Una enzima inmovilizada es una enzima , con movilidad restringida, unida a un material inerte e insoluble, como el alginato de calcio (producido al hacer reaccionar una mezcla de solución de alginato de sodio y solución de enzima con cloruro de calcio ). Esto puede proporcionar una mayor resistencia a cambios en condiciones como el pH o la temperatura . También permite que las enzimas se mantengan en su lugar durante toda la reacción, después de lo cual se separan fácilmente de los productos y se pueden usar nuevamente: un proceso mucho más eficiente y, por lo tanto, se usa ampliamente en la industria para reacciones catalizadas por enzimas . Una alternativa a la inmovilización enzimática es la inmovilización de células completas . [1] [2] Las enzimas inmovilizadas son fáciles de manipular, simplemente se separan de sus productos y se pueden reutilizar. [3]
Las enzimas son biocatalizadores que desempeñan un papel esencial en la mejora de las reacciones químicas en las células sin modificarse ni desperdiciarse de forma persistente ni provocar la pérdida del equilibrio de las reacciones químicas. Aunque las características de las enzimas son extremadamente únicas, su utilidad en la industria es limitada debido a la falta de reutilización, estabilidad y alto costo de producción. [4]
La primera enzima inmovilizada sintética se fabricó en la década de 1950 y se realizó mediante la inclusión de la enzima en matrices poliméricas o su unión a sustancias portadoras. También se aplicó el procedimiento de reticulación mediante la reticulación de proteínas solas o junto con la adición de materiales inertes. [3] Durante la última década se han desarrollado varios métodos de inmovilización. La unión de la enzima a materiales portadores previamente sintetizados es, por ejemplo, el método más preferido hasta el momento. Recientemente, el procedimiento de reticulación de cristales de enzima también se considera un sustituto interesante. La tasa de utilización de enzimas inmovilizadas crece constantemente. [5]
Antes de realizar cualquier tipo de técnica de inmovilización conviene tener en cuenta algunos factores. Es necesario comprender los efectos químicos y físicos sobre una enzima después de su inmovilización. La estabilidad de la enzima y las características cinéticas pueden alterarse debido a cambios en las condiciones del microambiente de la enzima después del atrapamiento, la unión del material de soporte o productos de acciones enzimáticas, por ejemplo. Además, es importante considerar el mantenimiento de la estructura terciaria de una enzima antes de inmovilizarla para tener una enzima funcional. De manera similar, otro sitio crucial para la funcionalidad de una enzima es el sitio activo , que también debe mantenerse mientras la enzima se une a una superficie para su inmovilización; es imprescindible tener un método selectivo para la unión de la superficie/material a no terminar con una enzima inmovilizada, sino disfuncional. [3] En consecuencia, hay tres factores fundamentales a considerar para la producción de enzimas inmovilizadas funcionales: la inmovilización apoya la selección, las condiciones y los métodos de inmovilización. [6]
Para que un material de soporte sea ideal, debe ser hidrófilo , inerte a las enzimas, biocompatible , resistente al ataque microbiano y a la compresión, y debe ser asequible. [7] [8] Los materiales de soporte pueden ser orgánicos o inorgánicos, sintéticos o naturales (dependiendo de la composición), ya que al final son tipos de biomateriales . No existe un tipo universal de material de soporte que pueda usarse para la inmovilización de todas las enzimas. Sin embargo, existen algunos soportes comúnmente utilizados como portadores a base de sílice, resinas acrílicas , polímeros sintéticos , membranas activas y resinas de intercambio. [6] Uno de los procesos más difíciles antes del proceso de inmovilización en sí es la selección del material de soporte, ya que depende del tipo de enzima, la reacción del medio, la política de seguridad de las condiciones hidrodinámicas y de reacción. [3] [8] Dado que los diferentes tipos de soporte proporcionan diferentes características y propiedades físicas y químicas, que afectarían la función de la enzima, tales como: hidrofilicidad / hidrofobicidad , química de la superficie y tamaño de los poros.
Las enzimas pueden inmovilizarse mediante métodos físicos o químicos que incluyen:
Unión de etiquetas de afinidad: es un método de inmovilización que combina métodos físicos y químicos donde las enzimas pueden inmovilizarse en una superficie, por ejemplo, en un material poroso, utilizando etiquetas de proteínas covalentes o no covalentes . Esta tecnología se ha establecido con fines de purificación de proteínas. Esta técnica es la de aplicación general y se puede realizar sin purificación previa de enzimas obteniendo como resultado una preparación pura. Se utiliza vidrio poroso y sus derivados, cuya superficie porosa puede adaptarse en términos de hidrofobicidad a la enzima en cuestión. [9]
Se han inmovilizado numerosas enzimas de importancia biotecnológica en diversos soportes (inorgánicos, orgánicos, compuestos y nanomateriales) mediante una unión aleatoria multipunto. Sin embargo, la inmovilización mediante modificación química aleatoria da como resultado una población de proteínas heterogénea donde más de una cadena lateral (amino, carboxilo, tiol, etc.) presente en las proteínas está unida al soporte con una posible reducción de la actividad debido a la restricción del acceso del sustrato al sitio activo. . [12]
Por el contrario, en la inmovilización enzimática dirigida al sitio, el soporte puede unirse a un único aminoácido específico (generalmente extremos N o C) en una molécula de proteína alejada del sitio activo. De esta manera se retiene la máxima actividad enzimática debido al libre acceso del sustrato al sitio activo. Estas estrategias son principalmente químicas, pero pueden requerir además métodos genéticos y enzimáticos para generar grupos funcionales (que están ausentes en las proteínas) en el soporte y la enzima. [12]
La elección del método SDCM depende de muchos factores, como el tipo de enzima (psicrófila menos estable u homólogo termófilo más estable), la estabilidad del pH de la enzima, la disponibilidad de los extremos N o C del reactivo, la no interferencia de el extremo enzimático con la actividad enzimática, el tipo de residuo de aminoácido catalítico, la disponibilidad, el precio y la facilidad de preparación de los reactivos. Por ejemplo, la generación de funcionalidades complementarias en las que se puede hacer clic (alquino y azida) en el soporte y la enzima es una de las formas más convenientes de inmovilizar enzimas mediante modificación química dirigida al sitio. [13]
Otra aplicación ampliamente utilizada del enfoque de inmovilización junto con enzimas han sido las reacciones enzimáticas sobre sustratos inmovilizados. Este enfoque facilita el análisis de las actividades enzimáticas e imita el desempeño de las enzimas, por ejemplo, en las paredes celulares. [14]
Las enzimas inmovilizadas tienen importantes aplicaciones ya que reducen costos y mejoran el resultado de la reacción que catalizan. Las ventajas incluyen:
En el pasado, los detergentes y detergentes biológicos contenían muchas proteasas y lipasas que degradaban la suciedad. Sin embargo, cuando los productos de limpieza entraron en contacto con la piel humana, crearon reacciones alérgicas. Por este motivo, la inmovilización de enzimas es importante para muchos campos de aplicación.
Las enzimas inmovilizadas se utilizan en diversas aplicaciones, entre ellas: industria alimentaria, química, farmacéutica y médica. En la industria alimentaria, por ejemplo, las enzimas inmovilizadas se utilizan para la fabricación de varios tipos de edulcorantes sin calorías. La alulosa , por ejemplo, es un epímero de la fructosa , que tiene una estructura diferente, lo que hace que el cuerpo humano no la absorba cuando se ingiere. Otro ejemplo de edulcorantes a base de enzimas inmovilizadas incluye: Tagatosa ( β-galactosidasa inmovilizada ). [dieciséis]
También en la industria química (cosmética) se utilizan enzimas inmovilizadas para la producción de ésteres emolientes utilizando la enzima CalB inmovilizada. La primera empresa que utilizó este método fue la empresa Evonik en el año 2000. La enzima lipasa-CalB en su estado inmovilizado se utiliza actualmente en otras aplicaciones farmacéuticas para la producción de Odanacatib y Sofosbuvir . [dieciséis]