Metal-organik kafeslerde farklı kökenlerden lipazların mekanokimyasal yöntemle enkapsülasyonu, stabilite ve enantioseçimliliğinin incelenmesi
Encapsulation, stability and enantioselectivity of lipases from different origins in metal-organic frameworks by mechanochemical method
Yazar: ÖZGE ÇAĞLAR
Danışman: PROF. DR. ELİF ÖZYILMAZ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Kimya = Chemistry
Dizin: Enzim immobilizasyonu = Enzyme immobilization ; Metal organik kafesler = Metal–organic frameworks

Özet:
Metal organik kafesler (MOF'lar), eşsiz özellikleri ile son yılların önemli araştırma konuları arasında yer alan, metal iyonu/metal kümesi veya organik ligandların koordinasyon etkileşimi ile oluşan, istenilen özellikle ve boyutta tasarlanabilen, gözenekli, hibrit yapılı malzemelerdir. Lipazlar biyoteknoloji ve endüstride en sık rastlanılan, geniş uygulama alanlarına sahip önemli bir enzimdir. Sık kullanılan enzimler arasında yer alsalar da lipazlar, zorlu koşullar altında konformasyonel yapılarını koruyamamaktadırlar. Bu durumun önlenmesi için immobilizasyon gibi tekniklerin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. MOF'lar eşsiz özellikleri ile enzim immobilizasyonu teknikleri için ideal destek materyali olarak düşünülmektedir. Mekanokimyasal yöntem de MOF sentez yöntemlerinden birisidir. Modern, ekonomik, olağanüstü reaktivitesi ve seçimlilikleri ile etkili, çevre dostu ve solvent içermeyen bir yöntemdir. Bu çalışmada, mekanokimyasal yöntem kullanılarak, immobilizasyon için yeni bir yöntemin geliştirilmesi amaçlanmıştır.
2 çinko bazlı (ZIF-8, Zn-MOF-74), 1 zirkonyum bazlı (UiO-66-NH2) ve 1 bakır bazlı (Cu-MOF) olmak üzere toplam 4 farklı MOF sentezlenmesi ve sentezlenen MOF'ların farklı orjinli 2 farklı lipaz türünün (Candida rugosa lipaz (CRL) ve Porcine pankreatik lipazın (PPL)) immobilizasyonunda kullanılması amaçlandı. İmmobilize enzimlerin (ZIF-8@CRLmek, Zn-MOF-74@CRLmek, UiO-66-NH2@CRLmek, Cu-MOF@CRLmek, ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek, UiO-66-NH2@PPLmek, Cu-MOF@CRLmek, ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek, UiO-66-NH2@PPLmek ve Cu-MOF@PPLmek) immobilizasyon parametreleri, immobilize ve serbest enzimlerin (CRL, PPL) enzim kinetikleri, enzim immobilizasyonunda yüzey aktif maddelerin aktiviteye etkisi incelendi. Ayrıca immobilize enzimlerin (ZIF-8@CRLmek, Zn-MOF-74@CRLmek, UiO-66-NH2@CRLmek, Cu-MOF@CRLmek, ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek, UiO-66-NH2@PPLmek, Cu-MOF@CRLmek, ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek, UiO-66-NH2@PPLmek ve Cu-MOF@PPLmek) rasemik naproksen metil esterinin enantiyoseçimli hidroliz reaksiyonunda kullanılması amaçlandı.
Candida rugosa lipazın (CRL) pH:7'de maksimum aktiviteye sahip olduğu bulundu. İmmobilize enzimlerin (ZIF-8@CRLmek, Zn-MOF-74@CRLmek, UiO-66-NH2@CRLmek ve Cu-MOF@CRLmek'in) sonuçları incelendiğinde, pH stabilitelerinin daha geniş aralıkta kararlılık gösterdiği belirlendi. Zn-MOF-74@CRLmek, UiO-66-NH2@CRLmek ve Cu-MOF@CRLmek'in pH:6'da, ZIF-8@CRLmek'in ise pH 8.5'de maksimum aktiviteye sahip olduğu belirlendi.
Candida rugosa lipazın (CRL) optimum sıcaklık değeri 35℃ maksimum aktiviteye sahip olduğu belirlendi. İmmobilize enzimlerin ise sırasıyla, Zn-MOF-74@CRLmek'in 45℃, ZIF-8@CRLmek ve UiO-66-NH2@CRLmek'nin 40 ℃ ve Cu-MOF@CRLmek'in ise 30 ℃'de maksimum aktiviteye sahip olduğu belirlendi. Rasemik naproksen metil esterin enantiyoseçimli hidroliz reaksiyonu sonuçlarında en iyi dönüşüm (x=48) UiO-66-NH2@CRLmek'te bulundu.
İmmobilize lipazlar (ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek ve UiO-66-NH2@PPLmek) pH 8'de, Cu-MOF@PPLmek'in pH 6'da, PPL'nin ise pH:5'te maksimum aktiviteye sahip olduğu belirlendi. İmmobilize lipazlar (ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek, UiO-66-NH2@PPLmek, Cu-MOF@PPLmek) ve PPL'nin termal stabiliteleri incelendi. 120 dakika 60 °C'de inkübasyon sonucu en yüksek aktivite UiO-66-NH2@PPLmek'de belirlendi. İmmobilize lipazların (ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek, UiO-66-NH2@PPLmek, Cu-MOF@PPLmek) depolama stabiliteleri incelendi. En iyi depolama kararlılığı, Zn-MOF-74@PPLmek'te bulundu. Rasemik naproksen metil esterin enantiyoseçimli hidroliz reaksiyonu sonuçlarında en iyi dönüşüm (x=46.5) Cu-MOF@PPLmek'te bulundu.
İmmobilize lipazlar (ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek, UiO-66-NH2@PPLmek, Cu-MOF@PPLmek) ve serbest PPL'nin de enzim kinetiği incelendi. UiO-66-NH2@PPLmek ve Zn-MOF-74@PPLmek'in daha iyi afiniteye sahip olduğu belirlendi.  Cu-MOF@CRLmek ve ZIF-8@PPLmek'in birbirine daha yakın afiniteye sahip olduğu görüldü. Yüzey aktif madde etkisini incelemek için SDS, p-sülfokaliks[4]aren ve L-prolinin enzim aktivitesindeki etkisi incelendi.

Abstract:
Metal organic frameworks (MOFs) are porous, hybrid structured materials that are formed by the coordination interaction of metal ions/metal clusters or organic ligands and can be designed with desired properties and sizes, and are among the important research topics of recent years with their unique properties. Lipases are the most common and important enzymes in biotechnology and industry with a wide range of applications. Although they are among the most frequently used enzymes, lipases are unable to maintain their conformational structure under harsh conditions. In order to prevent this situation, techniques such as immobilization need to be developed. MOFs are considered as ideal support materials for enzyme immobilization techniques with their unique properties. Mechanochemical method is one of the MOF synthesis methods. It is a modern, economical, efficient, environmentally friendly and solvent-free method with outstanding reactivity and selectivity. 
In this study, we aimed to develop a new method for immobilization using mechanochemical method. We aimed to synthesize a total of 4 different MOFs, 2 zinc-based (ZIF-8, Zn-MOF-74), 1 zirconium-based (UiO-66-NH2) and 1 copper-based (Cu-MOF) and to use the synthesized MOFs in the immobilization of 2 different lipase species of different origin (Candida rugosa lipase (CRL) and Porcine pancreatic lipase (PPL)). 
The immobilized enzymes (ZIF-8@CRLmek, Zn-MOF-74@CRLmek, UiO-66-NH2@CRLmek, Cu-MOF@CRLmek, ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek, UiO-66-NH2@PPLmek, Cu-MOF@CRLmek, ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek, UiO-66-NH2@PPLmek and Cu-MOF@PPLmek) immobilization parameters, enzyme kinetics of immobilized and free enzymes (CRL, PPL), and the effect of surfactants on activity in enzyme immobilization were investigated. 
In addition, immobilized enzymes (ZIF-8@CRLmek, Zn-MOF-74@CRLmek, UiO-66-NH2@CRLmek, Cu-MOF@CRLmek, ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek, UiO-66-NH2@PPLmek, Cu-MOF@CRLmek, ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek, UiO-66-NH2@PPLmek and Cu-MOF@PPLmek) in the enantioselective hydrolysis reaction of racemic naproxen methyl ester.
Candida rugosa lipase (CRL) was found to have maximum activity at pH:7. When the results of the immobilized enzymes (ZIF-8@CRLmek, Zn-MOF-74@CRLmek, UiO-66-NH2@CRLmek and Cu@MOF@CRLmek) were examined, it was determined that their pH stability showed stability in a wider range. Zn-MOF-74@CRLmek, UiO-66-NH2@CRLmek and Cu-MOF@CRLmek were found to have maximum activity at pH:6 and ZIF-8@CRLmek at pH 8.5.
Candida rugosa lipase (CRL) was found to have a maximum activity at an optimum temperature of 35℃. The immobilized enzymes were found to have maximum activity at 45℃, Zn-MOF-74@CRLmek, ZIF-8@CRLmek and UiO-66-NH2@PPLmek at 40℃ and Cu-MOF@CRLmek at 30℃, respectively. In the results of the enantioselective hydrolysis reaction of racemic naproxen methyl ester, the best conversion (x=48) was found in UiO-66-NH2@CRLmek. 
The immobilized lipases (ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek and UiO-66-NH2@PPLmek) had maximum activity at pH 8, Cu-MOF@PPLmek at pH 6 and PPL at pH 5. Thermal stability of immobilized lipases (ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek, UiO-66-NH2@PPLmek, Cu-MOF@PPLmek) and PPL were investigated. After incubation at 60 °C for 120 min, the highest activity was determined in UiO-66-NH2@PPLmek. The storage stability of immobilized lipases (ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek, UiO-66-NH2@PPLmek, Cu-MOF@PPLmek) was investigated. The best storage stability was found in Zn-MOF-74@PPLmek. In the results of enantioselective hydrolysis reaction of racemic naproxen methyl ester, the best conversion (x=46.5) was found in Cu-MOF@PPLmek.
The enzyme kinetics of immobilized lipases (ZIF-8@PPLmek, Zn-MOF-74@PPLmek, UiO-66-NH2@PPLmek, Cu-MOF@PPLmek) and free PPL were also examined. UiO-66-NH2@PPLmek and Zn-MOF-74@PPLmek were found to have better affinity.  Cu-MOF@CRLmek and ZIF-8@PPLmek were found to have closer affinity to each other. To investigate the surfactant effect, the effect of SDS, p-sulfocalix[4]arene and L-proline on enzyme activity was examined.