Microreactoare enzimatice

1. Introducere

Microreactoare sunt în general definite ca sisteme de reacție miniaturizate fabricate prin utilizarea, cel puțin parțial, prin metode de microtehnologie și inginerie de precizie.Termenul "microreactor" este numele propus pentru o gamă largă de dispozitive cu dimensiuni mici, și o divizie viitoare în funcție de mărime în nano, micro și minireactorare. Majoritatea dispozitivelor construite în prezent pot să profite de microfluide și nanofluide, care permite utilizarea unor volume mici de specii reactive și asigură o eficiență ridicată, precum și repetabilitatea proceselor biocatalitice. Microreactoarele sunt folosite în sinteza organică. Un exemplu de aplicare in biotehnologie este sinteza rapidade peptide sintetice.

Principalele beneficii ale aplicării microreactoarelor în industrie sunt:

- transfer mai rapid al rezultatelor muncii de dezvoltare în producție

- producție la costuri mai mici

- capacitate de producție

- costuri mai mici pentru transport

- materiale și energie

- răspuns mai flexibil la cerințele pieței.

Deși majoritatea lucrărilordescriu microreactoarele ca componente ale dispozitivelor de microfluidic, acest termen este folosit în contextul sistemelor auto-organizate, cum ar fi micelii , lipozomi și microemulsii.

Sistemele de analiză care cuprind microreactoare se așteaptă să fie caracterizate prin repetabilitate deosebite și reproductibilitatea. Posibilitatea de a efectua analize similare în paralel este o caracteristică atractivă. Microreactoarele au fost integrate în sistemele analitice automatizate precum și de acordarea de beneficii de automatizare ;aceste sisteme elimină, de asemenea erori asociate cu protocoale manuale.. Metodele de injectare a fluidelor în microcanale dar și conectarea si interfațarea microreactoarelor cu alte componente ale sistemului, sunt de asemenea îmbunătățite. Aceasta ar trebui să contribuie la eliminarea oricăror obstacole rămase în preluarea mai largă a tehnologiei .

Microreactoare enzimatice au fost dezvoltate pentru a facilita munca de rutină în analize biochimice, precum și, de asemenea, au aplicații în biocataliza. O cheltuială redusă a enzimei este adesea un rezultat de imobilizare sale. Cu toate acestea, intervalul de enzime disponibile cu caracteristici satisfăcătoare este încă limitată . Următoarele enzime sunt folosite pe scară industrială: izomeraza de glucoza, h-galactozidaza, penicilină ,d-aminoacid oxidaza, glutaril amidază, termolizina, nitrilază.

Microreactoare enzimatice au fost folosite pentru aplicații analitice drept componente ale sistemelor integrate, adesea denumite lab-on-a-chip. Deși primele microreactoare enzimatice au fost construite în anii 1970 și 1980, creșterea în aplicațiile lor practice datează de la sfârșitul anilor 1990. Exemple de microreactoare enzimatice au fost incluse în prima carte cuprinzatoare privind microreactoare publicat în 2000.

Este util să împartă cererile analitice ale microreactoare enzimatice în două clase. În primul rând, cele care folosesc biocataliza, în scopul de a transforma un analit dificil de măsurat într-o formă ușor măsurabile. În al doilea rând, microreactoare proiectate pentru screening-ul de substraturi, enzime si de a examina caracteristicile lor cinetice. Prima categorie este exemplificată prin numărul mare de microsisteme concepute pentru digestia proteinelor pentru a le converti in peptide măsurate. Un alt exemplu este oxidarea glucozei de către glucoză oxidază, urmată de măsurarea chemiluminescență de luminol oxidat de peroxidul de hidrogen, format în reacția primară . A doua categorie este exemplificat prin muncă prezentat de Seong et al. (2003) pentru a măsura cantitativ cinetica enzimei într-un sistem microfluidic cu flux continuu.

2. Aplicatii ale microreactoarelor enzimatice

Realizările în sistemele chimice și biochimice înainte de 2000 au fost evidențiate de către Haswell și Skelton (2000). Evoluția reactoarelor enzimatice au fost discutate de Krenkova'andForet (2004). Girelli și Mattei (2005) au trecut în revistă recent aplicațiile de reactoare de enzimă imobilizată în cromatografie lichidă de înaltă performanță: cea mai mare parte a reactoarelor construite folosc enzime legate covalent la suport . Grupările funcționale implicate în legarea erau amino, epoxyl, carboxil, diol și fenolic. Exemplele au fost date de reacții catalizate de enzime efectuate înainte sau după separarea pe coloană, precum și în coloană.

2.1 Analiza speciilor chimice

Această secțiune începe cu acoperire a tipurilor de microreactoare utilizate, cu clasificarea în biocataliza omogen și eterogen. Toate exemplele de aplicare cu succes a microreactoarelor enzimatice cu enzime imobilizate prezentate în această analiză poate fi clasificate în următoarele grupe: (i) analiza proteinelor, (ii) analiza acizilor nucleici, și (iii) sisteme de model enzimatice. Subcapitolele separate descriu fiecare la rândul său.

2.1.1Biocataliza omogene și eterogene

Microreactoare poate utiliza o enzimă imobilizată, sau soluția sa poate fi injectat în zona de reacție; cele două abordări cuprind biocataliza eterogenă și omogenă. Majoritatea cererilor publicate se referă la utilizarea de enzime imobilizate. Un exemplu de biocataliza omogena la microscară este microanaliza electroforetic mediata (EMMA), descris pentru prima dată de Bao și Regnier (1992) și mai târziu denumită EMMA , care face uz de mobilitatea diferită a unei enzime și substratul său, pentru a amesteca ambele zone și pentru a realiza bioconversia substratului la produs. Soluția de enzimă se injectează într-o coloană capilară de silice, urmată de injectarea substratului său, iar capilarul este considerat ca microreactor . În ciuda complexității aparente, o astfel de configurație este adecvată pentru automatizare și control al timpului de contact dintre catalizator și substratul său. Cu toate acestea, metoda EMMA este posibilă numai în cazul proceselor catalitice rapide, deoarece timpii de contact sunt în mod tipic în milisecunde . EMMA este avantajoasă deoarece cantitățile de enzimă și substrat utilizate sunt extrem de mici.