Preparation of silica with controlled pore sizes for enzyme immobilization

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Continuous production of xylooligosaccharides in a packed bed reactor with immobilized-stabilized biocatalysts of xylanase from Aspergillus versicolor

The production of xylooligosaccharides (XOS) using a packed-bed enzymatic reactor was studied at lab-scale. For this, a xylanase from Aspergillus versicolor was immobilized on different supports. The optimal derivative was xylanase immobilized on glyoxyl-agarose supports. This derivative preserved 85% of its catalytic activity; it was around 700-fold more stable than the soluble enzyme after incubation at 60. °C and was able to be reused for at least 10 1. h-cycles retaining full catalytic activity. About 18% of oligosaccharides with prebiotic interest (X2-X6) were produced by the glyoxyl derivative in batch hydrolysis. The production of xylobiose was 2.5-fold higher using the immobilized preparation than with soluble enzyme and small concentrations of xylose (<0.1%) were observed only at the end of the reaction. The derivative was employed on a packed bed reactor, and the continuous operation with no recirculation reached 56% and 70% of the end of reaction with flow rates of 60. mL/h and 12. mL/h, respectively. In continuous operation with recirculation at a flow rate of 60. mL/h, the reaction was completed after four hours. © 2013 Elsevier B.V.

Imobilização multipontual das peroxidases da casca da soja e chuchu em suportes alternativos de pó de sabugo de milho e celulose bacteriana

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Bromophenol blue discoloration using peroxidase immobilized on highly activated corncob powder

The aim of the present study was to evaluate the efficacy of peroxidase immobilized on corncob powder for the discoloration of dye. Peroxidase was extracted from soybean seed coat, followed by amination of the surface of the tertiary structure. The aminated peroxidase was immobilized on highly activated corncob powder and employed for the discoloration of bromophenol blue. Amination was performed with 10 or 50 mmol.L-1carbodiimide and 1 mol.L-1ethylenediamine. The amount of protein in the extract was 0.235 ± 0.011 mg.mL-1and specific peroxidase activity was 86.06 ± 1.52 µmol min-1.mg-1, using 1 mmol.L-1ABTS as substrate. Ten mmol.L-1and 50 mmol.L-1 aminated peroxidase retained 88 and 100% of the initial activity. Following covalent immobilization on a corncob powder-glyoxyl support, 10 and 50 mmol.L-1aminated peroxidase retained 74 and 86% of activity, respectively. Derivatives were used for the discoloration of 0.02 mmol.L-1bromophenol blue solution. After 30 min, 93 and 89% discoloration was achieved with the 10 mmol.L-1and 50 mmol.L-1derivatives, respectively. Moreover, these derivatives retained 60% of the catalytic properties when used three times. Peroxidase extracted from soybean seed coat immobilized on a low-cost corncob powder support exhibited improved thermal stability. Keywords: Peroxidases. Multipoint immobilization of enzymes. Aminated enzymes. Corncob powder. RESUMO Descoloração de azul de bromofenol utilizando peroxidase imobilizada em pó de sabugo de milho altamente ativado Nesta pesquisa a enzima peroxidase foi extraída do tegumento de sementes de soja, e a superfície da estrutura terciária foi aminada. A peroxidase aminada foi imobilizada em suporte pó de sabugo de milho altamente ativado e utilizado na descoloração de azul de bromofenol. A aminação da peroxidase foi realizada com carbodiimida em concentrações de 10 e 50 mmol.L-1, e 1 mol.L-1de etilenodiamina. A quantidade de proteínas no extrato foi de 0,235 ± 0,011 mg.mL-1, e a atividade específica da peroxidase foi 86,06 ± 1,52 µmol min-1.mg-1, usando 1 mmol.L-1de ABTS como substrato. A peroxidase aminada a 10 mmol.L-1reteve 88% e a aminada a 50 mmol.L-1reteve 100% da atividade inicial. As peroxidases aminadas a 10 ou 50 mmol.L-1foram covalentemente imobilizadas em suporte glioxil-pó de sabugo de milho com atividade recuperada de 74% e 86%, respectivamente. Os derivados obtidos foram utilizados na descoloração de solução de azul de bromofenol 0,02 mmol.L-1. Após 30 min 93% de descoloração foram alcançados com o derivado glioxil-pó de sabugo de milho com a peroxidase aminada 10 mmol.L-1e 89% com a aminada 50 mmol.L-1. Estes derivados mantiveram 60% das propriedades catalíticas, quando utilizado por três vezes. A peroxidase extraída do tegumento da semente de soja imobilizada em suporte de baixo custo pó de sabugo de milho apresentou melhoria na estabilidade térmica da enzima. Palavras-chave: Peroxidases. Imobilização multipontual de enzimas. Aminação de enzimas. Pó de sabugo de milho.

Immobilization of a Plant Lipase from Pachira aquatica in Alginate and Alginate/PVA Beads

This study reports the immobilization of a new lipase isolated from oleaginous seeds of Pachira aquatica, using beads of calcium alginate (Alg) and poly(vinyl alcohol) (PVA). We evaluated the morphology, number of cycles of reuse, optimum temperature, and temperature stability of both immobilization methods compared to the free enzyme. The immobilized enzymes were more stable than the free enzyme, keeping 60% of the original activity after 4 h at 50°C. The immobilized lipase was reused several times, with activity decreasing to approximately 50% after 5 cycles. Both the free and immobilized enzymes were found to be optimally active between 30 and 40°C.

Immobilization of papain on chitin and chitosan and recycling of soluble enzyme for deflocculation of saccharomyces cerevisiae from bioethanol distilleries

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Immobilization of marine fungi on silica gel, silica xerogel and chitosan for biocatalytic reduction of ketones

The scanning electron microscopy (SEM) analysis showed that whole living hyphal of marine fungi Aspergillus sclerotiorum CBMAI 849 and Penicillium citrinum CBMAI 1186 were immobilized on support matrices of silica gel, silica xerogel and/or chitosan. P. citrinum immobilized on chitosan catalyzed the quantitative reduction of 1-(4-methoxyphenyl)-ethanone (1) to the enantiomer (S)-1-(4-methoxyphenyl)-ethanol (3b), with excellent enantioselectivity (ee > 99%, yield = 95%). Interestingly, ketone 1 was reduced with moderate selectivity and conversion to alcohol 3b (ee = 69%, c 40%) by the free mycelium of P. citrinum. This free mycelium of P. citrinum catalyzed the production of the (R)-alcohol 3a, the antipode of the alcohol produced by the immobilized cells. P. citrinum immobilized on chitosan also catalyzed the bioreduction of 2-chloro-1-phenylethanone (2) to 2-chloro-1-phenylethanol (4a,b), but in this case without optical selectivity. These results showed that biocatalytic reduction of ketones by immobilization hyphal of marine fungi depends on the xenobiotic substrate and the support matrix used. (c) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

The whole-cell immobilization of D-hydantoinase-engineered Escherichia coli for D-CpHPG biosynthesis

Background: D-Hydroxyphenylglycine is considered to be an important chiral molecular building-block of antibiotic reagents such as pesticides, and β-lactam antibiotics. The process of its production is catalyzed by D-hydantoinase and D-carbamoylase in a two-step enzyme reaction. How to enhance the catalytic potential of the two enzymes is valuable for industrial application. In this investigation, an Escherichia coli strain genetically engineered with D-hydantoinase was immobilized by calcium alginate with certain adjuncts to evaluate the optimal condition for the biosynthesis of D-carbamoyl-p-hydroxyphenylglycine (D-CpHPG), the compound further be converted to D-hydroxyphenylglycine (D-HPG) by carbamoylase. Result: The optimal medium to produce D-CpHPG by whole-cell immobilization was a modified Luria-Bertani (LB) added with 3.0% (W/V) alginate, 1.5% (W/V) diatomite, 0.05% (W/V) CaCl2 and 1.00 mM MnCl2. The optimized diameter of immobilized beads for the whole-cell biosynthesis here was 2.60 mm. The maximized production rates of D-CpHPG were up to 76%, and the immobilized beads could be reused for 12 batches. Conclusions: This investigation not only provides an effective procedure for biological production of D-CpHPG, but gives an insight into the whole-cell immobilization technology. © 2016 Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Production and hosting by Elsevier B.V. All rights reserved.

Immobilization of Aspergillus oryzae alpha-galactosidase in gelatin and its application in removal of flatulence-inducing sugars in soymilk

Raffinose oligosaccharides (RO) are the major factors responsible for flatulence following ingestion of soybean-derived products. Removal of RO from seeds or soymilk would then have a positive impact on the acceptance of soy-based foods. In this study, alpha-galactosidase from Aspergillus oryzae was entrapped in gelatin using formaldehyde as the hardener. The immobilization yield was 64.3% under the optimum conditions of immobilization. The immobilized alpha-galactosidase showed a shift in optimum pH from 4.8 to 5.4 in acetate buffer. The optimum temperature also shifted from 50 degrees C to 57 degrees C compared with soluble enzyme. Immobilized alpha-galactosidase was used in batch, repeated batch and continuous mode to degrade RO present in soymilk. In the repeated batch, 45% reduction of RO was obtained in the fourth cycle. The performance of immobilized alpha-galactosidase was tested in a fluidized bed reactor at different flow rates and 86% reduction of RO in soymilk was obtained at 25 ml h(-1) flow rate. The study revealed that immobilized alpha-galactosidase in continuous mode is efficient in reduction of RO present in soymilk.

Covalent tethering of the dimer interface annuls aggregation in thymidylate synthase

Thymidylate synthase (TS), a dimeric enzyme, forms large soluble aggregates at concentrations of urea (3.3-5 M), well below that required for complete denaturation, as established by fluorescence and size-exclusion chromatography. In contrast to the wild-type enzyme, an engineered mutant of TS (T155C/E188C/C244T), TSMox, in which two subunits are crosslinked by disulfide bridges between residues 155-188' and 188-155', does not show this behavior. Aggregation behavior is restored upon disulfide bond reduction in the mutant protein, indicating the involvement of interface segments in forming soluble associated species. Intermolecular disulfide crosslinking has been used as a probe to investigate the formation of larger non-native aggregates. The studies argue for the formation of large multimeric species via a sticky patch of polypeptide from the dimer interface region that becomes exposed on partial unfolding. Covalent reinforcement of relatively fragile protein-protein interfaces may be a useful strategy in minimizing aggregation of non-native structures in multimeric proteins.