعتمدة على الإنزيمات المُثبّتة: التاغاتوز (إنزيم بيتا-غالاكتوزيداز المُثبّت ). ^{[ 16 ]}

في صناعة الكيماويات (مستحضرات التجميل) أيضاً، تُستخدم الإنزيمات المُثبّتة لإنتاج إسترات مُرطّبة باستخدام إنزيم CalB المُثبّت. وكانت شركة إيفونيك أول من استخدم هذه الطريقة عام 2000. ويُستخدم إنزيم الليباز- CalB المُثبّت في تطبيقات صيدلانية أخرى لإنتاج أوداناكاتيب وسوفوسبوفير . ^{[ 16 ]}