Иммобилизация ферментов наноматериалами улучшила их свойства

Ученые из Воронежского государственного университета исследовали различные нано- и микроматериалы, которые могут быть использованы для создания комплексов с ферментами для их иммобилизации — соединения молекул ферментов с полимерами. Иммобилизация ферментов позволяет эффективнее использовать их в промышленности и медицине, поскольку это помогает повысить стабильность и активность веществ. Ученые продемонстрировали, что активность ферментов, иммобилизованных наночастицами природного полимера хитозана, увеличивается до 20%, а также повышается их стабильность. Результаты исследования опубликованы в журнале Biophysical Reviews.

Ферменты — это сложные белковые соединения, ускоряющие химические реакции в живых системах. Они используются в промышленности и медицине, а также при производстве пищевых продуктов, биотоплива, фармацевтических препаратов. Протеолитические ферменты участвуют в расщеплении белков и пептидов. Они применяются в различных отраслях промышленности, таких как пищевая, фармацевтическая и косметическая. Протеолитические ферменты известны своими антитоксическими и противовоспалительными свойствами. Использование ферментов позволяет сократить затраты времени и энергии на производство, а также повысить качество и эффективность процессов. Однако существует ряд сложностей, с которыми ученые сталкиваются при использовании этих соединений. Они связаны с нестабильностью ферментов в различных условиях, ограниченной возможностью повторного использования и высокой стоимостью.

Потенциальным и эффективным решением этих проблем может оказаться иммобилизация ферментов — процесс их прикрепления к поверхности природных или синтетических полимерных материалов. Так можно улучшить свойства ферментов, остановить реакцию в любой момент времени, использовать биокатализатор повторно. В качестве перспективных иммобилизирующих веществ можно использовать нано- и микроматериалы. Нано- и микроматериалы — это материалы размерами в диапазоне от нанометров до микрометров, из которых можно составить и более высокомолекулярные структуры. Их размер позволяет эффективно взаимодействовать с молекулами ферментов, что делает нано- и микроматериалы удобным инструментом для иммобилизации ферментов.

Российские ученые исследовали различные существующие методы иммобилизации ферментов с использованием нано- и микроматериалов. Они также провели собственные исследования по иммобилизации цистеиновых протеаз — ферментов, которые широко распространены как в животных, так и в растительных организмах и нужны для расщепления белков и пептидов. Исследователи провели эксперименты с тремя цистеиновыми протеазами (фицин, бромелайн, папаин), а в качестве иммобилизирующего материала использовали частицы хитозана разного размера. Хитозан — это углевод, который получают из панцирей крабов и насекомых, а также клеточных стенок грибов.

Ученые выяснили, что применение нано- и микроматериалов для иммобилизации ферментов повышает устойчивость и долговечность биокатализаторов. Ученые также показали, что образование комплексов цистеиновых протеаз с нано- и микрочастицами хитозана привело к повышению активности ферментов до 20%. Более того, стабильность всех трех цистеиновых протеаз повысилась после соединения с микро- и наночастицами.

Эти данные позволят ученым и технологам выбирать наиболее подходящие и эффективные методы иммобилизации ферментов, а также значительно ускорить полный отказ от использования в качестве катализаторов токсичных соединений — опасных органических соединений, растворителей и солей тяжелых металлов — в пользу биологически безопасных ферментов. В целом использование нано- и микроматериалов для иммобилизации ферментов представляет собой перспективный подход, который может привести к развитию новых и более эффективных процессов в различных отраслях промышленности и медицины. Такой подход позволит сохранить активность ферментов при различных условиях, повысить их стабильность и скорость реакций.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».