Immobilized enzyme
સ્થિર ઉત્સેચક એ એક ઉત્સેચક છે, જે મર્યાદિત ગતિશીલતા સાથે, નિષ્ક્રિય, અદ્રાવ્ય સામગ્રી સાથે જોડાયેલ છે-જેમ કે કેલ્શિયમ એલ્જિનેટ (કેલ્શિયમ ક્લોરાઇડ સાથે સોડિયમ એલ્જિનેટ દ્રાવણ અને ઉત્સેચક દ્રાવણના મિશ્રણ દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે). આ પીએચ અથવા તાપમાન જેવી પરિસ્થિતિઓમાં ફેરફારો સામે વધેલો પ્રતિકાર પ્રદાન કરી શકે છે. તે ઉત્સેચકોને સમગ્ર પ્રતિક્રિયા દરમિયાન સ્થાને રાખવામાં પણ મદદ કરે છે, જેના પછી તેઓ સરળતાથી ઉત્પાદનોથી અલગ થઈ જાય છે અને ફરીથી તેનો ઉપયોગ કરી શકાય છે-એક વધુ કાર્યક્ષમ પ્રક્રિયા અને તેથી એન્ઝાઇમ ઉત્પ્રેરિત પ્રતિક્રિયાઓ માટે ઉદ્યોગમાં તેનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. એન્ઝાઇમ સ્થિરીકરણનો વિકલ્પ સંપૂર્ણ કોષ સ્થિરીકરણ છે. સ્થિર ઉત્સેચકોને સરળતાથી નિયંત્રિત કરી શકાય છે, ફક્ત તેમના ઉત્પાદનોથી અલગ કરી શકાય છે અને તેનો ફરીથી ઉપયોગ કરી શકાય છે. ઉત્સેચકો એ જૈવ-ઉત્પ્રેરક છે જે કોષોમાં રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓને સતત સંશોધિત કર્યા વિના, બગાડ્યા વિના અથવા રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓના સંતુલનની ખોટમાં પરિણમ્યા વિના વધારવામાં આવશ્યક ભૂમિકા ભજવે છે. ઉત્સેચકોની લાક્ષણિકતાઓ અત્યંત અનન્ય હોવા છતાં, પુનઃઉપયોગીતાના અભાવ, સ્થિરતા અને ઉત્પાદનના ઊંચા ખર્ચને કારણે ઉદ્યોગમાં તેમની ઉપયોગિતા મર્યાદિત છે. પ્રથમ કૃત્રિમ સ્થિર એન્ઝાઇમ 1950 ના દાયકામાં બનાવવામાં આવ્યું હતું, જે પોલિમરીક મેટ્રિક્સમાં એન્ઝાઇમના સમાવેશ દ્વારા અથવા વાહક પદાર્થો પર બંધન દ્વારા કરવામાં આવ્યું હતું. ક્રોસ-લિંકિંગ પ્રક્રિયા પણ એકલા પ્રોટીનના ક્રોસ-લિંકિંગ દ્વારા અથવા નિષ્ક્રિય સામગ્રીના ઉમેરા સાથે લાગુ કરવામાં આવી હતી. છેલ્લા દાયકામાં વિવિધ સ્થિરીકરણ પદ્ધતિઓ વિકસાવવામાં આવી છે. ઉદાહરણ તરીકે, ઉત્સેચકને અગાઉ સંશ્લેષિત વાહક સામગ્રી સાથે જોડવું એ અત્યાર સુધીની સૌથી વધુ પસંદ કરવામાં આવતી પદ્ધતિ છે. નવા, એન્ઝાઇમના સ્ફટિકોના ક્રોસ-લિંકિંગની પ્રક્રિયાને પણ એક ઉત્તેજક વિકલ્પ તરીકે ગણવામાં આવે છે. સ્થિર ઉત્સેચકોનો ઉપયોગ દર સતત વધી રહ્યો છે. કોઈપણ પ્રકારની સ્થિરીકરણ તકનીકો કરતા પહેલા, કેટલાક પરિબળોને ધ્યાનમાં રાખવા જોઈએ. સ્થિર થયા પછી ઉત્સેચક પરની રાસાયણિક અને ભૌતિક અસરોને સમજવી જરૂરી છે. એન્ટ્રેપમેન્ટ પછી એન્ઝાઇમની માઇક્રોએન્વાયરમેન્ટ પરિસ્થિતિઓમાં ફેરફારો, સહાયક સામગ્રી જોડાણ અથવા ઉદાહરણ તરીકે એન્ઝાઇમેટિક ક્રિયાઓના ઉત્પાદનોને કારણે એન્ઝાઇમ સ્થિરતા અને ગતિશીલ લાક્ષણિકતાઓમાં ફેરફાર થઈ શકે છે. વધુમાં, કાર્યાત્મક ઉત્સેચક રાખવા માટે સ્થિર થતાં પહેલાં ઉત્સેચકની તૃતીય માળખું જાળવવાનું વિચારવું મહત્વપૂર્ણ છે. તેવી જ રીતે, ઉત્સેચકની કાર્યક્ષમતા માટે અન્ય નિર્ણાયક સ્થળ સક્રિય-સ્થળ છે, જે સ્થિર થવા માટે જ્યારે ઉત્સેચકને સપાટી સાથે જોડવામાં આવે છે ત્યારે પણ જાળવવું જોઈએ, સપાટી/સામગ્રીના જોડાણ માટે પસંદગીયુક્ત પદ્ધતિ હોવી આવશ્યક છે જેથી તે સ્થિર, પરંતુ નિષ્ક્રિય ઉત્સેચક સાથે સમાપ્ત ન થાય. પરિણામે, કાર્યાત્મક સ્થિર ઉત્સેચકોના ઉત્પાદન માટે ત્રણ પાયાના પરિબળો વિશે વિચારવું જોઈએઃ સ્થિરિકરણ પસંદગી, પરિસ્થિતિઓ અને સ્થિરતાની પદ્ધતિઓને ટેકો આપે છે. સહાયક સામગ્રી આદર્શ બનવા માટે, તે હાઇડ્રોફિલિક, ઉત્સેચકો તરફ નિષ્ક્રિય, બાયોકોમ્પેટિબલ, માઇક્રોબાયલ એટેક અને સંકોચન પ્રતિરોધક હોવી જોઈએ, અને સસ્તું હોવું જોઈએ. સહાયક સામગ્રી કાર્બનિક અથવા અકાર્બનિક, કૃત્રિમ અથવા કુદરતી (રચનાના આધારે) હોઈ શકે છે, કારણ કે તે અંતે બાયોમટેરિયલ પ્રકારો છે. તમામ ઉત્સેચકોના સ્થિરીકરણ માટે ઉપયોગમાં લેવા માટે કોઈ સાર્વત્રિક પ્રકારની સહાયક સામગ્રી નથી. જો કે, સિલિકા-આધારિત વાહક, એક્રેલિક રેઝિન, કૃત્રિમ પોલિમર, સક્રિય પટલ અને વિનિમય રેઝિન જેવા કેટલાક સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા આધારો છે. સ્થિરકરણ પ્રક્રિયા પહેલાં સૌથી મુશ્કેલ પ્રક્રિયાઓમાંની એક, સહાયક સામગ્રીની પસંદગી છે કારણ કે તે ઉત્સેચકના પ્રકાર, માધ્યમોની પ્રતિક્રિયા, હાઇડ્રોડાયનેમિકની સલામતી નીતિ અને પ્રતિક્રિયાની સ્થિતિ પર આધાર રાખે છે. જેમ કે વિવિધ પ્રકારના આધાર વિવિધ ભૌતિક અને રાસાયણિક લાક્ષણિકતાઓ અને ગુણધર્મો આપે છે, જે એન્ઝાઇમ કાર્યને અસર કરશે, જેમ કેઃ હાઇડ્રોફિલિસિટી/હાઇડ્રોફોબિસિટી, સપાટીનું રસાયણશાસ્ત્ર અને છિદ્રોના કદ. પદ્ધતિઓ ઉત્સેચકોને ભૌતિક અથવા રાસાયણિક પદ્ધતિઓ દ્વારા સ્થિર કરી શકાય છે, જેમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છેઃ ભૌતિક શોષણ રિવર્સિબલ સ્થિરીકરણ માટેની એક સીધી પદ્ધતિ છે, જેમાં ઉત્સેચકોને સહાયક પદાર્થ પર શારીરિક રીતે શોષવામાં આવે છે અથવા જોડવામાં આવે છે. એડ્સોર્પ્શન નબળા બિન-વિશિષ્ટ બળો દ્વારા થઈ શકે છે, જેમ કે વેન ડેર વાલ્સ, હાઇડ્રોજન બોન્ડ્સ અને હાઇડ્રોફોબિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ, જ્યારે આયનીય બંધનમાં ઉત્સેચકો મીઠાના જોડાણ દ્વારા બંધાયેલા હોય છે. કાચ, એલ્જિનેટ મણકા અથવા મેટ્રિક્સ પર શોષણઃ ઉત્સેચક નિષ્ક્રિય સામગ્રીની બહારથી જોડાયેલ હોય છે. સામાન્ય રીતે, આ પદ્ધતિ અહીં સૂચિબદ્ધ પદ્ધતિઓમાં સૌથી ધીમી છે. શોષણ એ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા ન હોવાથી, સ્થિર ઉત્સેચકની સક્રિય જગ્યા મેટ્રિક્સ અથવા મણકા દ્વારા અવરોધિત થઈ શકે છે, જે ઉત્સેચકની પ્રવૃત્તિને મોટા પ્રમાણમાં ઘટાડે છે. એન્ટ્રાપમેન્ટ આ એક અપરિવર્તનીય ભૌતિક સ્થિરીકરણ તકનીક છે જેને ચોક્કસ વિસ્તાર/જગ્યામાં ઉત્સેચકના ભૌતિક પ્રતિબંધ તરીકે ગણી શકાય. તેનો ઉપયોગ યાંત્રિક સ્થિરતા વધારવા માટે થઈ શકે છે અને તેનો ઉપયોગ ઉત્સેચકોની લીચિંગ ઘટનાઓને ઘટાડવા માટે પણ થઈ શકે છે. આ પ્રક્રિયામાં એન્ઝાઇમ સહાયક તંતુઓ/જાળીના પોલિમર/સામગ્રી સાથે રાસાયણિક રીતે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતું નથી, તેથી તે સમય જતાં વિકૃતિકરણથી સુરક્ષિત રહે છે. મૂળભૂત રીતે, આ ઉત્સેચક અદ્રાવ્ય મણકા અથવા કેલ્શિયમ એલ્જિનેટ મણકા જેવા સૂક્ષ્મ ગોળાઓમાં ફસાયેલું હોય છે. જો કે, આ અદ્રાવ્ય પદાર્થો સબસ્ટ્રેટના આગમન અને ઉત્પાદનોની બહાર નીકળવામાં અવરોધ ઊભો કરે છે. રાસાયણિક ક્રોસ-લિંકિંગ ક્રોસ-લિંકેજઃ અન્ય અપરિવર્તનીય પદ્ધતિ જેમાં ઉત્સેચક અણુઓના જોડાણ માટે સહાયક સામગ્રીની જરૂર નથી. આ તકનીકમાં, ઉત્સેચકોના અણુઓ એકબીજા સાથે સહસંયોજક રીતે બંધાયેલા હોય છે, જે લગભગ માત્ર ઉત્સેચકોનો બનેલો મેટ્રિક્સ બનાવે છે. પ્રતિક્રિયા એ સુનિશ્ચિત કરે છે કે બંધનકર્તા સ્થળ ઉત્સેચકના સક્રિય સ્થળને આવરી લેતું નથી, ઉત્સેચકની પ્રવૃત્તિ માત્ર સ્થિરતા દ્વારા પ્રભાવિત થાય છે. જો કે, સહસંયોજક બંધની લવચીકતા કેમો-શોષિત સ્વ-એસેમ્બલ મોનોલેયર્સ દ્વારા પ્રદર્શિત સ્વ-ઉપચાર ગુણધર્મોને અટકાવે છે. પોલી (ઇથિલિન ગ્લાયકોલ) જેવા સ્પેસર અણુનો ઉપયોગ આ કિસ્સામાં સબસ્ટ્રેટ દ્વારા સ્ટેરિક અવરોધ ઘટાડવામાં મદદ કરે છે. સહસંયોજક બંધન ઉત્સેચક એક અદ્રાવ્ય આધાર (જેમ કે સિલિકા જેલ અથવા ઇપોક્સાઇડ જૂથો સાથે મેક્રોપોરસ પોલિમર મણકા) સાથે સહસંયોજક રીતે બંધાયેલ છે. આ અભિગમ સૌથી મજબૂત એન્ઝાઇમ/સહાયક ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પ્રદાન કરે છે, અને તેથી ઉત્પ્રેરણ દરમિયાન પ્રોટીનનું સૌથી ઓછું લિકેજ થાય છે. એન્ઝાઇમ સહસંયોજક રીતે બંધાયેલ હોવાની પ્રવૃત્તિ ઘણા પરિબળો પર આધારિત છે જેમાં વાહક સામગ્રીનો આકાર અને કદ, જોડાણ પદ્ધતિનો પ્રકાર, વાહક સામગ્રીની રચના અને જોડાણની વિશેષ શરતો સામેલ છે. એફિનિટી-ટેગ બંધન એ ભૌતિક અને રાસાયણિક પદ્ધતિઓનું સંયોજન કરતી એક સ્થિર પદ્ધતિ છે જ્યાં ઉત્સેચકો સપાટી પર સ્થિર થઈ શકે છે, દા. ત. બિન-સહસંયોજક અથવા સહસંયોજક પ્રોટીન ટેગનો ઉપયોગ કરીને છિદ્રાળુ સામગ્રીમાં. આ ટેકનોલોજી પ્રોટીન શુદ્ધિકરણ હેતુઓ માટે સ્થાપિત કરવામાં આવી છે. આ તકનીક સામાન્ય રીતે લાગુ પડે છે, અને પરિણામે શુદ્ધ તૈયારી સાથે પૂર્વ એન્ઝાઇમ શુદ્ધિકરણ વિના કરી શકાય છે. છિદ્રાળુ કાચ અને તેના વ્યુત્પન્નોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જ્યાં છિદ્રાળુ સપાટીને હાઇડ્રોફોબિસિટીની દ્રષ્ટિએ પ્રશ્નમાં એન્ઝાઇમને અનુરૂપ કરી શકાય છે. રેન્ડમ વિરુદ્ધ સાઇટ-નિર્દેશિત બાયોટેકનોલોજીકલ મહત્વના અસંખ્ય ઉત્સેચકો રેન્ડમ મલ્ટીપોઈન્ટ જોડાણ દ્વારા વિવિધ આધારો (અકાર્બનિક, કાર્બનિક, સંયુક્ત અને નેનોમેટેરિયલ) પર સ્થિર કરવામાં આવ્યા છે. જો કે, રેન્ડમ રાસાયણિક ફેરફાર દ્વારા સ્થિરીકરણ વિજાતીય પ્રોટીન વસ્તીમાં પરિણમે છે જ્યાં પ્રોટીનમાં હાજર એક કરતાં વધુ બાજુની સાંકળો (એમિનો, કાર્બોક્સિલ, થિયોલ વગેરે) સક્રિય સાઇટ પર સબસ્ટ્રેટની પહોંચના પ્રતિબંધને કારણે પ્રવૃત્તિમાં સંભવિત ઘટાડા સાથે આધાર સાથે જોડાયેલી હોય છે. તેનાથી વિપરીત, સાઇટ-નિર્દેશિત એન્ઝાઇમ સ્થિરીકરણમાં, આધારને સક્રિય-સાઇટથી દૂર પ્રોટીન અણુમાં એક ચોક્કસ એમિનો એસિડ (સામાન્ય રીતે એન-અથવા સી-ટર્મિનિ) સાથે જોડી શકાય છે. આ રીતે સક્રિય સાઇટ પર સબસ્ટ્રેટની મુક્ત પહોંચને કારણે મહત્તમ એન્ઝાઇમ પ્રવૃત્તિ જાળવી રાખવામાં આવે છે. આ વ્યૂહરચનાઓ મુખ્યત્વે રાસાયણિક હોય છે પરંતુ આધાર અને ઉત્સેચક પર કાર્યાત્મક જૂથો (જે પ્રોટીનમાં ગેરહાજર હોય છે) પેદા કરવા માટે આનુવંશિક અને ઉત્સેચકીય પદ્ધતિઓની પણ જરૂર પડી શકે છે. એસ. ડી. સી. એમ. પદ્ધતિની પસંદગી ઘણા પરિબળો પર આધાર રાખે છે, જેમ કે એન્ઝાઇમના પ્રકાર (ઓછા સ્થિર સાયક્રોફિલિક અથવા વધુ સ્થિર થર્મોફિલિક હોમોલોગ), એન્ઝાઇમની પી. એચ. સ્થિરતા, રીએજન્ટમાં એન-અથવા સી-ટર્મિનિની ઉપલબ્ધતા, એન્ઝાઇમ પ્રવૃત્તિ સાથે એન્ઝાઇમ ટર્મિનસનું બિન-હસ્તક્ષેપ, ઉત્પ્રેરક એમિનો એસિડ અવશેષોનો પ્રકાર, ઉપલબ્ધતા, કિંમત અને રીએજન્ટ્સની તૈયારીની સરળતા. ઉદાહરણ તરીકે, આધાર અને ઉત્સેચક પર પૂરક ક્લિક કરી શકાય તેવી કાર્યક્ષમતાઓ (એલ્કાઇન અને એઝાઇડ) નું નિર્માણ એ સ્થળ-નિર્દેશિત રાસાયણિક ફેરફાર દ્વારા ઉત્સેચકોને સ્થિર કરવા માટેની સૌથી અનુકૂળ રીત છે. સબસ્ટ્રેટ સ્થિરીકરણ ઉત્સેચકો સાથે મળીને સ્થિરીકરણ અભિગમની અન્ય વ્યાપક રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી એપ્લિકેશન સ્થિર સબસ્ટ્રેટ્સ પર ઉત્સેચકીય પ્રતિક્રિયાઓ છે. આ અભિગમ ઉત્સેચકોની પ્રવૃત્તિઓના વિશ્લેષણને સરળ બનાવે છે અને ઉત્સેચકોની કામગીરીની નકલ કરે છે. કોષ દિવાલો. વાણિજ્યિક ઉપયોગ સ્થિર ઉત્સેચકોના મહત્વપૂર્ણ ઉપયોગો છે કારણ કે તેઓ ખર્ચ ઘટાડે છે અને તેઓ ઉત્પ્રેરિત કરે છે તે પ્રતિક્રિયાના પરિણામમાં સુધારો કરે છે. ફાયદાઓમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છેઃ સગવડ પ્રતિક્રિયામાં પ્રોટીનની ઓછી માત્રા ઓગળી જાય છે, તેથી વર્કઅપ વધુ સરળ બની શકે છે. પૂર્ણ થયા પછી, પ્રતિક્રિયા મિશ્રણમાં સામાન્ય રીતે માત્ર દ્રાવક અને પ્રતિક્રિયા ઉત્પાદનો હોય છે. અર્થતંત્ર સ્થિર એન્ઝાઇમને પ્રતિક્રિયામાંથી સરળતાથી દૂર કરવામાં આવે છે જે બાયોકેટાલિસ્ટને રિસાયકલ કરવાનું સરળ બનાવે છે. આ ખાસ કરીને લેક્ટોઝ મુક્ત દૂધના ઉત્પાદન જેવી પ્રક્રિયાઓમાં ઉપયોગી છે, કારણ કે એન્ઝાઇમ (લેક્ટેઝ) ને આગામી બેચ માટે તૈયાર રાખીને કન્ટેનરમાંથી દૂધ કાઢી શકાય છે. સ્થિરતા સ્થિર ઉત્સેચકો સામાન્ય રીતે ઉત્સેચકોના દ્રાવ્ય સ્વરૂપ કરતાં વધુ થર્મલ અને કાર્યકારી સ્થિરતા ધરાવે છે. ભૂતકાળમાં, જૈવિક ધોવાના પાવડર અને ડિટર્જન્ટમાં ઘણા પ્રોટીઝ અને લિપેઝ હતા જે ગંદકીને તોડી નાખે છે. જો કે, જ્યારે સફાઈ ઉત્પાદનો માનવ ત્વચાનો સંપર્ક કરે છે, ત્યારે તેઓ એલર્જીક પ્રતિક્રિયાઓ પેદા કરે છે. આ જ કારણ છે કે ઘણા ઉપયોગ ક્ષેત્રો માટે ઉત્સેચકોનું સ્થિરીકરણ મહત્વપૂર્ણ છે. સ્થિર ઉત્સેચકોનો ઉપયોગ વિવિધ ઉપયોગોમાં થાય છે જેમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છેઃ ખોરાક, રાસાયણિક, ફાર્માસ્યુટિકલ અને તબીબી ઉદ્યોગ. ઉદાહરણ તરીકે, ખાદ્ય ઉદ્યોગમાં, સ્થિર ઉત્સેચકોનો ઉપયોગ વિવિધ પ્રકારના શૂન્ય-કેલરી મીઠાઈઓના ઉત્પાદન માટે થાય છે, દાખલા તરીકે એલ્યુલોઝ એ ફ્રુક્ટોઝનું એપીમર છે, જે માળખાકીય રીતે અલગ છે, પરિણામે જ્યારે તેનું સેવન કરવામાં આવે ત્યારે તે માનવ શરીર દ્વારા શોષી શકાતું નથી. સ્થિર-ઉત્સેચક-આધારિત મીઠાંના અન્ય ઉદાહરણોમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છેઃ ટેગાટોઝ (સ્થિર β-ગેલેક્ટોસિડેઝ). રાસાયણિક (સૌંદર્ય પ્રસાધનો) ઉદ્યોગમાં પણ, સ્થિર ઉત્સેચકોનો ઉપયોગ સ્થિર કેલબી ઉત્સેચકનો ઉપયોગ કરીને નિષ્ક્રિય એસ્ટરના ઉત્પાદન માટે થાય છે. આવી પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરનારી પ્રથમ કંપની 2000માં ઇવોનિક કંપની હતી. લિપેઝ-કેલબી ઉત્સેચક તેની સ્થિર સ્થિતિમાં વાસ્તવમાં ઓડાનાકાતિબ અને સોફોસ્બુવીરના ઉત્પાદન માટે અન્ય ફાર્માસ્યુટિકલ કાર્યક્રમોમાં વપરાય છે. સંદર્ભો ઉત્સેચકો કાર્બનિક રસાયણશાસ્ત્ર સ્ટીરિયોકેમિસ્ટ્રી ઔદ્યોગિક ઉત્સેચકો