Bioinspired silica immobilization of enzymes with R5 peptide

Die Immobilisierung von Enzymen auf einen festen Träger wie Silizium verbessert die Stabilität, Aktivität und ermöglicht Recycling. Zur Silizium Immobilisierung wird das verbreitete Sol-Gel-Verfahren unter harten Bedingungen verwendet. Ein bioinspirierter Ansatz ermöglicht dies, unter milden physiologischen Bedingungen in vitro unter Verwendung von aus Kieselalgen abgeleiteten Silaffinen. Viele chemische Strategien mit dem Silaffin R5 Peptid wurden beschrieben, aber um Limitierungen wie Enzymverluste und schlechte Beladung zu überwinden, wurden Ansätze mit Fusionsproteinen mit dem R5 Peptid erzeugt. Diese Ansätze verwendeten meist sauer hydrolysiertes TMOS und zeigten verbesserte Beladungen und beibehaltende Enzymaktivitäten. Wir schufen einen Satz von Vektoren mit R5- Fusionsproteinen und integrierten den positiv geladenen Zbasic-Tag, um die Bindung von Proteinen gegenüber dem präzipitierten Silizium zu verbessern; Kontrolle waren His-getaggte Proteine. Die hohe Geschwindigkeit der Kieselsäurebildung von TMOS führte zu einer ungewollten Hydrogelbildung; durch den Einsatz von TEOS wurde das gewünschte Präzipitat gebildet. Verschiedene Bedingungen zeigten unterschiedliche Bindungsstärken des Proteins zum Silizium. Die stabilste Verkapselung wurde unter alkalischer Herstellung von Kieselsäure aus TEOS mit Zbasic-Tag und R5 Peptid gebildet. Saure Kieselsäureherstellung bildete Hydrogel, während unter alkalischen Bedingungen sich monodisperse Partikel mit einer mittleren Größe von 13 m formten. Durch Variation der Protein oder Kieselsäurekonzentration kann die Proteinbeladung der erzeugten Partikel kontrolliert werden, wodurch Biokatalysatoren mit der gewünschten Proteinbeladung erzeugt werden können. Die erfolgreiche Umschichtung von synthetischen Silizium Beads und erzeugten Silizium Partikeln wurde mit zwei verschiedenen fluoreszierenden Proteinen untersucht. Die Enzyme OsCGT, GmSuSy und SuSyAc wurden immobilisiert und zeigten Aktivität.Immobilization of enzymes on a solid support like silica can improve stability, activity and enables recycling and is an advantage for efficient industrial applications. For silica immobilization the widely used sol-gel process uses harsh conditions. A bioinspired approach allows silica precipitation under mild physiological conditions in vitro by using silaffin peptides derived from diatoms. Several chemical strategies using the silaffin, R5 peptide, have been reported but to overcome limitations like enzyme leakage and poor loading efficiency genetic approaches of fusion proteins with the R5 peptide were created. These approaches generated silica precipitation mostly from acidic hydrolysed TMOS showing promising loading efficiencies and retained enzyme activities. We created a set of vectors of R5-tagged fusion proteins and incorporated the positive loaded Zbasic-Tag to improve the binding affinity of proteins towards precipitated silica; as control His-tagged protein was used. But the high velocity of the silicic acid formation of TMOS led to unintentional hydrogel formation and so by switching the precursor to TEOS the desired precipitate formed. Different encapsulation conditions showed varying attachment strength of protein to the silica matrix. The most stable encapsulation was formed under alkaline conditions of preparation of silicic acid from TEOS with Zbasic-Tag and R5 peptide. Acidic preparation of silicic acid formed hydrogel whereas under alkaline preparation monodispersed particles with a mean size of 13 m formed. By varying the protein or the silicic acid concentration, the protein loading of produced particles can be controlled which allows the creation of biocatalysts with desired protein loading. Successful shielding of synthetic silica beads and processed silica beads with two different fluorescent proteins was examined. The enzymes OsCGT, GmSuSy and SuSyAc were then immobilized and showed activity.Caronline Schablehner, BScKarl-Franzens-Universität Graz, Masterarbeit, 2017(VLID)175058