• Aucun résultat trouvé

Catalase (CAT) is a common enzyme found in nearly all aerobic organisms. It catalyzes the  decomposition of hydrogen peroxide to water and oxygen [34]. CAT was used by Balabushevich et  al.  [35]  as  a  model  protein  of  high  molecular  weight  for  encapsulation.  Polyelectrolyte  microspheres were obtained by alternating adsorption of dextran sulphate and protamine on  melamine formaldehyde (MF) particles followed by partial hydrolysis of the MF core. In fact, the  main difference between the fabrication of hollow capsules and microspheres prepared by this  method employing MF cores is the core hydrolysis step (Figure 2). While the complete hydrolysis of  the MF core produces hollow capsules, during the slow partial hydrolysis of MF core under mild  conditions, the newly formed and positively charged amino groups interact with polyanionic  structures of the first layer of the microcapsule shell resulting in the redistribution of membrane  PEs and formation of a homogeneous, weakly cross‐linked, charged gelatinous matrix inside the  microspheres [36].  

CAT was encapsulated in the microspheres by simple incubation and mixing for sufficient time. The  loaded microspheres were collected by centrifugation and washed. Finally, an additional layer of  dextran sulphate was added to protect the enzyme adsorbed at the surface of the positive  protamine layer. CAT was entrapped in microparticles at high efficiencies (70‐100%), depending on  its original concentration in the incubation medium. The specific activity observed was dependent  on the amount of protein entrapped in the microspheres. The authors reported that electrostatic  and  hydrophobic  interactions  were  responsible  for  the  interaction  of  the  protein  with  the  microspheres’ gelatinous core. Therefore, encapsulation and release of proteins from the proposed  LbL system can be controlled via adjustment of pH, ionic strength, and temperature of the  incubation medium [35]. 

   

 

Figure 2: Scheme of production of microspheres and hollow microcapsules using commercially available  melamine formaldehyde particles and alternating adsorption of polyelectrolytes.35 “Source: Biochemistry  (Mosc) 69,  (7),  2004,  763‐9,  Encapsulation  of catalase  in  polyelectrolyte  microspheres  composed  of  melamine formaldehyde, dextran sulfate, and protamine, Balabushevich, N. G.; Zimina, E. P.; Larionova, N. I,  Figure 1, © 2004 MAIK “Nauka/Interperiodica”. Reproduced with kind permission from Springer Science and  Business Media.” 

 

A different approach was adopted by Caruso et al. [37], where CAT crystals themselves were used  as templates to deposit alternating layers of PSS/PAH to form the polymer capsule encapsulating  the enzyme in the core at very high efficiency. The method takes advantage of the fact that the  enzyme is present as a crystalline suspension in water at pH 5‐6 and may therefore be treated as a  colloidal particle. It should be noted that enzyme crystal templating, however, presents several 

challenges that do not apply when templating, e.g., latex particles. First, the crystals are formed  only  under  strictly  defined  conditions.  Therefore,  suitable  conditions  that  facilitate  polymer  multilayer deposition on the crystal surface and do not destroy the enzyme crystal morphology (i.e. 

to avoid its solubilization) need to be determined. Second, the permeability of the polymer capsule  walls must be such that it permits encapsulation of the enzyme. In addition, since the primary  usefulness  of  enzymes  is  their  biological  function,  their  activity  must  be  preserved  during  encapsulation. 

Practically, CAT crystals were separated from solubilized protein by washing and centrifugation  several times with potassium acetate buffer of pH 5 at 4 °C. Chilled solutions were used to avoid  significant solubilization of the enzyme crystals. CAT crystals exhibited a positive surface charge in  water at pH 5 (+20 mV), as determined by electrophoretic mobility measurements. This positive  charge at the surface of the crystals in principle makes them suitably charged templates for the  deposition of polyelectrolyte layers of PSS and PAH. The successful deposition was proven by the  reversal  of  the  surface  charge  after  each  cycle  of  deposition,  which  is  a  characteristic  of  polyelectrolyte multilayer growth on colloidal templates [37]. 

To investigate the effect of the encapsulation process on the activity of CAT, the activity was  measured after solubilization of CAT (by changing pH) and release from the polymer capsules. A  recovered specific activity of 97% was obtained, compared with 100% for the uncoated CAT. This  shows that the polymer multilayer coating of the CAT crystals proceeded without causing any  significant loss of enzyme activity. Another important point was the ability of the capsule wall to  protect the enzyme against proteolytic activity. As shown in Figure 3, solubilized, uncoated CAT  (curves d and e) was inactivated by protease to more than 90% during an incubation time of 100  min. In contrast, no measurable loss in enzyme activity was observed for the polymer‐encapsulated  (solubilized) CAT within 100 min under the same conditions (curves b and c). These results clearly  demonstrate that a thin polymer coating of four layers (thickness of about 8 nm) is sufficient to  prevent proteolysis of polymer encapsulated CAT [37]. These findings are consistent with the  observation that proteins of molecular sizes greater than approximately 5 nm do not penetrate  polyelectrolyte multilayer films [38]. Compared to traditional LbL methods, where solubilized  charged enzyme molecules are deposited among the layers, encapsulated enzyme crystals display  an up to 50‐fold increased biocatalytic activity, thus making them attractive candidates for various  biotechnological applications [39]. 

  Figure 3: Stability of (a, d, e) solution‐solubilized catalase and (b, c) polymer‐multilayer encapsulated  (solubilized) catalase with respect to proteolysis: (a) solution‐solubilized catalase crystals, no protease  incubation (control); (b) [(PSS/PAH)2]‐coated (four layers) catalase, protease incubation; (c) [(PSS/PAH)4]‐

coated (eight layers) catalase, protease incubation; (d) and (e) repeat experiments for solubilized catalase,  protease incubation. Proteolysis of the catalase was determined by measuring the decrease in the catalase  enzyme activity [37] “Reprinted with permission from reference 37. Copyright 2000 American Chemical  Society.” 

Due to the interesting advantages of encapsulating enzyme crystals, such as high enzyme loading,  preserved bioactivity of the encapsulated enzyme, the ability of the semipermeable PE coating to  prevent the solubilized enzyme from leakage while simultaneously permitting the diffusion of small  (substrate) molecules for enzyme reaction, this idea was taken a step forward by Jin et al. [39],  where a mixed approach was adopted. CAT microcrystals were first encapsulated by the alternate  adsorption of PSS and PAH on their surface, yielding an extremely high loading of active enzyme in  the polyelectrolyte multilayer capsule. Then, multilayer films were constructed on planar surfaces  (quartz  crystal  microbalance  (QCM)  electrodes  or  quartz  slides)  by  LbL  deposition  of  the  polyelectrolyte‐coated CAT crystals and oppositely charged polyelectrolyte.  

Moreover, this mixed approach was adopted by Yu et al. [40], where LbL encapsulated CAT  microcrystals were assembled onto gold electrodes by sequential  deposition with oppositely  charged PEs, utilizing electrostatic interactions to form thin enzyme films for biosensing of H2O2. In 

addition to the aforementioned advantages of this design, the authors found that the PE layers  encapsulating  the  enzyme  effectively  increase  the  surface  charge  density  of  the  enzyme  microcrystals, rendering them suitably charged components for the construction of biofunctional  thin films. The PSS/PAH encapsulated CAT was shown to retain biological as well as electrochemical  activity. Direct electron transfer between CAT molecules and the gold electrode was achieved  without the aid of any electron mediator. As a H2O2 biosensor, films consisting of one layer of the  encapsulated  CAT  displayed  considerably  higher  (~5‐fold)  and  more  stable  electrocatalytic  responses to the reduction of H2O2 than did corresponding films made of a single layer of non‐

encapsulated CAT or solubilized CAT. An increase in either the number of “precursor” PE layers  between the gold electrodes and the CAT microcrystal layers in the film or the number of PE layers  encapsulating the CAT microcrystals was found to decrease the electrocatalytic activity of the  electrode. At low precursor PE layer numbers (~2) and encapsulating PE layers (~4), the current  response was proportional to the H2O2 concentration in the range of 3.0 x 10‐6 to 1.0 x 10‐2 M. The  overall electroactivity of the multilayer film increased for the first two layers of encapsulated CAT,  after which a plateau was observed. This was attributed to the increasing difficulty of electron  transfer  and  substrate  diffusion  limitations.  Using  immobilized  PE‐encapsulated  enzyme  microcrystals for biosensing was shown to provide a versatile method to prepare films of high  concentrations and tailored activities of enzymes. 

More recently, another novel and versatile approach for the preparation of multilayers was  introduced, where CAT was first encapsulated in small gold nanoparticles (CAT‐AuNPs), and then  electrostatically assembled with anionic and cationic PEs on colloidal silica particles [41]. CAT‐AuNPs  were synthesized directly from CAT stabilized gold suspensions and the diameter of the obtained  particles was about 9 ± 3.5 nm. Since the pI of CAT is 5.6 [37], CAT‐AuNPs were positively charged at  pH 3 and were assembled with the anionic polymer PSS. However, when the pH of the CAT‐AuNPs  solution was changed from 3 to 9, charge reversal took place and the anionic CAT‐AuNPs were bound  electrostatically to cationic PAH. As shown in Figure 4, an interesting feature of CAT‐AuNPs is that  the pH dependent electrostatic properties of CAT‐AuNPs can control the structure of the hybrid  nanocomposite,  transforming  them  from  well  dispersed  small  nanoparticles  at  pH9 (due to  repulsion forces between the similarly charged particles) to agglomerated colloidal particles with a  diameter of about 50 nm or network‐structured composites, depending on the initial concentration  of gold precursor [41]. 

 

Figure 4: Schematic and TEM images for the preparation of CAT‐AuNP with (a) dispersed, (b) colloidal and (c)  network structures [41]. "Source: S. Kim, J. Park, J. Cho, Layer‐by‐layer assembled multilayers using catalase‐

encapsulated  gold  nanoparticles.  Nanotechnology  21(37)  (2010):  375702.  (doi:10.1088/0957‐ 

4484/21/37/375702) © IOP Publishing. Reproduced by permission of IOP Publishing. All rights reserved” 

 

In addition, this structural transformation had a significant effect on the surface morphology of  CAT‐Au nanocomposite becoming rougher with fibrillary structures, especially in case of network‐

structured CAT‐AuNP. It was found that the total adsorbed amount of (PE/CAT‐AuNP network)5  multilayers was about 5.7 times higher than for (PAH/CAT)5 multilayers at the same solution  concentration. Consequently, the higher CAT adsorption led to higher catalytic activity toward  H2O2.Considering using these CAT‐AuNPs to coat an electrode surface, the rugged and fibrillary  structure of PE/CAT‐AuNP colloids and PE/CAT‐AuNP network multilayers has an increased surface 

area, and as a result, increases the area of contact between the probe molecules and the CAT as  well as the effective electron transfer rate. Therefore, this structural morphology may assist in  increasing  electrochemical  sensitivity,  which  may  be  beneficial  to  a  variety  of  biocatalytic  applications [41].