Vi præsenterer her, en protokol for at syntetisere bioinspired silica materialer og immobilisere enzymer deri. Silica er syntetiseret ved at kombinere natriumsilicat og en Amin ‘additiv’, som neutraliserer på en kontrolleret hastighed. Materialeegenskaber og funktion kan ændres i situ enzym immobilisering eller post syntetiske syre eluering af indkapslede tilsætningsstoffer.
Målet med de protokoller, der er beskrevet heri er at syntetisere bioinspired silica materialer, udføre enzym indkapsling deri, og delvist eller helt rense det samme ved syre eluering. Ved at kombinere natriumsilicat med en Polyfunktionelle bioinspired tilsætningsstof, dannes silica hurtigt på omgivelsesforholdene ved neutralisering.
Effekten af neutralisering sats og biomolekyle tilføjelse punkt på silica udbytte er undersøgt, og biomolekyle immobilisering effektivitet er rapporteret for varierende tilføjelse punkt. I modsætning til andre porøse silica syntese metoder, er det vist, at de milde betingelser for bioinspired silica syntese er fuldt kompatible med indkapsling af sarte biomolekyler. Derudover bruges milde betingelser på tværs af alle syntese og modifikation trin, hvilket gør bioinspired silica et lovende mål for opskalering og kommercialisering som både nøgne materiale og aktiv støtte medium.
Syntesen er vist sig at være meget følsom over for betingelser, dvs., neutralisering sats og endelige syntese pH, men stram kontrol over disse parametre er påvist ved hjælp af auto titrering metoder, hvilket fører til høj reproducerbarhed i reaktion progression pathway og udbytte.
Bioinspired silica er derfor en fremragende aktive materielle support valg, viser alsidighed mod mange aktuelle programmer, ikke begrænset til dem, der demonstrerede her, og styrken i fremtidige anvendelser.
Brug af silica som en strukturel støtte for industrielle katalysatorer er veletableret, giver mulighed for forbedrede katalysator aktivitet, stabilitet og processability,1 dermed potentielt reducere den driftsomkostninger. Disse fordele forværres for enzymet immobilisering, som oplagring inden for en silica pore system kan give betydelige fordele på enzymet levetid over dens gratis modstykke. I overensstemmelse hermed, meget indsats har udnyttet i at finde den bedste metode til at knytte enzymer til silica arter, med flere anmeldelser sammenligne undersøgelser ved hjælp af forskellige metoder til immobilisering på kiselholdige solid understøtter. 2 , 3 , 4
Enzymer er typisk knyttet via physisorption eller kovalent binding, ud over indkapsling i et porøst materiale. 5 men der er betydelige ulemper relateret til hver metode: physisorption afhængig af forbigående overflade interaktioner mellem silica og biomolekyle, som meget let kan blive svækket reaktionsbetingelser fører til det uacceptable enzym udvaskning. Den meget stærkere kovalente vedhæftede resulterer normalt i lavere aktivitet på grund af den reducerede konformationelle frihed af den aktive arter. Indkapsling kan resultere i reducerede aktivitet af enzymet utilgængelighed eller diffusional begrænsninger. 6
Den seneste udvikling i feltet af mildere (ofte døbt ‘ bioinspired’) silica synteser har etableret i situ -indkapsling af biomolekyler og andre aktive arter under den materielle syntese. 7 , 8 , 9 denne metode negerer mange af ulemperne ved konventionelle immobilisering – i modsætning til chemisorption tilgange konformationelle frihed af biomolekyle vedligeholdes ved hjælp af svagere noncovalent interaktioner, men som pore hulrum former omkring biomolekyle, udvaskning er stadig forhindret. Indkapsling er blevet påvist for at arbejde for en vifte af biomolekyler og endda hele celler,10 , og gennem indkapsling i bioinspired silica effekter såsom deaktivering på grund af barske proces betingelser kan undgås. 7 , 11
Målet med den metode beskrevet heri er at forberede en porøs silica med kontrollerbare egenskaber, omgivende betingelser, ved hjælp af en bioinspired organiske additiv. Metoden kan let ændres til at omfatte indkapsling af enten uorganiske eller bioorganisk molekyler, et udvalg af hvilke opføres. Yderligere viser vi en letkøbt metode til at ændre de som frembragt materialer for at opnå ønskede bulk egenskaber og rensning ved at fjerne skabelonen organisk gennem syre eluering.
I forhold til den traditionelle syntese af skabelonbaserede porøse silica understøtter (fxsilica materialer skabelonbaserede gennem Supramolekylær overfladeaktivt forsamlinger som MCM-41 eller SBA-15)12 denne metode er betydeligt hurtigere og mildere, aktivering skræddersyet, i situ indkapsling uden behov for talrige immobilisering trin og besværlige rensning. Desuden åbner brug af syre eluering snarere end kalcinering muligheden for økologisk overflade functionalization.
Denne metode er meget gælder for dem, der arbejder i aktive arter immobilisering, der har fundet physisorption eller kovalent immobilisering at være ineffektive. Det er også nyttigt for dem forske proces skala-up som bioinspired syntese er unikt positioneret for industrialisering i forhold til konventionelle skabelonbaserede silica materialer. 13 , 14 denne metode ikke er anbefalet til anvendelser, der kræver en ordnet række porer inden for den materielle f.eks.,for fotonik, som den materielle struktur er uorganiseret trods nogen lighed i bulk egenskaber.
I den nuværende arbejde præsenterer vi en metode til hurtigt fældningen bioinspired silica materialer og indkapsling af biomolekyler deri. Vi demonstrere kritiske faser i proceduren, nemlig mængden reaktion-indlede syre tilføjes, og tidsplanen for tilføjelsen af biomolekyle encapsulant. Vi viser effekten af syre tilføjelse beløb på både reaktion progression og udbytte (figur 4 og figur 5, henholdsvis), og demonstrerede en metode for stram kontrol over syntese betingelser, giver mulighed for konsistens trods denne følsomhed. Vedrørende aktive arter indkapsling, selvom ligetil med hensyn til procedure, indkapsling er vist sig at være følsomme over for betingelserne for eksperimentet (rækkefølgen af tilsætning, pH af tilsætning, miljøforhold), men sammenhængen i materiale egenskaber er igen opnåelige.
Syntese betingelser kan ændres ved hjælp af forskellige tilsætningsstoffer, hvoraf mange har været offentliggjort andetsteds,15 giver en række morfologier og glasårer. Yderligere, efter syntetiske teknikker til at ændre og kemisk skræddersy bioinspired silica materialer er blevet rapporteret som mild rensning13 og overflade Amin dekoration. 20 endelig, på grund af den milde, vandige karakter af syntesen, i situ indkapsling er muligt for en bredere vifte af substrater end de viste her, lige fra enzymer17,18 til hele celler,21 metal salte,22 aktive farmaceutiske ingredienser,23 og quantum dots. 24
I modsætning til andre økologiske-medieret silica synteser (såsom MCM-41 eller SBA-15 familien af materialer) bestilt Polyfunktionelle arten af bioinspired tilsætningsstoffer ikke kan producere pore strukturer, eller meget monodisperse partikelstørrelse distributioner karakteristisk for Stöber-type silica. 25 dette er på grund af manglende veldefinerede micellization opførsel af bioinspired tilsætningsstoffer (uden for særlige tilfælde)26 kombineret med deres øgede katalytisk aktivitet over monofunctional Amin-holdige tilsætningsstoffer. 26
På den anden side, muliggør denne Polyfunktionelle additive natur brug af kortere reaktionstider og mildere temperatur og tryk i forhold til andre økologiske-medieret silica synteser. Dette fører også til muligheden for stuetemperatur tilsætningsstof eluering som beskrevet ovenfor, som endnu ikke opnås for disse andre silica familier på grund af detaljerne i deres overfladekemi. 27 , 28 , 29 derfor bioinspired silica materialer har vist sig at være både mere økonomisk og praktisk at producere på en større skala, fører til lettere kommercialisering og udvikling. 14
Sammenfattende repræsenterer bioinspired silica syntese en hurtig, facile metode til fremstilling af aktive arter understøtter eller gas sorptionsmiddel medier. Gennem streng kontrol af pH under og efter reaktionen, kan en bred vifte af silica-Amin kompositter syntetiseres med varierende egenskaber, som yderligere suppleres af muligheden for i situ indkapsling af en række forskellige organiske, uorganiske, eller bio-organiske materialer. Uafhængige post syntetiske modifikation af bioinspired tilsætningsstof og encapsulant koncentration har endnu skal opnås, repræsenterer metoderne et lovende skridt i retning af miljøvenlige kemiske processer.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke den finansielle støtte fra Institut kemiske og biologiske Engineering (universitetet i Sheffield) og EPSRC (EP/L017059/1 og P006892-EP-1).
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 |