تثبیت آنزیم ها راهی برای بهبود عملکرد آن‌ها
آنزیم اصلاح‌شده در مقیاس آزمایشگاهی می‌تواند در صنایع مختلفی مانند صنایع غذایی، کشاورزی، تولید کاغذ و … کاربرد داشته باشد.آنزیم به کاتالیستی اطلاق می‌شود که سرعت فرایندهای زیستی را افزایش می‌دهد. مهندسی آنزیم در واقع اصلاح آنزیم‌هاست به نحوی که در عملکرد آن بهبود حاصل شود. یکی از خصوصیات آنزیم‌ها عمر کوتاه آن‌هاست که می‌توان با اصلاح آن و یا به عبارتی با مهندسی آنزیم بر این عیب غلبه کرد. در سال‌های گذشته از مواد گوناگونی از جمله ذرات مغناطیسی، مواد پلیمری و نانولوله‌های کربنی جهت مهندسی آنزیم و افزایش کارایی آن‌ها استفاده شده است.
دکتر اصغر طاهری کفرانی با اشاره به آنزیم زایلاناز و کاربردها و محدودیت‌های آن، به تبیین اهداف دنبال شده در این طرح پرداخت و گفت:آنزیم زایلاناز در فرایندهای صنعتی مختلفی مانند شفاف‌سازی آب میوه، رنگ‌زدایی خمیر کاغذ، بهبود خمیر نان، شیرین‌کننده‌ی نوشابه و کمک به استخراج روغن از گیاهان کاربرد دارد.
وی ادامه داد:عمر کوتاه، پایداری کم، بازیابی مجدد دشوار و فرایند خالص‌سازی پرزحمت محصول، از محدودیت‌های اصلی آنزیم‌ها هستند. ازاین‌رو هدف اصلی از این پژوهش اصلاح آنزیم است، به‌نحوی‌که عمر آنزیم افزایش یافته و بازیابی آن نیز آسان گردد. روش اصلاح آنزیم در این پژوهش بر پایه تثبیت آنزیم بر روی نانوحامل بوده است.
وی در ادامه خاطرنشان کرد:آنزیم تثبیت شده پایداری بالاتری نسبت به آنزیم آزاد و هزینه‌ی سنتز پایین‌تری نسبت به دیگر روش های تثبیت آنزیمی دارد. همچنین استفاده از این آنزیم در صنایع مختلف، اثرات جانبی مضر و سمی نخواهد داشت.
به گفته‌ی این محقق، کوچکی و نظم صفحات گرافن و همچنین ظرفیت بالای اتصال گروه‌های کربنی و مساحت سطح بالای آن‌ها موجب شده است از این ماده به‌عنوان بستر تثبیت آنزیم استفاده شود. به‌علاوه نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن جهت اعطای قابلیت بازیابی و استفاده مجدد به آنزیم اضافه شده است.
طاهری کفرانی مراحل اصلاح و بررسی عملکرد آنزیم زایلاناز را به شرح ذیل بیان کرد: «ابتدا با تبدیل صفحات گرافیت به گرافن اکسید به‌وسیله‌ی واکنش هامر و مغناطیسه کردن بستر توسط نانوذرات اکسید آهن، تغییراتی در سطح ایجاد کردیم. آنزیم به‌وسیله‌ی گروه‌های سیانوریک کلراید به صورت کووالانسی بر بستر متصل شد. در طول مراحل سنتز از روش‌های میکروسکوپی SEM و TEM و روش‌های VSM، FT-IR، XRD و TGA جهت بررسی مواد سنتز شده استفاده شد. همچنین شرایط بهینه‌ی دمایی و pH با فعالیت بیشینه آنزیمی برای هر دو آنزیم آزاد و تثبیت شده تعیین شد. جهت باز فرآوری و استفاده‌ی مجدد آنزیم تثبیت شده، میزان فعالیت آن طی سیکل‌های متناوب آزمایش و میزان پایداری آنزیم مشخص شد.
نتایج نشان داده‌اند که آنزیم اصلاح شده در pH=6.5 و دمای 60 درجه سانتی گراد بیشترین فعالیت و پایداری خود را به نمایش می‌گذارد. همچنین این آنزیم در طی سه ماه و نیم نگهداری در دمای 4 درجه سانتی گراد، 70 درصد فعالیت کاتالیتکی خود را حفظ کرده است. از آنزیم تثبیت شده می توان طی 10 چرخه فعالیت آنزیمی استفاده نمود به نحوی که میزان کاهش فعالیت آنزیم در استفاده مجدد محسوس نباشد. این نانوصفحات می توانند جهت تثبیت آنزیم های دیگر نیز مورد استفاده قرار گیرد.
این تحقیقات حاصل تلاش‌های دکتر اصغر طاهری کفرانی و دکتر امیر لندران اصفهانی – اعضای هیأت علمی دانشگاه اصفهان- و شیما محمدی و مریم رویوران- دانشجویان کارشناسی ارشد این دانشگاه- است. نتایج این کار در مجله‌ی Chemical Engineering Journal (جلد 288، سال 2016، صفحات 414 تا 422) به چاپ رسیده است.
