Desenvolvimento de metodologias para a imobilização e coimobilização de enzimas em nanopartículas magnéticas

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2016.Nanopartículas magnéticas como a magnetita (NPM) são materiais amplamente empregados na área de biotecnologia, incluindo a aplicação como suportes para a imobilização de enzimas. Neste trabalho foram sintetizadas NPMs modificadas superficialmente com lauril sulfato de sódio (SDS) através da coprecipitação dos íons de Fe2+/Fe3+ em duas etapas, sendo a primeira a precipitação da NPM com oxalato de amônio, seguida da substituição do ânion dicarboxílico do oxalato por SDS (NPM-SDS). As NPM-SDS foram caracterizadas através de difração de raios-x, espectroscopia de absorção no infravermelho por transformada de Fourier, microscopia de transmissão eletrônica, microscopia eletrônica de varredura, magnetização da amostra vibrante e determinação do potencial zeta. As NPM-SDS foram aplicadas como suporte para a imobilização e coimobilização de enzimas através dos métodos de adsorção, ligação covalente e entrecruzamento de ligações. A estratégia abordada de forma inédita baseou-se na adsorção da lipase de Thermomyces lanuginosus (TLL) na NPM-SDS seguido da modificação química dos grupos carboxílicos superficiais da TLL com etilenodiamina pelo método de acoplamento com 1-etil-3- (dimetilaminopropil) carbodiimida. Na segunda etapa o derivado aminado foi aplicado na coimobilização das enzimas ß-D-galactosidase de Kluyveromyces lactis (ßGal) através de adsorção e entrecruzamento de ligações com dextrano-aldeído e glutaraldeído. O derivado com a lipase aminada foi modificado com dextrano-aldeído e glutaraldeído e aplicados, na coimobilização da TLL e da a-quimotripsina de pâncreas bovino (QM) através de adsorção, ligação covalente e entrecruzamento de ligações com glutaraldeído. Todos os derivados coimobilizados apresentaram uma estabilidade operacional superior às enzimas na sua forma livre, frente às temperaturas e faixa de pH estudadas, com a TLL ativa mesmo após a desnaturação térmica das demais enzimas coimobilizadas. Os derivados mais estáveis foram obtidos com a TLL/ßGal coimobilizadas e entrecruzadas com glutaraldeído 0,5% (v/v) e da TLL/QM coimobilizadas no suporte aminado por adsorção iônica. A ßGal coimobilizada suportou temperaturas de até 80 °C retendo 56 % da atividade inicial após 13 h de incubação, enquanto a ßGal livre perdeu mais de 50 % de sua atividade após 2 h à 30°C. Já a QM teve a estabilidade térmica aumentada após a coimobilização, sendo estável à 50 °C com mais de 80 % de atividade recuperada, comparada com a enzima livre estável apenas até 30 °C.Abstract: Magnetic nanoparticles, such as magnetite (NPM), are widely used in biotechnology, including support for enzyme immobilization. In the present work NPM surface-modified with sodium lauryl sulfate (SDS) were synthesized by co-precipitation of Fe2+/Fe3+ ions. The methodology was carried in two steps, first, the precipitation of the NPM with ammonium oxalate, followed by the replacement of dicarboxylic anions, from oxalate, for lauryl sulfate groups (NPM SDS). The NPM-SDS were characterized by X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, transmission electron microscopy, scanning electron microscopy, magnetization of vibrating sample, and determination of the zeta potential. NPM-SDS nanoparticles were applied as support for the immobilization and co-immobilization of enzymes through adsorption, covalent, and cross-linking methods. The adopted strategy based on the adsorption of lipases present in Thermomyces lanuginosus (TLL) onto NPM-SDS, followed by, chemical amination of surface carboxylic groups from TLL with ethylenediamine by 1-ethyl-3-(dimethylamino-propyl) carbodiimide coupling method. Subsequently, the aminated derivative was applied on the co-immobilization of ß-D-galactosidase from Kluyveromyces lactis (ßGal), by adsorption and cross-linking with dextran-aldehyde and glutaraldehyde. The aminated derivate, with the modified lipase, was also modified with dextran-aldehyde and glutaraldehyde, thereafter, applied on the co-immobilization of a-chymotrypsin from bovine pancreas (QM) by adsorption, covalent bonding, and cross-linking with glutaraldehyde. All immobilization mechanism generated co- immobilized derivate with higher operational stability, when compared with the free enzyme, according temperatures and pH range studied. The TLL remained active after the thermal inactivation of ßGal and QM co- immobilized. The most stable derivative was obtained by the co- immobilized preparations of TLL/ßGal cross-linked with 0.5% glutaraldehyde (v / v), and TLL/ QM co-immobilized directly onto the aminated derivate by ionic adsorption. The co-immobilized ßGal remained stable at temperatures up to 80 °C, retaining 56 % of the initial activity after 13 h of incubation, while the free ßGal lost more than 50% of its activity after 2 h at 30 °C. The QM increased the thermal stability after the co-immobilization, and may be applied at temperature of 50 °C with more than 80 % recovered activity, compared with the free enzyme that was stable only up to 30 °C