نانو زیست‏ کاتالیست ها

در حقیقت دنیای نانو زیست‏ کاتالیست‏ها به بررسی و مطالعه عملکرد آنزیم‏ها در محیط‏ یا ساختار‏های نانو می‏پردازد. از جمله نانو ساختارهای استفاده شده می توان به محیط های نانو متخلخل، نانوفیبرها، نانولوله های کربن و نانوذرات اشاره نمود که این محیط‎‏ ها کارایی مناسب و متنوعی را در تعداد زیادی از زمینه‏ های کاتالیستی دارا می باشد. به همین منظور سعی شده تا در این مقاله به موضوعاتی مانند ساختار آنزیم ها، اجزای ساختاری، نحوه عمل‏کرد آنزیم ها، نحوه تثبیت کردن آنزیم ها اشاره شود و همچنین به معرفی روشهای تثبیت کاتالیست ها در نانوذرات از پرداخته شده است.  

1- مقدمه
آنزیم ها کاتالیزورهایی هستند که سرعت واکنش های بیوشیمیایی را در سلولهای زنده افزایش می دهند. از این رو آنها را کاتالیزورهای حیاتی (Bio catalyst) گویند. آنزیم ها به عنوان کاتالیزورهای سبز در شیمی اهمیت پیدا کرده اند. مزایای استفاده از آنزیم ها در مقایسه با کاتالیست های شیمیایی عبارتند از: گزینش پذیری بالا در مخلوط پیچیده، خلوص بالای محصولات و عدم تولید محصول جانبی، شرایط ملایم واکنش، هزینه تولید پایین محصول، و انتخاب گری خاص
دنیای نانو زیست‏کاتالیست‏ها به بررسی و مطالعه عملکرد آنزیم‏ها در محیط‏ یا ساختار‏های نانو می‏پردازد.

2 - ساختار آنزیم ها
آنزیم ها پروتئین هایی هستند که واکنش بیولوژیکی درون سلول زنده را کاتالیز می نمایند. ساختار آنزیم ها مانند سایر پروتئین ها از ترتیب  با توالی مختلف 20 نوع اسید آمینه تشکیل شده است. در واقع پروتئین ها آنزیم های خطی می‏باشند که در آن آمینواسیدها به صورت متوالی از طریق پیوند پپتیدی به هم متصل شده اند. همچنین این دسته ترکیبات زیستی دارای جرم مولکولی نسبتا بالایی هستند و با وجود زنجیر طولانی جهت کاهش فضای اشغال شده در خود پیچ و تاب خورده‏اند.

3 -  نحوه عمل آنزیم ها
خواص کاتالیتیکی آنزیم ها قبل از شناخت ساختار آنها مورد توجه قرار گرفته است. در حیطه شیمی آلی، آنزیم ها کاتالیست های قدرتمندی برای انجام واکنش های فضا گزین (Streoselective) و مکان گزین (Regioselective) هستند. آنزیم ها مانند هر کاتالیست دیگری در شیمی عمل می کنند. یعنی تغییری در انرژی آزاد ایجاد نمی کنند. بلکه مانند سایر کاتالیست های شیمی، یا منجر به تغییر مکانیسم انجام واکنش خواهند شد و یا غلظت موثر ماده اولیه را از طریق پیش‌تغلیظ آن بر سایت های فعال خود افزایش می دهند. یعنی انرژی فعال سازی کل واکنش را کم می کنند.
در بررسی عملکرد کاتالیستی آنزیم ها بایستی اینگونه بیان نمود که آن‏ها از طریق سایت‏های فعال خود به ماده اولیه از طریق پیوندهای غیرکوالانسی (Noncovalent) متصل خواهند شد. این نوع اتصال از طریق پیوندهای هیدروژنی، برهم کنش های دوقطبی-دوقطبی، نیروهای واندروالسی، برهم کنش پای (π)، اثرات هیدروفوبیک و برهم کنش های الکتروستاتیک به آن متصل می شود. در همه این برهمکنش‏ها، واکنش های آنزیمی در طی سه مرحله کلی شامل ثابت شدن ماده اولیه بر روی آنزیم، انجام واکنش و در نهایت جداسازی محصول یا محصولات می‏باشد که در زیر به آن اشاره شده است.

3-1 ثابت شدن ماده اولیه روی آنزیم
"سایت فعال" به موقعیت خاص درون آنزیم، که ماده اولیه در آن قرار گرفته و عمل کاتالیز شدن در آنجا انجام می شود اطلاق می شود. سایت فعال آنزیم مانند یک شکاف عمل می نماید. این سایت ماده اولیه خاص و مورد نظر خود را شناسایی کرده و به صورت گزینشی واکنش مربوط به آن گروه از مواد را کاتالیز می کند. در بیان ساده تر می‏توان کارکرد آنزیم و مواد اولیه را به یک مدل قفل و کلیدتشبیه نمود که با ورود ماده اولیه به سایت فعال آنزیم، واکنش مورد نظر انجام می گیرد (شکل 1).

3-2- انجام واکنش
با توجه به نوع واکنش و قابلیت آنزیم مانند اکسید و احیا و هیدرولیز، واکنش در زمان مشخصی انجام شده و واکنشگر از سطح آنزیم جدا می‏گردد. (شکل 1)
3-3- جداسازی محصول یا محصولات
در شکل 1 این مرحله به خوبی نشان داده شده است.

شکل1- نحوه عمل آنزیم ها 

4 - انواع آنزیم ها و نامگذاری آنها
به طور کلی آنزیم‏ها با توجه به نوع واکنش خاصی که کاتالیز می کنند نامگذاری می‏شوند و برا همین اساس به شش دسته به شرح زیر طبقه بندی شده‏اند.
4-1 اکسیدورداکتازها (Oxidoreductase)
این دسته از آنزیم ها واکنش های اکسید و احیا را کاتالیست می کنند.
4-1-1دهیدروژناز (Dehydrogenase): انتقال هیدرید
4-1-2 پراکسیداز (Peroxidase): انتقال الکترون به پراکسیدها
4-1-3 اکسیژناز(Oxygenase): انتقال الکترون از مولکول اکسیژن
4-2 ترانسفرازها (Transferase)
انتقال گروههای عاملی را انجام می دهند. اکثر آن‏ها به حضور کوآنزیم نیاز مند هستند و یک قسمت از مولکول اولیه (پیش ماده) به آنزیم یا کوآنزیم آن به صورت کووالانسی متصل می شود.

4-3 هیدرولازها (Hydrolase):
این دسته از آنزیم ها واکنش های هیدرولیز را کاتالیز می کنند. دسته ای از ترانسفرازها هستند که در آن آب به عنوان گیرنده گروه منتقل شده عمل می کند. بسته به نوع پیوندی که می شکنند به پروتئاز، آمیلازها، آسیلازها، لیپازها و استرازها تقسیم بندی می شوند.

4-4 لیازها (Lyase):
واکنش های حذفی غیراکسنده و غیرهیدرولیتیک را کاتالیز می کنند. همچنین علاوه بر واکنش حذفی می‏توانند شکست ماده اولیه یا تولید پیوند دوگانه را نیز انجام دهند. به بیان دیگر واکنش های حذفی برای تولید پیوند دوگانه را کاتالیز می کنند. همچنین لیاز می تواند افزایش یک گونه به پیوند دوگانه در ماده اولیه را کاتالیز نماید که این نوع لیاز "سیتاز" نامیده می شود.

4-5 ایزومرازها (Isomerase)
واکنش های ایزومریزاسیون را کاتالیز می کنند. چون این دسته واکنش ها ماده اولیه و محصول یکی هستند ساده ترین واکنش های آنزیمی را شامل می شوند.

4-6 لیگازها(Ligase)
اتصال دو ماده اولیه را کاتالیز می کنند. در این واکنش ها انرژی پتانسیل شیمیایی به صورت یک نوکلئوزید تری فسفات یا ATP خارج می شوند. لیگازها تحت سینتتاز هم نامیده می شوند.

5- اجزای ساختاری آنزیم
آنزیم نیاز به مولکول های افزودنی دارند که به عملکرد آنها کمک می کنند. این مولکول ها از جنس پروتئین نبوده و کوآنزیم یا کوفاکتور نامیده می شوند. کوآنزیم معمولا یک مولکول آلی کوچک و کوفاکتور یون های معدنی می باشند. کوآنزیم یا کوفاکتور به فعالیت کاتالیتیکی آنزیم کمک می کند. کوفاکتورها از طریق حمله نوکلئوفیلی یا الکتروفیلی به ماده اولیه واکنش را آغاز می کننند. به بخش پروتئینی آنزیم بدون کوفاکتور، آپوآنزیم گویند.
عوامل محیطی مختلفی عمل آنزیم را تحت تاثیر قرار می دهد:
دما: سرعت حرکت مولکولی را افزایش می دهد. همچنین میتواند باعث تغییر شکل آنزیم شود. افزایش دما بیش از حد خاص فعالیت بیولوژیکی آنزیم را از بین برده و آنزیم غیر فعال می شود. هر آنزیم با توجه به ساختار خود یک دمای بهینه دارد.
pH: ساختار سه بعدی آنزیم دارای زنجیرهای جانبی زیادی است که یون هیدروژن با آنها پیوند داده است. پس شکل بهینه آنزیم از طریق تعداد یون های هیدروژن متصل شده به آن مشخص می شود. در نتیجه هر آنزیم در یک pH مشخص فعال می باشد.

6-منبع آنزیم ها
آنزیم ها در سلول های گیاهان، جانوران یا میکروارگانیسم ها سنتز می شوند. آنزیم ها می توانند از منابع میکروبی (سلول های یوکاریوت و پروکاریوت که به راحتی در محیط کشت رشد کرده در مقیاس وسیع تهیه می شوند، باکتری ها، قارچ ها و کپک ها) گیاهی یا حیوانی بدست آیند. بیش از 90 درصد آنزیم ها از تخمیر میکروارگانیسم ها به دست می آیند.

7-تثبیت نمودن آنزیم (Immobilization)
از مزایای تثبیت نمودن آنزیم می توان به تکرار پذیری و استفاده مکرر ، جداسازی بهتر و راحت‏تر آنزیم از مواد اولیه، افزایش سطح تماس آنزیم با مواد اولیه، جلوگیری از تجمع آنزیم ، افزایش پایداری ساختار سه بعدی و جلوگیری ازغیر فعال شدن فعالیت آنزیم در شرایط محیطی مانند دما و pH بالا و یا حضور اکسیدان‏ها اشاره کرد.
اما تثبیت کردن آنزیم بر روی بستر معایبی نیز به همراه خواهد داشت که از جمله آنها می‏توان به قیمت بالای حامل، کاهش راندمان پیوند پروتئین یاد کرد. در این روش احتمال کاهش فعالیت آنزیم به دلیل تغییرات شیمیایی پروتئین، ممانعت فضایی و محدودیت انتقال جرم نیز وجود دارد. همچنین نسبت آنزیم به نگهدارنده به 5 تا 10 درصد وزنی خواهد بود که این مقدار موجب کاهش فعالیت کاتالیتیکی آنزیم می گردد.

7-1 روش های تثبت نمودن آنزیم بر بستر
7-1-1 جذب غیرکوالانسی آنزیم روی بستر
در این روش پروتئین و سطح جامد به صورت غیرکووالانسی و برگشت پذیر پیوند می دهند. این پیوندها شامل پیوندهای قوی یونی و هیدروژنی تا پیوندهای ضعیف تر واندروالسی و برهمکنش های آب‌گریز می باشد. اگر پیوند بین آنزیم و بستر خیلی ضعیف باشد ساختار نوع سوم آنزیم نسبت به محلول پایداری کمتری دارد و میتوان با تغییر pH آنزیم جذب شده را از سطح بستر جدا کرد. در این روش می‏توان آنزیم خراب شده را با آنزیم سالم روی بستر تعویض نمود که یک مزیت به شمار می‏آید. همچنین اگر فرایند اتصال به صورت گزینشی روی سطح بستر انجام شود تثبیت کردن می تواند روش مناسبی برای خالص سازی آنزیم باشد (شکل 2).

شکل 2- جذب غیرکوالانسی آنزیم روی بستر

7-2-2 اتصال کووالانسی آنزیم بروی بستر جامد
این پیوند کووالانسی بین باقیمانده زنجیر جانبی آمینو اسید آنزیم و گروه های فعال سطح بستر انجام می شود و به دلیل پیوند کووالانسی قوی زیست کاتالیست با بسترهای ناهمگن پایداری زیادی خواهند داشت. (شکل 3)

شکل 3- برهم کنش بین انزیم و سطح نانوفیبر [2]

7-2-3- به دام افتادن آنزیم در ژل پلیمری غشا یا کپسول (Encapsulation)
در این روش آنزیم یا کل سلول به صورت فیزیکی در یک پلیمر به دام انداخته می‏شود. اما در این روش محدودیت نفوذ (Diffusion Limitation) وجود دارد. ژل های پلی آکریل آمید و پلی آکریلات که هیدروفیل‏های مناسبی می باشند توانایی به دام اندازی آنزیم ها را دارند. شایان ذکر است در مورد کپسوله شدن، پروتئین با دیواره کپسول برهمکنش کووالانسی ندارد (شکل 4).

شکل 4 -به دام افتادن آنزیم در ژل پلیمری غشا یا کپسول

7-4- اتصال متقاطع آنزیم به ماده ای با چند گروه عاملی (Crosslinking)
در این روش اتصال متقاطع شیمیایی بدون افزایش حامل بی اثر یا ماتریکس انجام می شود. معمولا جامد بی شکل با کارایی مکانیکی و فعالیت پایین از آنزیم تولید می‌گردد که این به عنوان یک محدودیت برای این روش معرفی می‏شود. به همین دلیل استفاده از این روش زیاد متداول نیست (شکل 5).

شکل 5 -اتصال متقاطع آنزیم به ماده ای با چند گروه عاملی

7-2- عوامل موثر در فرایند تثبیت کردن

7-2-1 انتقال جرم (Mass Transfer)
این اثر به معنی انتقال مواد اولیه به کاتالیزور آنزیمی و جدا شدن محصولات ماتریکس از کاتالیزور می باشد و به طور معمول دو نوع انتقال جرم درونی و بیرونی خواهیم داشت. در انتقال جرم درونی، ماده اولیه درون سوراخ های ماتریکس به دام می‏افتد در حالی که در انتقال جرم بیرونی، مواد اولیه از محلول اولیه به سطح آنزیم تثبیت شده متصل خواهند شد. در هر حال انتقال جرم باعث کاهش فعالیت کلی کاتالیزور می شود.

7-2-2 تقسیم (Partition)
تقسیم یعنی چه مقدار از مواد اولیه، محصولات و فلزات بین آنزیم ناهمگن و محلول اولیه پخش شده اند.

8- روش‏های جدید تثبیت کردن آنزیم
در عمل تثبیت کردن علاوه بر روش های بیان شده که دارای معایبی چون: قیمت بالای حامل، غیرفعال شدن پروتئین در اثر اتصال، نفوذ محدود ماده اولیه و غیر فعال شدن آن می باشند، روش های جدیدی ابداع و معرفی شده اند که بطور خلاصه در زیر ارائه شده است.

8-1 کریستال های آنزیم با اتصال متقاطع
در این روش یک ماده اولیه با چند گروه عاملی که توانایی اتصال متقاطع را دارد به درون کریستال پروتئین افزوده می شود. در این حالت هر مولکول آنزیم با مولکول آنزیم دیگر اتصال متقاطع داده به این معنی که آنزیم هر دو نقش کاتالیست و حامل را ایفا می‏کند. پس در این روش پروتئین اول باید کریستاله شود و برای هر آنزیم یک روش کریستاله کردن خاص وجود دارد.

8-2 سل- ژل
در این روش یک ژل سیلیکا از آنزیم تهیه می شود.

8-3 پلیمرهای هوشمند
پلیمر با تغییر یکی از پارامترهای محیطی مثل pH، قدرت یونی یا دما به صورت محلول در می-آید. در حالت کلی آنزیم های تثبیت شده غیر محلول هستند.

9 - رو شهای تثبیت آنزیم ها بر نانوذرات
9-1- به دام انداختن نانو
به دام انداختن نانو (Nanoentrapment) با استفاده از سیستم میکروامولسیون آب در روغن، که منجر به جدا شدن نانوذرات از میان پلیمر در فاز آبی-روغن یا فاز آبی می‏شود روش متداولی برای تهیه نانوذرات حاوی آنزیم است. اما یکی از معایب این روش کنترل اندازه ذرات میسل معکوس ایجاد شده است. در سال 2003 روش سنتزی جدیدی تحت عنوان نانوذرات آنزیمی واحد گزارش شد. روش سنتزی نانوذرات آنزیمی واحد سه مرحله می باشد: الف) سطح آنزیم توسط آکریلیشن در آب بهینه می شود. ب) پلیمر وینیل از سطح آنزیم رشد می کند. ج) زنجیره پلیمری تحت پلیمریزاسیون ارتوگونال متصل می شود.
در شکل 6 روش های مختلف برای به دام انداختن استفاده می شود آورده شده است.

شکل 6 روش های مختلف برای به دام انداختن آنزیم [2]

در شکل 6 روش a روش های به دام انداز نانو آنزیم ها آورده شده است i-روش استفاده میسل معکوس بدون تشکیل هیچ پیوند کوالانسی بین آنزیم و کره به دام انداز ii-شامل دو قسمت در ابتدا پلیمر بروی سطح آنزیم و سپس دنباله های پلیمری به همدیگر متصل می شوند. روش b به صورت شماتیک پایداری آنزیم برای سنتز نانوذرات آنزیمی واحد i- در غیاب میسل معکوس، هر مولکول آنزیم جفت یون می شود با با تعداد کمی مولکول های سورفکتانت که دارای بار مخالف با سطح آنزیم هستند. ii-مانع از قرار گرفتن سطح آنزیم با حلال آلی می شود. مولکول های آنزیم به صورت میسل وارونه توسط آب احاطه می شوند.
9-2 کشتی در بطری (Ship-in-a-bottle)
روش کشتی در بطری (Ship-in-a-bottle) روشی برای تثبیت آنزیم ها در محیط نانو ذرات با ساختار گردن-بطری می باشد. در شکل a7 تصویر TEM مزوپروس سیلیکا نشان داده شده است در قسمت b اولین مرحله از این روش جذب آنزیم برروی سطح نانوپروس می باشد که با اتصال آنزیم ها به همدیگر همراه است.

شکل 7 - روش تثبیت آنزیم کشتی در بطری (Ship-in-a-bottle)و [2]

10- نتیجه گیری

نانو زیست‏ کاتالیستها در واقع وارد کردن آنزیم ها در داخل ساختارهای نانو می باشد. آنزیم ها پروتئین هایی هستند که واکنش بیولوژیکی درون سلول زنده را کاتالیز می کنند. در این مقاله راجع به آنزیم ها ساختار و نام گذاری آنها و همچنین در مورد روش های تثبیت کردن آنزیم ها و معایب و مزایا آن بحث شد. همچنین روش های تثبیت آنزیم ها برروی نانوذرات نیز اشاره شد.

منابـــــع :

• 1. Enzyme catalysis in organic synthesis, A comprehensive handbook Drauz, K.; Waldmann, H. Vol. I& II, Wiley-VCH, 2001.
• 2. Kim, J., Grate, J. W., Wang,Ping.” Nanobiocatalysis and its potential Applications” Trends in Biotechnology, Vol.26, No, 11, pp.639-646 (2008).

• 1 - خدیجه حاجی بابایی (نویسنده اول) - دکتری تخصصی - شیمی - دانشگاه اصفهان دانشکده علوم گروه شیمی گروه شیمی آلی
• 2 - امیر لندرانی اصفهانی^* (نویسنده مسئول) - دکتری تخصصی - نانوشیمی - دانشگاه اصفهان دانشکده شیمی