Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement  de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier. Bioactive paper is obtained through the modification of paper substrate with biomolecules and reagents. It is used in the development of novel biosensors that are portable, disposable and inexpensive, aimed at capturing, detecting and in some cases deactivating pathogens. Generally bioactive papers are made by incorporating biomolecules such as enzymes and/or antibodies on to paper. The immobilization of such biomolecules on solid surfaces is widely used for different diagnostic applications such as in immunosensors and immunoassays but due to the sensitive nature of enzymes, their large scale incorporation into paper has faced several difficulties especially under industrial papermaking conditions. The functionalization of paper at large scale is possible because paper can be easily coated with a layer of microcapsules, which have proven to be an efficient immobilization platform for enzymes and to allow. In this study, we developed a generic alginate-based platform incorporating microcapsules that can be applied to current paper production processes to prepare antibacterial bioactive paper with the ability to capture pathogens on its surface and to deactivate them by producing an anti-pathogenic agent. The design of the antibacterial platform is based on constant production of hydrogen peroxide as the antibacterial agent inside the alginate microcapsules. Hydrogen peroxide production is achieved through oxidation of glucose, catalyzed by the enzyme glucose oxidase encapsulated inside the alginate beads. The different steps of development included the entrapment of glucose oxidase inside alginate microcapsules, the reinforcement and surface activation of microcapsules by adding an additional layer of chitosan, investigating the possibility of immobilization of antibodies (human immunoglobulin G as a model antibody) on the surface of microcapsules and, finally, verifying the antibacterial properties of the system against Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) as a representative pathogen. During development, certain measurements and observations were made using various analytical methods and techniques such as Bradford protein assay, oxygen electroanalysis, optical and confocal laser canning microscopy (CLSM), matrix assisted laser desorption/ionization- time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF-MS), etc. Appropriate tests were performed to validate the successful modification of microcapsules and to ensure that glucose oxidase is still active after each modification. It was found that the encapsulated glucose oxidase maintained the specific enzymatic activity of 120±30 U/g. Subsequent efforts were made to immobilize glucose oxidase on gold NPs of two different diameters (10.9 nm and 50 nm) to enhance the enzymatic activity and increase the encapsulation efficiency.   The results obtained during this study demonstrate successful modifications on alginate microcapsules and also a successful response of such antibacterial platform regarding deactivation of the pathogen representative, E. coli K-12. The threshold for the enzymatic activity was found to be 1.3×10-2 U/ml for E. coli K-12 growth inhibition of 6.7×108 cells/ml. Further studies are needed to assess the efficiency of immobilized antibody in the capture of pathogens and also to incorporate the platform onto paper and to validate the efficiency of the system once it is coated on paper.

Keyphrases: Papier antibactérien, Encapsulation de la glucose oxydase, Microcapsules d’alginate, Inhibition de croissance de E. coli, Antibacterial paper, Glucose oxidase encapsulation, Alginate microcapsules, E. coli growth inhibition