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.

Cloning and characterization of a putative fructosyltransferase and two putative invertase genes from the temperate grass Lolium temulentum L.

J. A. Gallagher, A. J. Cairns and C. J. Pollock (2004). Cloning and characterization of a putative fructosyltransferase and two putative invertase genes from the temperate grass Lolium temulentum L. Journal of Experimental Botany, 55 (397) pp.557-569 Sponsorship: BBSRC RAE2008

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.

Tuning mesoporous molecular sieve SBA-15 for the immobilization of α-amylase

The present work describes the immobilization of α-amylase over well ordered mesoporous molecular sieve SBA-15 with different pore diameters synthesized by post synthesis treatment (PST) hydrothermally after reaction at 40°C. The materials were characterized by N 2 adsorption–desorption studies, small angle X-ray diffraction, scanning electron microscopy and high resolution transmission electron microscopy. Since α-amylase obtained from Bacillus subtilis has dimensions of 35 × 40 × 70 Å it is expected that the protein have access to the pore of SBA-15 (PST-120°C) with diameter 74 Å. The pore dimension is appropriate to prevent considerable leaching. The rate of adsorption of the enzyme on silica of various pore sizes revealed the influence of morphology, pore diameter, pore volume and pH.

Invertase immobilised on montmorillonite: reusability enhancement and reduction in leaching

Invertase was immobilised on microporous montmorillonite K-10 via adsorption and covalent binding. The immobilised enzymes were tested for sucrose hydrolysis activity in a batch reactor. Km for immobilised systems was greater than free enzyme. The immobilised forms could be reused for 15 continuous cycles without any loss in activity. After 25 cycles, 85% initial activity was retained. A study on leaching of enzymes showed that 100% enzyme was retained even after 15 cycles of reuse. Leaching increased with reaction temperature. Covalent binding resisted leaching even at temperatures of 70 °C.

Ordered mesoporous silica as supports for immobilization of biocatalyst

Mesoporous materials are of great interest to the materials community because of their potential applications for catalysis,separation of large molecules,medical implants,semiconductors,magnetoelectric devices.The thesis entitled 'Ordered Mesoporous Silica as supports for immobilization of Biocatalyst' presents how the pore size can be tuned without the loss in ordered structure for the entrapment of an industially important biocatalyst-amylase.Immobilization of enzymes on ordered mesoporous material has triggered new ooportunities for stabilizing enzymes with improved intrinsic and operational stabilities.