Ανάπτυξη νέων βιοκαταλυτικών συστημάτων μέσω της ακινητοποίησης ενζύμων σε νανοδομικά υλικά
Authors: Πατήλα Βασιλική-Μιχαέλα 
Published: September 2021

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων βιοκαταλυτικών συστημάτων μέσω της ακινητοποίησης ενζύμων σε νανοδομικά υλικά, μελετώντας και κατανοώντας τη σχέση δομής-λειτουργίας των ακινητοποιημένων ενζύμων με τα νανοϋλικά. Νανοσωλήνες άνθρακα και οξείδιο του γραφενίου, τροποποιημένα με διάφορου μήκους αλκυλικές αλυσίδες και διαφορετικές λειτουργικές ομάδες, χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της επίδρασης της παρουσίας τους στα καταλυτικά και δομικά χαρακτηριστικά του κυτοχρώματος c. Η παρουσία των νανοϋλικών αυτών αυξάνει τη δραστικότητα της πρωτεΐνης, καθώς και τη σταθερότητά της, προστατεύοντάς την από τη θερμική μετουσίωση και την απενεργοποίηση από υπεροξείδιο του υδρογόνου. Το κυτόχρωμα c διατηρεί τη δευτεροταγή δομή του παρουσία των νανοϋλικών, ενώ παρατηρούνται αλλαγές στο μικροπεριβάλλον της αίμης, που οδηγούν σε ένα πιο προσβάσιμο ενεργό κέντρο, με αποτέλεσμα την αυξημένη καταλυτική δραστικότητα της πρωτεΐνης. Στη συνέχεια, το κυτόχρωμα c ακινητοποιήθηκε σε τροποποιημένα παράγωγα οξειδίου του γραφενίου μέσω φυσικής προσρόφησης και ομοιοπολικής ακινητοποίησης. Η απόδοση της ακινητοποίησης και η δραστικότητα της πρωτεΐνης επηρεάζονται από τη σύσταση του νανοϋλικού, το μήκος της αλκυλικής αλυσίδας, τη λειτουργική ομάδα και τον τρόπο της ακινητοποίησης. Τα πειραματικά αποτελέσματα υποδεικνύουν ως κατάλληλους φορείς ακινητοποίησης τα τροποποιημένα νανοϋλικά. Η θερμική σταθερότητα της ακινητοποιημένης πρωτεΐνης βελτιώνεται σε σχέση με την ελεύθερη, ενώ ταυτόχρονα τα νανοϋλικά προστατεύουν το κυτόχρωμα c από παράγοντες όπως η μεθανόλη και το υπεροξείδιο του υδρογόνου. Η ακινητοποίηση του κυτοχρώματος c έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή της δευτεροταγούς δομής του. Διαπιστώθηκε μείωση της περιεκτικότητας σε α-έλικα με ταυτόχρονη αύξηση της περιεκτικότητας σε β-φύλλα, γεγονός που υποδηλώνει πως η πρωτεΐνη υιοθετεί μια πιο άκαμπτη διαμόρφωση που εξηγεί την αυξημένη σταθερότητα της ακινητοποιημένης πρωτεΐνης. Τέλος, επιτεύχθηκε η δημιουργία πολυστρωματικών νανοσυστοιχιών νανοϋλικού-ενζύμου, μέσω ομοιοπολικής ακινητοποίησης πολλαπλών σημείων, που οδηγεί στη δημιουργία καινοτόμων βιοκαταλυτών με βελτιωμένες ιδιότητες και πλήθος βιομηχανικών εφαρμογών. Οι νανοβιοκαταλύτες που παρασκευάσθηκαν αποτελούνται από εναλλασσόμενα στρώματα λακάσης-τροποποιημένου οξειδίου του γραφενίου, και παρουσιάζουν εξαιρετική σταθερότητα έναντι του ελεύθερου ενζύμου. Επιπλέον, παρουσιάζουν αυξημένη καταλυτική δραστικότητα κατά την οξείδωση πολυαρωματικών υδρογονανθράκων και χρωστικών, ενώ διατηρούν μέχρι και 94% της αρχικής τους δραστικότητας ύστερα από 5 κύκλους χρήσης. Εν κατακλείδι, τα νανοδομικά υλικά με βάση τον άνθρακα βελτιώνουν σημαντικά την καταλυτική δράση των οξειδοναγωγικών πρωτεϊνών, οδηγώντας στη δημιουργία βιοκαταλυτικών συστημάτων με ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής καταδεικνύουν τα σημαντικά πλεονεκτήματα που προκύπτουν από την εφαρμογή των νανοϋλικών ως φορείς ακινητοποίησης ενζύμων, και τα οποία αποτελούν τη βάση για την ανάπτυξη πλήθους εφαρμογών στο πεδίο της νανοβιοτεχνολογίας.