Immobilized enzyme
एक स्थिर एंजाइम एक एंजाइम है, जिसमें सीमित गतिशीलता होती है, जो एक निष्क्रिय, अघुलनशील सामग्री से जुड़ा होता है-जैसे कि कैल्शियम एल्जिनेट (सोडियम एल्जिनेट घोल और कैल्शियम क्लोराइड के साथ एंजाइम घोल के मिश्रण से उत्पन्न)। यह पी. एच. या तापमान जैसी स्थितियों में परिवर्तन के लिए प्रतिरोध प्रदान कर सकता है। यह एंजाइमों को पूरी प्रतिक्रिया के दौरान जगह पर रखने देता है, जिसके बाद उन्हें आसानी से उत्पादों से अलग किया जाता है और फिर से उपयोग किया जा सकता है-एक कहीं अधिक कुशल प्रक्रिया और इसलिए एंजाइम उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं के लिए उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। एंजाइम स्थिरीकरण का एक विकल्प संपूर्ण कोशिका स्थिरीकरण है। स्थिर एंजाइमों को आसानी से संभाला जा सकता है, बस उनके उत्पादों से अलग किया जा सकता है, और उनका पुनः उपयोग किया जा सकता है। एंजाइम जैव-उत्प्रेरक होते हैं जो कोशिकाओं में रासायनिक प्रतिक्रियाओं को बढ़ाने में एक आवश्यक भूमिका निभाते हैं, बिना लगातार संशोधित किए, बर्बाद किए, और न ही रासायनिक प्रतिक्रियाओं के संतुलन के नुकसान के परिणामस्वरूप। हालांकि एंजाइमों की विशेषताएँ बेहद अनूठी हैं, फिर भी पुनः उपयोग की कमी, स्थिरता और उत्पादन की उच्च लागत के कारण उद्योग में उनकी उपयोगिता सीमित है। पहला सिंथेटिक स्थिर एंजाइम 1950 के दशक में बनाया गया था, जिसे पॉलीमेरिक मैट्रिक्स में एंजाइम को शामिल करके या वाहक पदार्थों पर बांधकर किया गया था। इसके अलावा क्रॉस-लिंकिंग प्रक्रिया को अकेले प्रोटीन के क्रॉस-लिंकिंग या निष्क्रिय सामग्री के जोड़ के साथ लागू किया गया था। पिछले दशक में स्थिरीकरण के विभिन्न तरीके विकसित किए गए हैं। उदाहरण के लिए एंजाइम को पहले से संश्लेषित वाहक सामग्री से जोड़ना अब तक की सबसे पसंदीदा विधि है। नए में, एंजाइम के क्रिस्टल के क्रॉस-लिंकिंग की प्रक्रिया को भी एक रोमांचक विकल्प माना जाता है। स्थिर एंजाइमों की उपयोग दर लगातार बढ़ रही है। विचार किसी भी प्रकार की स्थिरीकरण तकनीकों को करने से पहले, कुछ कारकों को ध्यान में रखना चाहिए। स्थिरीकरण के बाद एंजाइम पर रासायनिक और भौतिक प्रभावों को समझना आवश्यक है। एन्जाइम स्थिरता और गतिज विशेषताओं को प्रवेश के बाद एंजाइम की सूक्ष्म पर्यावरण स्थितियों में परिवर्तन, समर्थन सामग्री लगाव, या उदाहरण के लिए एंजाइमी क्रियाओं के उत्पादों के कारण बदला जा सकता है। इसके अतिरिक्त, एक कार्यात्मक एंजाइम होने के लिए स्थिर होने से पहले एक एंजाइम की तृतीयक संरचना को बनाए रखने पर विचार करना महत्वपूर्ण है। इसी तरह, एक एंजाइम की कार्यक्षमता के लिए एक अन्य महत्वपूर्ण स्थान सक्रिय-स्थल है, जिसे तब भी बनाए रखा जाना चाहिए जब एंजाइम को स्थिर करने के लिए एक सतह से जोड़ा जा रहा हो, सतह/सामग्री के लगाव के लिए एक चयनात्मक विधि होनी चाहिए ताकि एक स्थिर, लेकिन निष्क्रिय एंजाइम के साथ समाप्त न हो। नतीजतन, कार्यात्मक स्थिर एंजाइमों के उत्पादन के लिए तीन मूलभूत कारकों पर विचार किया जाना चाहिएः स्थिरीकरण चयन, स्थितियों और स्थिरीकरण के तरीकों का समर्थन करता है। समर्थन चयन एक आदर्श सहायक सामग्री के लिए, यह हाइड्रोफिलिक, एंजाइमों के प्रति निष्क्रिय, जैव-संगत, माइक्रोबियल हमला और संपीड़न प्रतिरोधी होना चाहिए, और किफायती होना चाहिए। सहायक सामग्री जैविक या अकार्बनिक, सिंथेटिक या प्राकृतिक (संरचना के आधार पर) हो सकती है, क्योंकि वे अंत में जैव सामग्री के प्रकार हैं। सभी एंजाइमों के स्थिरीकरण के लिए उपयोग की जाने वाली कोई सार्वभौमिक प्रकार की सहायक सामग्री नहीं है। हालांकि, कुछ सामान्य रूप से उपयोग किए जाने वाले आधार हैं जैसे कि सिलिका-आधारित वाहक, ऐक्रेलिक रेजिन, सिंथेटिक पॉलिमर, सक्रिय झिल्ली और विनिमय रेजिन। स्थिरीकरण प्रक्रिया से पहले सबसे कठिन प्रक्रियाओं में से एक, सहायक सामग्री का चयन है क्योंकि यह एंजाइम के प्रकार, मीडिया की प्रतिक्रिया, हाइड्रोडायनामिक की सुरक्षा नीति और प्रतिक्रिया स्थितियों पर निर्भर करता है। चूंकि विभिन्न प्रकार के समर्थन विभिन्न भौतिक और रासायनिक विशेषताओं और गुणों को देते हैं, जो एंजाइम कार्य को प्रभावित करेंगे, जैसे किः हाइड्रोफिलिसिटी/हाइड्रोफोबिसिटी, सतह रसायन विज्ञान और छिद्र आकार। विधियाँ एंजाइमों को भौतिक या रासायनिक विधियों द्वारा स्थिर किया जा सकता है जिनमें शामिल हैंः भौतिक अवशोषण प्रतिवर्ती स्थिरीकरण के लिए एक सीधी विधि, जिसमें एंजाइमों को किसी सहायक पदार्थ पर शारीरिक रूप से अवशोषित या संलग्न किया जाता है। अवशोषण कमजोर गैर-विशिष्ट बलों के माध्यम से हो सकता है, जैसे कि वैन डेर वाल्स, हाइड्रोजन बॉन्ड और हाइड्रोफोबिक इंटरैक्शन, जबकि आयनिक बंधन में एंजाइम नमक संबंधों के माध्यम से बंधे होते हैं। कांच, एल्जिनेट मोती या मैट्रिक्स पर अवशोषणः एंजाइम एक निष्क्रिय सामग्री के बाहर से जुड़ा होता है। सामान्य तौर पर, यह विधि यहाँ सूचीबद्ध लोगों में सबसे धीमी है। चूँकि अधिशोषण एक रासायनिक प्रतिक्रिया नहीं है, इसलिए स्थिर एंजाइम की सक्रिय साइट को मैट्रिक्स या मनका द्वारा अवरुद्ध किया जा सकता है, जिससे एंजाइम की गतिविधि बहुत कम हो जाती है। प्रवेश यह एक अपरिवर्तनीय भौतिक स्थिरीकरण तकनीक है जिसे एक निर्दिष्ट क्षेत्र/स्थान में एंजाइम के भौतिक प्रतिबंध के रूप में माना जा सकता है। इसका उपयोग यांत्रिक स्थिरता बढ़ाने के लिए किया जा सकता है और इसका उपयोग एंजाइमों के रिसाव की घटनाओं को कम करने के लिए भी किया जा सकता है। चूँकि इस प्रक्रिया में एंजाइम सहायक तंतुओं/जाली के बहुलक/सामग्री के साथ रासायनिक रूप से बातचीत नहीं करता है, इसलिए यह समय के साथ विकृतीकरण से सुरक्षित रहता है। मूल रूप से, एंजाइम अघुलनशील मोतियों या सूक्ष्म क्षेत्रों, जैसे कि कैल्शियम एल्जिनेट मोतियों में फंस जाता है। हालांकि, ये अघुलनशील पदार्थ सब्सट्रेट के आगमन और उत्पादों के बाहर निकलने में बाधा डालते हैं। रासायनिक क्रॉस-लिंकिंग क्रॉस-लिंकेजः एक अन्य अपरिवर्तनीय विधि जिसमें एंजाइम अणुओं के लगाव के लिए सहायक सामग्री की आवश्यकता नहीं होती है। इस तकनीक में, एंजाइमों के अणुओं को लगभग केवल एंजाइम से युक्त एक मैट्रिक्स बनाने के लिए एक दूसरे के साथ सहसंयोजक रूप से जोड़ा जाता है। प्रतिक्रिया यह सुनिश्चित करती है कि बंधन स्थल एंजाइम की सक्रिय साइट को कवर नहीं करता है, एंजाइम की गतिविधि केवल अस्थिरता से प्रभावित होती है। हालांकि, सहसंयोजक बंधनों की लचीलेपन कीमो-अवशोषित स्व-एकत्रित मोनोलेयर द्वारा प्रदर्शित स्व-उपचार गुणों को रोकता है। पॉली (एथिलीन ग्लाइकोल) जैसे स्पेसर अणु का उपयोग इस मामले में सब्सट्रेट द्वारा स्टेरिक बाधा को कम करने में मदद करता है। सहसंयोजक बंधन एंजाइम एक अघुलनशील आधार (जैसे सिलिका जेल या एपॉक्साइड समूहों के साथ मैक्रोपोरस बहुलक मोती) के साथ सहसंयोजक रूप से बंधा होता है। यह दृष्टिकोण सबसे मजबूत एंजाइम/समर्थन अंतःक्रिया प्रदान करता है, और इसलिए उत्प्रेरण के दौरान सबसे कम प्रोटीन रिसाव होता है। सहसंयोजक रूप से बंधे एंजाइम की गतिविधि कई कारकों पर निर्भर करती है जिनमें शामिल हैंः वाहक सामग्री का आकार और आकार, युग्मन विधि का प्रकार, वाहक सामग्री की संरचना और युग्मन विशेष स्थितियाँ। एफ़िनिटी-टैग बाइंडिंगः एक स्थिरीकरण विधि है जो भौतिक और रासायनिक विधियों को जोड़ती है जहां एंजाइमों को एक सतह पर स्थिर किया जा सकता है, जैसे। गैर-सहसंयोजक या सहसंयोजक प्रोटीन टैग का उपयोग करते हुए एक छिद्रपूर्ण सामग्री में। इस तकनीक को प्रोटीन शुद्धिकरण उद्देश्यों के लिए स्थापित किया गया है। यह तकनीक आम तौर पर लागू होती है, और इसके परिणामस्वरूप शुद्ध तैयारी के साथ पूर्व एंजाइम शुद्धिकरण के बिना किया जा सकता है। झरझरा कांच और उसके व्युत्पन्न का उपयोग किया जाता है, जहां झरझरा सतह को प्रश्न में एंजाइम के अनुरूप हाइड्रोफोबिसिटी के संदर्भ में अनुकूलित किया जा सकता है। यादृच्छिक बनाम स्थल-निर्देशित जैव प्रौद्योगिकी महत्व के कई एंजाइमों को यादृच्छिक बहु-बिंदु संलग्नक के माध्यम से विभिन्न आधारों (अकार्बनिक, कार्बनिक, समग्र और नैनोमटेरियल्स) पर स्थिर किया गया है। हालांकि, यादृच्छिक रासायनिक संशोधन के माध्यम से स्थिरीकरण के परिणामस्वरूप एक विषम प्रोटीन आबादी होती है जहां प्रोटीन में मौजूद एक से अधिक साइड चेन (एमिनो, कार्बोक्सिल, थियोल आदि) सक्रिय साइट पर सब्सट्रेट की पहुंच के प्रतिबंध के कारण गतिविधि में संभावित कमी के साथ समर्थन से जुड़े होते हैं। इसके विपरीत, साइट-निर्देशित एंजाइम स्थिरीकरण में, समर्थन को सक्रिय-साइट से दूर प्रोटीन अणु में एक एकल विशिष्ट अमीनो एसिड (आम तौर पर एन-या सी-टर्मिनल) से जोड़ा जा सकता है। इस तरह सक्रिय स्थल पर सब्सट्रेट की मुक्त पहुंच के कारण अधिकतम एंजाइम गतिविधि बनी रहती है। ये रणनीतियाँ मुख्य रूप से रासायनिक होती हैं लेकिन समर्थन और एंजाइम पर कार्यात्मक समूहों (जो प्रोटीन में अनुपस्थित होते हैं) को उत्पन्न करने के लिए अतिरिक्त रूप से आनुवंशिक और एंजाइमी तरीकों की आवश्यकता हो सकती है। एस. डी. सी. एम. विधि का चुनाव कई कारकों पर निर्भर करता है, जैसे कि एंजाइम का प्रकार (कम स्थिर साइकोफिलिक, या अधिक स्थिर थर्मोफिलिक होमोलॉग), एंजाइम की पी. एच. स्थिरता, अभिकर्मक के लिए एन-या सी-टर्मिनल की उपलब्धता, एंजाइम गतिविधि के साथ एंजाइम टर्मिनस का गैर-हस्तक्षेप, उत्प्रेरक एमिनो एसिड अवशेष का प्रकार, अभिकर्मकों की उपलब्धता, कीमत और तैयारी में आसानी। उदाहरण के लिए, समर्थन और एंजाइम पर पूरक क्लिक करने योग्य कार्यक्षमताओं (एल्काइन और एज़ाइड) का उत्पादन साइट-निर्देशित रासायनिक संशोधन के माध्यम से एंजाइमों को स्थिर करने के लिए सबसे सुविधाजनक तरीकों में से एक है। सबस्ट्रेट स्थिरीकरण एंजाइमों के साथ मिलकर स्थिरीकरण दृष्टिकोण का एक और व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला अनुप्रयोग स्थिरीकृत सब्सट्रेट पर एंजाइमेटिक प्रतिक्रियाएं रही हैं। यह दृष्टिकोण एंजाइम गतिविधियों के विश्लेषण की सुविधा प्रदान करता है और एंजाइमों के प्रदर्शन की नकल करता है जैसे कोशिका की दीवारें। वाणिज्यिक उपयोग स्थिर एंजाइमों के महत्वपूर्ण अनुप्रयोग उपयोग होते हैं क्योंकि वे लागत को कम करते हैं और उनके द्वारा उत्प्रेरित प्रतिक्रिया के परिणाम में सुधार करते हैं। लाभों में शामिल हैंः सुविधा प्रोटीन की कम मात्रा प्रतिक्रिया में घुल जाती है, इसलिए वर्कअप बहुत आसान हो सकता है। पूरा होने पर, प्रतिक्रिया मिश्रणों में आमतौर पर केवल विलायक और प्रतिक्रिया उत्पाद होते हैं। अर्थव्यवस्था स्थिर एंजाइम को प्रतिक्रिया से आसानी से हटा दिया जाता है जिससे जैव उत्प्रेरक का पुनर्चक्रण करना आसान हो जाता है। यह विशेष रूप से लैक्टोज मुक्त दूध के उत्पादन जैसी प्रक्रियाओं में उपयोगी है, क्योंकि दूध को अगले बैच के लिए तैयार एंजाइम (लैक्टेज) को अंदर छोड़ने वाले पात्र से निकाला जा सकता है। स्थिरता स्थिर एंजाइमों में आमतौर पर एंजाइम के घुलनशील रूप की तुलना में अधिक तापीय और परिचालन स्थिरता होती है। अतीत में, जैविक धुलाई पाउडर और डिटर्जेंट में कई प्रोटीज और लाइपेज होते थे जो गंदगी को तोड़ते थे। हालाँकि, जब सफाई उत्पादों ने मानव त्वचा से संपर्क किया, तो उन्होंने एलर्जी प्रतिक्रियाएँ पैदा कीं। यही कारण है कि कई अनुप्रयोग क्षेत्रों के लिए एंजाइमों का स्थिरीकरण महत्वपूर्ण है। स्थिर एंजाइमों का उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाता है जिनमें शामिल हैंः खाद्य, रासायनिक, औषधीय और चिकित्सा उद्योग। उदाहरण के लिए खाद्य उद्योग में, कई प्रकार के शून्य-कैलोरी मिठास के निर्माण के लिए स्थिर एंजाइमों का उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए एलुलोज फ्रुक्टोज का एक एपिमर है, जो संरचनात्मक रूप से अलग है, जिसके परिणामस्वरूप यह मानव शरीर द्वारा अवशोषित नहीं किया जा सकता है। स्थिर-एंजाइम-आधारित मिठास के एक अन्य उदाहरण में शामिल हैंः टैगाटोज (स्थिर β-गैलेक्टोसिडेस)। रासायनिक (सौंदर्य प्रसाधन) उद्योग में भी, स्थिर कैलबी एंजाइम का उपयोग करके निष्क्रिय एस्टर के उत्पादन के लिए स्थिर एंजाइमों का उपयोग किया जाता है। इस तरह की विधि का उपयोग करने वाली पहली कंपनी 2000 में इवोनिक कंपनी है। अपने स्थिर अवस्था में एंजाइम लाइपेज-कैलबी का उपयोग वास्तव में ओडानाकातिब और सोफोस्बुविर के उत्पादन के लिए अन्य दवा अनुप्रयोगों में किया जाता है। संदर्भ एंजाइम कार्बनिक रसायन स्टीरियोकेमिस्ट्री औद्योगिक एंजाइम