ここでは、バイオインスパイアード シリカ材料を合成し、そこに酵素を固定化するためのプロトコルを提案する.シリカは、一定の速度で中和するケイ酸ナトリウムとアミン添加物’ を組み合わせることによって合成されます。その場で酵素固定化またはカプセル化された添加物の合成後の酸の溶出によって材料特性と機能を変更できます。
ここ記載されているプロトコルの目的は、バイオインスパイアード シリカ材料を合成し、そこに酵素カプセル化を実行、部分的または完全に酸の溶出によって同じを浄化です。添加物多官能性材料とケイ酸ナトリウムを組み合わせて、シリカは中和に周囲条件下で急速に形成されます。
シリカ収量に及ぼす中性化速度と生体分子の付加ポイントを調べた、付加ポイントを変えるための生体分子固定化効率を報告します。他の多孔質シリカの合成方法と対照をなしてバイオインスパイアード シリカ合成に必要な温和な条件が完全に繊細な生体分子のカプセル化と互換性があることを示します。また、温和な条件はベア材とアクティブ サポート媒体の両方としてバイオインスパイアード シリカ スケール アップと商品化のための有望なターゲットを作るすべての合成および変更手順の間で使用されます。
合成を示すことと、条件、すなわち中和率、最終的な合成の ph 値、高感度で再現性の高いにつながる自動滴定方法を使用してこれらのパラメーター制御を実証するただしタイト反応の進行経路と収量。
したがって、バイオインスパイアード シリカは将来のアプリケーションに多くの紹介、それらに限定されない、現在のアプリケーションと効力への汎用性を示す、優れたアクティブ材料サポート選択です。
工業用触媒の構造サポートとしてシリカの使用は確立され、改良された触媒活性、安定性、加工性、可能性のある運用のコストを減らし1を可能にします。これらの利点は酵素固定化の場合合成シリカ細孔システム内のストレージは無料対応で酵素寿命に大きなメリットを授けることができます。したがって、シリカ種を酵素をアタッチする珪質固体支持固定化のさまざまな方法を使用して調査を比較する複数のレビューにする最善の方法を見つけることに多くの努力が注がれてきました。2,3,4
酵素は通常、物理吸着または多孔質材料内でカプセル化に加えて、共有結合を介して接続されています。5は、それぞれの方法に関連する重要な欠点: シリカと生体分子は、受け入れにつながる反応条件によって弱体化することができます非常に簡単に一時的な表面の相互作用に依存している物理吸着酵素の溶出。通常多くの強力な共有結合の活性種の減少の立体配座自由のため低活性の結果します。カプセル化は、酵素の到達不能または拡散の制限による削減活動で起因できます。6
穏やかな (多くの場合と呼ばれる ‘ 生’) シリカ合成の分野の最近の進歩は、材料の合成の際に生体分子と他の活性種の場でカプセルを確立しています。7,8,9このメソッドは従来固定の欠点の多くを否定 – 周辺孔窩洞の形態として弱い noncovalent 相互作用の使用によって吸着のアプローチとは異なり、生体分子の立体配座の自由を維持生体分子、溶出はまだできません。確かに、カプセル化タンパク質とも全体の細胞、10の範囲で動作するように実証されている、過酷なプロセスにより非アクティブ化などバイオインスパイアード シリカの効果でカプセル化を通じて条件を避けることができます。7,11
記載方法の目標は、バイオインスパイアード有機添加剤を使用して、ポーラスシリカ周囲条件下での制御可能なプロパティを持つを準備することです。メソッドは、カプセル化の選択を示さなければならない無機または有機分子を含むように簡単に変更できます。さらに有機酸の溶出テンプレートを削除することによって必要なバルク特性と浄化を達成するために、合成材料を変更する簡便な合成法を示します。
このメソッドはかなりより速くより穏やかを有効にするテンプレートの多孔質シリカ サポート (例えば、シリカ材料 MCM 41 や SBA 15 のような超分子界面活性剤アセンブリを介して)12の伝統的な合成と比較してください。合わせて、多数の固定の手順と骨の折れる浄化を必要とせずその場でカプセル化します。さらに、焼成ではなく、酸溶出の使用は、有機表面機能化の可能性を開きます。
このメソッドは、高い吸着を発見した活性種の固定化や効果を発揮する共有結合固定化でこれらの作業に適用されます。また、それらの生合成は、従来のテンプレート化されたシリカ材料と比較して工業化の地の利が、プロセスのスケール アップの研究の役に立つです。13,14フォトニクス材料の構造として、材料など孔の配列を必要とするアプリケーションのためこのメソッドお勧めしませんが不規則で一括プロパティの任意の類似性にもかかわらず。
現在の仕事、急速にそこにバイオインスパイアード シリカ材料と生体分子のカプセル化の沈殿のため手法を提案します。我々 は、追加する反応を開始する酸と生体分子の封止材の添加のタイミングの量すなわちプロシージャ内で重要な手順を示します。反応の進行と収量の両方に酸添加量の効果を示す (図 4および図 5、それぞれ)、合成条件、この感度にもかかわらず一貫性を可能にする制御を厳しく法を実証。活性種のカプセル化に関するがプロシージャの面で簡単ですカプセル化が表示されます (さらに、さらに、環境条件の pH の順序)、実験の条件に敏感であるためただし、材料の一貫性プロパティは達成可能なもう一度です。
15形態と気孔率の範囲を提供する多くの他の場所で公開されている、別の添加物を使用して合成条件を変更できます。さらに、ポスト合成テクニックを変更し、バイオインスパイアード シリカ材料を化学的に調整は、穏やかな浄化13やアミンの装飾など報告されています。20最後に、合成の穏やかな、水溶液の性質のためその場でカプセル化より、ここで示します酵素17,18から21全細胞に至るまで幅広い基板金属塩、22医薬品原、23と量子ドット。24
(材料の MCM 41 または SBA 15 家族) など他の有機性シリカの合成とは異なり添加物を作り出すことができない生の多官能性性質を命じた細孔構造も高い単分散粒子径分布Stöber 型シリカの特性。25これは生 (特別な場合) 外添加物26の明確に定義されたミセル形成挙動の不足とつながれる増加触媒活性単アミン含有添加剤を。26
その一方で、この多官能性添加物の性質は、短い反応時間と穏やかな温度と圧力の他の有機性シリカの合成と比較して使用できます。これも可能性につながる、室温添加溶出前述のように、まだこれらシリカの他の家族具体的のため、表面の化学反応を達成する必要があります。27,28,29その結果、バイオインスパイアード シリカ材料示されている両方より経済的で簡単に実用化と開発につながる大規模で生産する実用的。14
要約すると、バイオインスパイアード シリカ合成活性種をサポートまたはガス吸着メディアを製造する急速な安易な方法を表します。PH と反応後のタイトなコントロールを介してシリカ アミン複合材料の広い配列合成できるさまざまなプロパティを持つその場でカプセル化の異なる配列の有機の可能性をさらに引き立てています。無機、またはバイオ有機材料。添加材料と封止材濃度の独立後合成修正はまだ達成するのに、これらのメソッドは環境調和型の化学プロセスに向けた確実な一歩を表します。
The authors have nothing to disclose.
著者は、化学科、生物工学 (シェフィールドの大学)、EPSRC (EP/L017059/1 および EP/P006892/1) から金融サポートをありがとうございます。
Silica synthesis | |||
Sodium silicate pentahydrate | Fisher scientific | 10070470 | |
Pentaethylene hexamine (PEHA) | Sigma-Aldrich | 292753 | |
Diethylenetriamine (DETA) | Sigma-Aldrich | D93856 | Toxic |
Triethylenetetraamine (TETA) | Sigma-Aldrich | 90460 | |
Poly(ethyleneimine) (PEI) | Polysciences | 6088 | 1.2K MW |
Poly(allylamine hydrochloride) (PAH) | Sigma-Aldrich | 283215 | 17.5k MW |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A2153 | |
Hydrochloric acid (HCl) 1M | Fisher Scientific | 10487830 | |
Silicomolybdic acid assay | |||
Ammonium molybdate tetrahydrate | Sigma-Aldrich | A7302 | Product replaced by M1019 |
Hydrochloric acid (HCl) 37.0%wt | Fluka Analytical | 84436 | |
Anhydrous oxalic acid | Sigma-Aldrich | 75688 | |
Para-aminophenol sulphate | Fisher Scientific | 10446880 | |
Sodium sulphite | Fisher Scientific | 10234400 | |
Sulphuric acid | Sigma-Aldrich | 84727 | |
Bradford assay | |||
Bradford reagent | Sigma-Aldrich | B6916 | |
Equipment | |||
Autotitrator Titrando 902 | Metrohm | 2.902.0010 | |
801 magnetic stirrer plate | Metrohm | 2.801.0040 | For use with above |
800 Dosino | Metrohm | 2.800.0010 | For use with above |
Aquatrode Plus | Metrohm | 6.0253.100 | For use with above |
Centrifuge Sorvall ST16 | Thermo Scientific | 11814243 | Code is for Fisher scientific |
UV-Vis spectrophotometer Genesys 10A | Thermo scientific | 12104972 | Code is for Fisher scientific |