Hydrazide-functionalized hollow porous poly(2-hydroxyethyl methacrylate-co-ethylene dimethacrylate) spheres for immobilization of enzyme

Hollow porous poly(2-hydroxyethyl methacrylate-co-ethylene dimethacrylate)(HEMA-co-EDMA) spheres were prepared by emulsifier-free emulsion polymerization, swelling, seed emulsion polymerization and extraction. Then the spheres activated with 2,4,6-trichloro-1,3,5-triazine were functioned with adipohydrazide (AH). After periodate oxidation of its carbohydrate moieties, horseradish peroxidase was immobilized on the hydrazide-functionalized hollow porous poly(HEMA-co-EDMA) spheres. The amount of immobilized enzyme was up to 43.4 mu g of enzyme/g of support. Moreover, the immobilized horseradish peroxidase exhibited high activity and good stability.

Self-gelatinizable graft copolymer of poly(vinyl alcohol) with 4-vinylpyridine as an immobilization matrix for the construction of a tyrosinase-based amperometric biosensor

A tyrosinase-based amperometric biosensor using a self-gelatinizable graft copolymer of poly(vinyl alcohol) with 4-vinylpyridine (PVA-g-PVP) as an immobilization matrix was constructed. The 4-vinylpyridine component of PVA-g-PVP enhances the adherence to a glassy carbon electrode surface. The content of 4-vinylpyridine in this immobilization matrix plays a key role in retaining the activity of tyrosinase. A simple, milder method was adopted by simply syringing the copolymer-tyrosinase aqueous solution on to the electrode surface and allowing water to evaporate at 4 degrees C in a refrigerator. Several parameters, including copolymer composition; pH, applied potential and enzyme membrane composition, ware optimized. The enzyme membrane composition can be varied to obtain higher sensitivity or a wider linear detection range. The biosensor was used for the determination of phenol, p-cresol and catechol. The biosensor exhibited excellent reproducibility, stability and sensitive response and can be used in flow injection analysis. The biosensor showed an extended linear range in hydrophilic organic solvents and it can be used in monitoring organic reaction processes. The analytical performance demonstrated this immobilization matrix is suitable for the immobilization of tyrosinase.

Immobilization of the heteropoly acid (HPA) H4SiW12O40 (SiW12) on mesoporous molecular sieves (HMS and MCM-41) and their catalytic behavior

Supported catalysts, consisting of SiW12 immobilized on hexagonal mesoporous silica (HMS) and its aluminum-substituted derivative (MCM-41) with different loadings and calcination temperatures, have been prepared and characterized by X-ray diffraction, FT-IR and NH3-temperature programmed desorption. It is shown that SiW12 retains the Keggin structure on the mesoporous molecular sieves and no HPA crystal phase is developed, even at SiW12 loadings as high as 50 wt%. In the esterification of acetic acid by n-butanol, supported catalysts exhibit a higher catalytic activity and stability and held some promise of practical application. In addition, experimental results indicate that the loaded amount of SiW12 and the calcination temperatures have a significant influence on the catalytic activity, and the existence of aluminum has also an effect on the properties of supported catalysts.

AMPEROMETRIC BIOSENSORS BASED ON THE IMMOBILIZATION OF OXIDASES IN A PRUSSIAN BLUE FILM BY ELECTROCHEMICAL CODEPOSITION

Prussian blue has been formed by cyclic voltammetry onto the basal pyrolytic graphite surface to prepare a chemically modified electrode which provides excellent electrocatalysis for both oxidation and reduction of hydrogen peroxide. It is found for the first time that glucose oxidase or D-amino oxidase can be incorporated into a Prussian blue film during its electrochemical growth process. Two amperometric biosensors were fabricated by electrochemical codeposition, and the resulting sensors were protected by coverage with a thin film of Nafion. The influence of various experimental conditions was examined for optimum analytical performance. The glucose sensor responds rapidly to substrates with a detection limit of 2 x 10(-6) M and a linear concentration range of 0.01-3 mM. There was no interference from 2 mM ascorbic acid or uric acid. Another (D-amino acid) sensor gave a detection limit of 3 x 10(-5) M D-alanine, injected with a linear concentration range of 7.0 x 10(-5)-1.4 x 10(-2) M. Glucose and D-amino acid sensors remain relatively stable for 20 and 15 days, respectively. There is no obvious interference from anion electroactive species due to a low operating potential and excellent permselectivity of Nafion.

Ionic liquid-reconstituted cellulose composites as solid support matrices for biocatalyst immobilization

Preparation of cellulose-polyamine composite films and beads, which provide high loading of primary amines on the surface allowing direct one-step bioconjugation of active species, is reported using an ionic liquid (IL) dissolution and regeneration process. Films and bead architectures were prepared and used as immobilization supports for laccase as a model system demonstrating the applicability of this approach. Performance of these materials, compared to commercially available products, has been assessed using millimeter-sized beads of the composites and the lipase-catalyzed transesterification of ethyl butyrate.

Economical and operational optimization of CALB immobilization on MP1000 for amidation of olein fatty acids with ethanolamine

Dissertação de Mestrado , Engenharia Biológica, Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais, Universidade do Algarve, 2008

Endothelialization of chitosan porous conduits via immobilization of a recombinant fibronectin fragment (rhFNIII7–10)

The present study aimed to develop a pre-endothelialized chitosan (CH) porous hollowed scaffold for application in spinal cord regenerative therapies. CH conduits with different degrees of acetylation (DA; 4% and 15%) were prepared, characterized (microstructure, porosity and water uptake) and functionalized with a recombinant fragment of human fibronectin (rhFNIII7–10). Immobilized rhFNIII7–10 was characterized in terms of amount (125I-radiolabelling), exposure of cell-binding domains (immunofluorescence) and ability to mediate endothelial cell (EC) adhesion and cytoskeletal rearrangement. Functionalized conduits revealed a linear increase in immobilized rhFNIII7–10 with rhFNIII7–10 concentration, and, for the same concentration, higher amounts of rhFNIII7–10 on DA 4% compared with DA 15%. Moreover, rhFNIII7–10 concentrations as low as 5 and 20 lgml 1 in the coupling reaction were shown to provide DA 4% and 15% scaffolds, respectively, with levels of exposed cell-binding domains exceeding those observed on the control (DA 4% scaffolds incubated in a 20 lgml 1 human fibronectin solution). These grafting conditions proved to be effective in mediating EC adhesion/cytoskeletal organization on CH with DA 4% and 15%, without affecting the endothelial angiogenic potential. rhFNIII7–10 grafting to CH could be a strategy of particular interest in tissue engineering applications requiring the use of endothelialized porous matrices with tunable degradation rates.

Disposable immunosensor using a simple method for oriented antibody immobilization for label-free real-time detection of an oxidative stress biomarker implicated in cancer diseases

This work proposes a novel approach for a suitable orientation of antibodies (Ab) on an immunosensing platform, applied here to the determination of 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine (8OHdG), a biomarker of oxidative stress that has been associated to chronic diseases, such as cancer. The anti-8OHdG was bound to an amine modified gold support through its Fc region after activation of its carboxylic functions. Non-oriented approaches of Ab binding to the platform were tested in parallel, in order to show that the presented methodology favored Ab/Ag affinity and immunodetection of the antigen. The immunosensor design was evaluated by quartz-crystal microbalance with dissipation, atomic force microscopy, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and square-wave voltammetry. EIS was also a suitable technique to follow the analytical behavior of the device against 8OHdG. The affinity binding between 8OHdG and the antibody immobilized in the gold modified platform increased the charge transfer resistance across the electrochemical set-up. The observed behavior was linear from 0.02 to 7.0 ng/mL of 8OHdG concentrations. The interference from glucose, urea and creatinine was found negligible. An attempt of application to synthetic samples was also successfully conducted. Overall, the presented approach enabled the production of suitably oriented Abs over a gold platform by means of a much simpler process than other oriented-Ab binding approaches described in the literature, as far as we know, and was successful in terms of analytical features and sample application.

Development of an enzyme immobilization platform based on microencapsulation for paper-based biosensors

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs.

A study of chymotrypsin immobilization conditions for improved peptide mapping

La cartographie peptidique est une technique de grande importance utilisée lors de l’identification des protéines et la caractérisation des modifications post-traductionnelles des protéines. Deux méthodes sont utilisées afin de couper les protéines en peptides pour la cartographie : les méthodes chimiques et les méthodes enzymatiques. Dans ce projet, l’enzyme chymotrypsine a été utilisée pour l’hydrolyse (la digestion) des liens peptidiques. Cependant, l’autoprotéolyse des enzymes peut augmenter la complexité des échantillons, rendant ainsi ardue l’obtention de pics résolus suite à l’apparition de pics non-désirés dans la carte peptidique. Par conséquent, nous avons utilisé la réticulation des enzymes protéolytiques par réaction avec le glutaraldéhyde (GA) donnant une enzyme insoluble afin de réduire l’autoprotéolyse. L’immobilisation de la chymotrypsine par GA a été effectuée selon une méthode rapportée précédemment par le groupe Waldron. L’électrophorèse capillaire (CE) couplée à l’absorption UV-visible a été utilisée pour la séparation et la détection de peptides et pour obtenir ainsi une cartographie peptidique. Deux tampons différents ont été évalués afin d’obtenir les meilleures conditions pour la digestion de substrats protéiques par la chymotrypsine libre (soluble) ou la GAchymotrypsine et l’analyse par CE. Les cartes des peptides autoprotéolytiques ont été comparées entre les deux formats de chymotrypsine. Afin d’améliorer la cartographie peptidique, nous avons évalué trois méthodes de conditionnement du capillaire CE et deux méthodes pour stopper la digestion. Le bicarbonate d’ammonium s’est avéré être le tampon optimal pour la digestion en solution et l’utilisation d’un bain d’acétone et de glace sèche s’est avérée être la méthode optimale pour stopper la digestion. Une solution de SDS, 25 mM, dans l’étape de rinçage a été utilisée après chaque analyse CE et a permis d’améliorer la résolution des cartes peptidiques. La comparaison entre l’autoprotéolyse de la chymotrypsine libre et de celle immobilisé par GA a été effectuée par des tests utilisant une gamme de six différentes combinaisons de conditions afin d’évaluer le temps (30 et 240 min) et la température de digestion (4, 24 et 37°C). Dans ces conditions, nos résultats ont confirmé que le GA-chymotrypsine réduit l’autoprotéolyse par rapport à l’enzyme libre. La digestion (à 37°C/240 min) de deux substrats modèles par la chymotrypsine libre et immobilisée en fonction de la température de dénaturation du substrat a été étudiée. iii Avant la digestion, les substrats (l’albumine de sérum bovine, BSA, et la myoglobine) ont été dénaturés par chauffage pendant 45 min à trois températures différentes (60, 75 et 90°C). Les résultats ont démontré que la dénaturation par chauffage du BSA et de la myoglobine n’a pas amélioré la cartographie peptidique pour la GA-chymotrypsine, tandis que la digestion de ceux-ci en présence de la chymotrypsine libre a amélioré de façon quantifiable à des températures élevées. Ainsi, le chauffage du substrat à 90°C avec l’enzyme soluble facilite le dépliement partiel du substrat et sa digestion limitée, ce qui a été mieux pour la myoglobine que pour la BSA.

Acid activated montmorillonite: an efficient immobilization support for improving reusability, storage stability and operational stability of enzymes

Three enzymes, α-amylase, glucoamylase and invertase, were immobilized on acid activated montmorillonite K 10 via two independent techniques, adsorption and covalent binding. The immobilized enzymes were characterized by XRD, N2 adsorption measurements and 27Al MAS-NMR spectroscopy. The XRD patterns showed that all enzymes were intercalated into the clay inter-layer space. The entire protein backbone was situated at the periphery of the clay matrix. Intercalation occurred through the side chains of the amino acid residues. A decrease in surface area and pore volume upon immobilization supported this observation. The extent of intercalation was greater for the covalently bound systems. NMR data showed that tetrahedral Al species were involved during enzyme adsorption whereas octahedral Al was involved during covalent binding. The immobilized enzymes demonstrated enhanced storage stability. While the free enzymes lost all activity within a period of 10 days, the immobilized forms retained appreciable activity even after 30 days of storage. Reusability also improved upon immobilization. Here again, covalently bound enzymes exhibited better characteristics than their adsorbed counterparts. The immobilized enzymes could be successfully used continuously in the packed bed reactor for about 96 hours without much loss in activity. Immobilized glucoamylase demonstrated the best results.