Amination of enzymes to improve biocatalyst performance: coupling genetic modification and physicochemical tools

Improvement of the features of an enzyme is in many instances a pre-requisite for the industrial implementation of these exceedingly interesting biocatalysts. To reach this goal, the researcher may utilize different tools. For example, amination of the enzyme surface produces an alteration of the isoelectric point of the protein along with its chemical reactivity (primary amino groups are the most widely used to obtain the reaction of the enzyme with surfaces, chemical modifiers, etc.) and even its “in vivo” behavior. This review will show some examples of chemical (mainly modifying the carboxylic groups using the carbodiimide route), physical (using polycationic polymers like polyethyleneimine) and genetic amination of the enzyme surface. Special emphasis will be put on cases where the amination is performed to improve subsequent protein modifications. Thus, amination has been used to increase the intensity of the enzyme/support multipoint covalent attachment, to improve the interaction with cation exchanger supports or polymers, or to promote the formation of crosslinkings (both intra-molecular and in the production of crosslinked enzyme aggregates). In other cases, amination has been used to directly modulate the enzyme properties (both in immobilized or free form). Amination of the enzyme surface may also pursue other goals not related to biocatalysis. For example, it has been used to improve the raising of antibodies against different compounds (both increasing the number of haptamers per enzyme and the immunogenicity of the composite) or the ability to penetrate cell membranes. Thus, amination may be a very powerful tool to improve the use of enzymes and proteins in many different areas and a great expansion of its usage may be expected in the near future.

Denitrification Enzymes-Based Biosensors: the Case of Haloarchaeal Enzymes

In the last two decades, the increase in the use of artificial fertilizers and the disposal of industrial wastes have been the main factors responsible for the progressive increase in nitrate and nitrite levels in groundwater and soil. A variety of analytical strategies have been developed for nitrate and nitrite detection but electrochemical biosensors, which are simple, cheap, easily miniaturized and suitability for real-time detection, are proved to be a powerful tool. Various types of biosensors based on the use of whole cells or on the immobilization of denitrification enzymes have been developed, but their use is limited in environmental analysis under extreme conditions such as brines, acidic or basic wastewaters, salted soils, etc. Extremophilic denitrifying microorganism are good candidates for the development of new nitrate and nitrite biosensors and, in particular, haloarchaeal based biosensors would have advantages over bacterial based biosensors since the microorganisms and the purified denitrifying enzymes tolerate a wide range of temperature and salinity. This work summarizes new highlights on the potential uses of denitrifying haloarchaeal enzymes to make enzyme-based biosensors.

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.

Coordination of protein and mRNA abundances of stromal enzymes and mRNA abundances of the Clp protease subunits during senescence of Phaseolus vulgaris (L.) leaves

Our objective was to determine the coordination of transcript and/or protein abundances of stromal enzymes during leaf senescence. First trifolioliate leaves of Phaseolus vulgaris L. plants were sampled beginning at the time of full leaf expansion; at this same time, half of the plants were switched to a nutrient solution lacking N. Total RNA and soluble protein abundances decreased after full leaf expansion whereas chlorophyll abundance remained constant; N stress enhanced the decline in these traits. Abundances of ribulose-1,5-bisposphate carboxylase/oxygenase (Rubisco; EC 4.1.1.39), Rubisco activase and phosphoribulokinase (Ru5P kinase; EC 2.7.1.19) decreased after full leaf expansion in a coordinated manner for both treatments. In contrast, adenosine diphosphate glucose (ADPGlc) pyrophosphorylase (EC 2.7.7.27) abundance was relatively constant during natural senescence but did decline similar to the other enzymes under N stress. Northern analyses indicated that transcript abundances for all enzymes declined markedly on a fresh-weight basis just after full leaf expansion. This rapid decline was particularly strong for the Rubisco small subunit (rbcS) transcript. The decline was enhanced by N stress for rbcS and Rubisco activase (rca), but not for Ru5P kinase (prk) and ADPGlc pyrophosphorylase (agp). Transcripts of the Clp protease subunits clpC and clpP declined in abundance just after full leaf expansion, similar to the other mRNA species. When Northern blots were analyzed using equal RNA loads, rbcS transcripts still declined markedly just after full leaf expansion whereas rca and clpC transcripts increased over time. The results indicated that senescence was initiated near the time of full leaf expansion, was accelerated by N stress, and was characterized by large decline in transcripts of stromal enzymes. The decreased mRNA abundances were in general associated with steadily declining stromal protein abundances, with ADPGlc pyrophosphorylase being the notable exception. Transcript analyses for the Clp subunits supported a recent report (Shanklin et al., 1995, Plant Cell 7: 1713--1722) indicating that the Clp protease subunits were constitutive throughout development and suggested that ClpC and ClpP do not function as a senescence-specific proteolytic system in Phaseolus.

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.

Biotransformation and chemical form of mercury in plants /

Bibliography: p. 7-9.

In-situ biotransformation of carbon tetrachloride under anoxic conditions /

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Alternate enzymes for use in cholinesterase antagonist monitors : CAM's /

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Intracellular enzymes; a course of lectures given in the physiological laboratory, University of London,

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