تقييد الإنزيمات والخلايا Immobilization
التقييد والتثبيت Immobilization:
يقصد بها العملية التي بواسطتها تحدد حركة العوامل المساعدة الحيوية مثل الخلايا او مشتقاتها او الانزيمات بامتزاز هذه العوامل على سطوح مواد ساندة او اقتناصها بداخل مواد مثل الالياف والمواد البلاستيكية او الهلام.
لعمليات التقييد العديد من الفوائد منها:
1- ان تقييد العوامل المساعدة سواء كانت خلايا كاملة او حطام الخلايا تؤدي الى اطالة مدة استعمالها ويمكن استعمالها بشكل متكرر في عمليات متقطعة او مستمرة وبذلك تقلل تكاليف الانتاج.
2- يمكن زيادة تركيز المواد المساعدة الحيوية من خلال تقييد كميات كبيرة ويؤدي ذلك الى تقصير عملية تحويل المواد الاساس الى نواتج.
3- عمليات التقييد تزيد من ثباتية المواد المساعدة مثل الانزيمات التي يزداد ثباتها اتجاه الحرارة والرقم الهيدروجيني.
4- ان وجود العوامل المساعدة بشكل مقيد يتيح الفرصة لانماء عملية التحول في الوقت المناسب وذلك من خلال التلاعب بتصميم المخمر وهذا يقلل من العمليات او التفاعلات غير المرغوب فيها التي تحدث بعد انتهاء عملية التخمر والتي تقلل من عمليات التبريد وغيرها من العمليات الواجب إجراءها قبل عملية التنقية والاستخلاص.
5- تقييد العوامل المساعدة يفيد في ان نواتج التخمر تكون خالية منها وهذا يسهل عمليات الاستخلاص والتنقية النهائية, فضلا عن ذلك فان الخلايا المقيدة في اغلب الاحيان لا تنمو وبالتالي لاتنتج بقايا خاصة بها ويكون مسلك التفاعل خالي منها مما يسهل الاستخلاص والتنقية.
6- ان العوامل المساعدة المقيدة تتيح فرصة استعمال محاليل غير مائية في التفاعلات كما في تحويل السرويدات التي تكون قليلة الذوبان في الماء لذلك يمكن ان تدخل التفاعلات المذابة في المذيبات العضوية لغرض اجراء التحويرات اللازمة عليها وهذه تكون مهمة في الصناعات الصيدلانية.
7- ان توزيع العوامل المساعدة يكون متساوي نتيجة لعمليات التقييد لذلك لا تحتاج التخمرات الى عمليات خلط كثيرا من الاحيان, كذلك ستتعرض المواد الاساس لفعل العوامل المساعدة بشكل متساوي.
8- ان عملية التقييد للعوامل المساعدة تمكن من استعمال النظام المستمر والمفتوح في الانتاج.
9- يمكن إنشاء مفاعلات او مخمرات في العمليات وذلك بتقييد اكثر من انزيم بشكل منفصل وعليه فمن الملاحظ ان عمليات التقييد تؤدي الى التقليل من استهلاك الطاقة وتقليل التكاليف كما انها توفر فرص اكبر للسيطرة على عمليات التصنيع.
سلبيات التقييد:
1- انها تضيف تكاليف جديدة سواء من ناحية المواد او العمل فضلا عن ذلك صعوبة البحث والتحري عن الخلايا الملائمة للتقييد اما اذا كانت انزيمات فان هذا يستوجب فصلها بشكل نقي لغرض توفير فرص اكبر وابعاد الشوائب لانها تقلل من كفاءة عملية التقييد.
2- ان بعض الاانزيمات المقيدة بصورة خاصة والقليل من الخلايا تفقد فعاليتها نتيجة الارتباط بالموقع الفعال في اواصر التقييد.
3- ان الانزيمات المقيدة والخلايا تشغل حجم كبير اذ يضاف حجم المادة الساندة التي يتم التقييد عليها الى الى الحجم الاصلي للمفاعل الحيوي Bioreactor خصوصا اذا كانت مقيدة الى اعمدة او صفائح عمودية وليس بشكل قطع عالقة.
4- ان عمليات التقييد تكون ناجحة بعدد محدود من العمليات ولا يمكن ان تستخدم بشكل مطلق فمثلا تستعمل بانتاج الخل ومعاملة الفضلات ولكن لا بمكن استخدامها في انتاج المضادات الحياتية لانها معقدة جدا ولكن يمكن ان تستخدم في انتاج المضادات شبيهة التركيب أي يمكن اجراء التحويل على مواد كيميائية بحيث تصبح مهيئة لان تكون بوادىء للمضادات وتكون هذه العملية محدودة بنوع واحد من الانزيمات او الخلايا التي يجرى فيها نوع واحد من التحويل الحيوي.
5- ان البيئات الوسطية التي تتكون عليها العوامل المساعدة المقييد تعد من اهم المعوقات في استعمالها.
مواد وطرائق التقييد
ان الطرق المستعملة لتقييد الخلايا والانزيمات تكون متشابهة الا ان بعض الطرق التي تكون صالحة للخلايا تشمل:
1- الطرائق الفيزيائية وتشمل :
أ- الامتزاز على السطوح او داخل مواد غير ذائبة
ب- التغليف داخل كبسولات باستعمال اغشية رقيقة شبه ناضحة
ج- الاقتناص داخل المواد الهلامية
التأصر التساهمي Covalent binding
|
2- الطرائق الكيميائية وتشمل
أ- تكوين الروابط العرضية
ب- تكوين الأواصر التساهمية
Cellulose-O-CH2COOH Cellulose-O-CH2COOH-CH3
Cellulose-O-CH2-CO-NH-H2 Cellulose-O-CH2CO-NH3
Cellulose-O-CH2CO-NH- Enzyme
طريقة تثبيت الانزيم على السليلوز Carboxymethylcellulose باستعمال التآصر التساهمي
|
المواد المستعملة بالتقييد:
تتصف هذه المواد ببعض الصفات ومنها:
1- يجب ان تكون قوية ومتينة وغير قابلة للانضغاط
2- ان تكون مقاومة للمواد الكيميائية والمذيبات العضوية كذلك تكون مقاومة للعوامل الفيزيائية مثل الحرارة ومقاومة المواد الحيوية مثل التلوث المايكروبي . ويجب ان تكون مقاومة للغازات التي تتولد من التفاعلات الحيوية.
3- ان يكون من الممكن التلاعب بحجم الحبيبات او الثقوب وهذا يكون عامل مهم من حيث انه يحدد كفاءة العملية الانتاجية ويحدد معدل انتشار المواد داخل مواد التقييد الذي يؤثر على فعالية المواد المساعدة
أ- يؤثر على انضغاط المواد المعبئة داخل العمود
ب- يؤثر على سرعة مرور السوائل في الاعمدة الحاوية عليها
ج- يؤثر على كمية الطاقة اللازمة لجعل الخلايا المقيدة على اشكال حبيبية داخل المخمر بشكل عالق طول الوقت.
المواد المستعملة في تثبيت الخلايا والانزيمات
1- الهلام مثل الاجينات
2- الاكار
3- Sinless steel
4- الالياف الخشبية والسليلوز
5- القماش
6- هلام السليكا وغيرها من المواد
طرائق تقييد الخلايا
تستعمل طريقة الاقتناص داخل الهلام او الامتزاز على السطوح غير الذائبة لتقييد الخلايا وان اختيار الطريقة الملائمة يجب ان يكون مبنيا على اسس مختلفة منها:
1- ان تكون الطريقة بسيطة وتعطي نتائج متماثلة بتكرارها للغرض من تقليل فقدان الفعالية عند التقييد
2- الابتعاد عن الطرائق التي تحتاج الى استعمال ظروف متطرفة مثل استعمال المذيبات العضوية او الحرارة العالية او الرقم الهيدروجيني المتطرف.
3- يجب ان تكون الطريقة المستعملة ملائمة للسيطرة على عدد الخلايا المثبتة فيها.
4- يجب ان تكون الطريقة ملائمة لتقييد انواع مختلفة من الخلايا.
5- يجب ان تؤدي الى ربط الخلايا بشكل جيد بحيث لايحصل انفلات للخلايا اثناء الخزن والعمل.
6- يجب تجنب استعمال المواد والاجهزة الخطرة اثناء التقييد.
7- ان تكون المواد المستعملة بالتقييد رخيصة الثمن ومن النوع المحبة للماء وغير مشحونة.
8- يجب ان تكون الطريقة ملائمة لانسياب نواتج التفاعل.
9- يجب تقييد الخلايا بطريقة يسهل وصول الغازات لاخراج ثاني اوكسيد الكاربون منها لذلك يفضل تقييد الخلايا بالحبيبات العالقة واستعمالها في مخمرات مخلوطة وتوفير ظروف هوائية لها
المجسات الحيوية:
من تطبيقات الانزيمات والخلايا المثبتة هي المجسات الحيوية Biosensor مثل مجس لقياس الكلوكوز في الدم او في الادرار ومجس لقياس اليوريا في الادرار والمجسات المستعملة في الدراسات البيئية وغيرها
1- Urea Electrode:
O
||
H2 N—C—NH2 + 2 H2O Urease 2NH4 + + 2HCO3
2- Glucose Electrode:
a- Glucose + O2 +H2O Glucose H2O2 + Gluconic acid ( Oxygen uptake)
Oxidase
b- Glucose + Quinone + H2O Glucose Gluconic acid + Hydroquinone
Oxidase
Hydroquinone Pt Quinone + 2H+ + 2e-
(E= 0.4 Vvs. Standard calomel Electrode)
3- Lactic Acid Electrode:
Lactate + 2Fe ( CN)6-3 LDH Pyruvate + 2Fe (CN)6-4
2Fe(CN)6-4 Pt 2Fe(CN)6-3 +2e- + H-
المادة المعروضة اعلاه هي مدخل الى المحاضرة المرفوعة بواسطة استاذ(ة) المادة . وقد تبدو لك غير متكاملة . حيث يضع استاذ المادة في بعض الاحيان فقط الجزء الاول من المحاضرة من اجل الاطلاع على ما ستقوم بتحميله لاحقا . في نظام التعليم الالكتروني نوفر هذه الخدمة لكي نبقيك على اطلاع حول محتوى الملف الذي ستقوم بتحميله .