• Aucun résultat trouvé

Glucoamylase and Glucose Oxidase

10  Sequential action of multiple encapsulated enzymes

10.2  Glucoamylase and Glucose Oxidase

Separate molecular layers of glucoamylase (GA) and GOD (pI of GA and GOD are 4.2 and 4.3,  respectively) were assembled on an ultrafilter (Molcut II LC, cut‐off molecular weight 5 kDa,  Millipore) by LbL adsorption using PEI as a polycation [85]. The Molcut II system is composed of an  upper cup, an ultrafilter and a lower cup (Figure 20). Protein alternate films were assembled on the  filter, which was fixed on the bottom of the upper cup. Aqueous PEI solution was placed in the  upper cup for 15 min at room temperature, and then the inside of the upper cup was washed  carefully with water for 2 min. Aqueous PSS solution was then placed in the upper cup for 15 min at  room temperature and the cup was washed again. These procedures were repeated three times to  produce precursor layers of (PEI/PSS)4, then continued to build the following film structures using  aqueous GA and GOD solutions:  

(1) Film 1:  filter + (PEI/PSS)4+ (PEI/GOD)2+ (PEI/PSS)2 + (PEI/GA)2+ PEI  (2) Film 2: filter + (PEI/PSS)4+ (PEI/GOD)2+ (PEI/PSS)10 + (PEI/GA)2+ PEI  (3) Film 2: filter + (PEI/PSS)+ (PEI/GA)+ (PEI/PSS)2 + (PEI/GOD)+ PEI  (4) Film 2: filter + (PEI/PSS)+ (PEI/GA)+ (PEI/PSS)10 + (PEI/GOD)+ PEI 

Film formation on the filter was confirmed by X‐ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) elemental  analysis. Only carbon and oxygen were observed from a bare filter membrane (cellulose). After  polyions and proteins had been assembled, nitrogen and sulfur were also detected. 

   

Figure 20: Sequential enzymatic process based on glucoamylase (GA) and glucose oxidase (GOD) and its  experimental setup [85]. “Reprinted from reference 85, Copyright 1996, with permission from Elsevier.” 

 

The enzymatic activities of these films were examined using the experimental setup depicted in  Figure 20. An aqueous solution of “water‐soluble starch” was placed on the enzyme‐immobilized  ultrafilter in the upper cup. Filtration was started by applying pressure to the upper cup with a  syringe to achieve a constant flow rate. Then, 1 ml of PIPES buffer was added to the upper cup and  the same pressure was applied. The latter procedure was repeated several times in order to wash  out the filterable components. As per the reaction scheme shown in Figure 20, the glycosidic bonds  in starch are hydrolysed by GA producing glucose, which is converted to gluconolactone by GOD  with H2O2 as a co‐product. Then unreacted starch, H2Oand glucose were quantified. 

The highest reaction yield was obtained with film 2, and the second highest yield was with film 1. In  these two films, the arrangement of protein layers against the direction of flow agrees with the  order of the sequential enzymatic reactions. In contrast, when the order of the two protein layers  was reversed, as in films 3 and 4, lower yields were obtained. These results indicated that  appropriate arrangement of the two enzymes is crucial for obtaining high yields in the sequential  reactions, since starch is hydrolyzed to glucose in the outer GA layers and the glucose produced is  subsequently converted to gluconolactone and H2O2 in the inner GOD layers. In contrast, in the  case of films 3 and 4, starch had to pass through GOD layers and separator layers, (PEI/PSS)n,  before it reached GA layers, and the glucose produced had to diffuse back to GOD layers against the 

flow of the solution. This, of course, slows down the whole process. In particular, diffusion of high  molecular‐weight starch through multilayers would be rate limiting, and facile contact of starch  with GA layers is important. 

The role of the spacer layer that separates the GA layers from the GOD layers becomes evident  from a comparison of the activities of films 1 and 2. It is curious that higher yields of glucose and  H2O2  were  obtained  using  film  2  rather than  using  film  1,  regardless  of  the initial  starch  concentration. This cannot be explained by the ease of diffusion. Reports have shown that for  multi‐component assemblies, film growth is somewhat smaller in the first few steps when the  assembled pair is changed. The GA‐PEI layers might not be ideally prepared in film 1 because film 1  has thinner spacer layers of PEI‐PSS than film 2, so a smaller amount of GA will be immobilized on  film 1, reducing the total activity. Another plausible mechanism is related to the inhibition of GA  activity by gluconolactone. Small molecules such as gluconolactone and H2O2 should be able to  diffuse backward to the GA layers relatively easily. They are inhibitors of GA and reduce its  enzymatic activity. A mixed type inhibition of the GA by gluconolactone was reported [87]. The  extent of this inhibition must be larger in film 1 than in film 2, because the spacer layer of the latter  is thicker. This novel approach of combining ultrafiltration with the use of a layered protein film  allowed successfully the separation of substrate and products without any further procedure [85]. 

The concept of sequential action of GA and GOD was implemented by Sun et al., to develop a  maltose sensor [88]. In principal, GA breaks maltose into 2 molecules of D‐glucose, which are  subsequently oxidized by GOD to gluconic acid with the production of hydrogen peroxide: 

Maltose  +  H2  2 D‐glucose 

Β‐D‐glucose  +  O2

 gluconic acid + H2O

H2O2→O2   + 2 e + 2 H+ 

The oxidation current of H2O2 produced in the enzymatic reaction has a linear relationship with the  concentration of maltose within a certain range. The electrode structure is illustrated in Figure 21a,  the  enzyme  multilayer  films are fabricated on  a  gold  electrode,  so  that  GOD  and GA are  alternatingly sandwiched between the bipolar quaternary ammonium salt NC6BPC6N (Figure 21b). 

In detail, a gold electrode was polished with aluminum powder, sonicated in fresh water and 

allowed to air‐dry. The clean gold electrode was immersed for 24 h at room temperature in an  ethanolic solution of 3‐mercaptopropionic acid to give one monolayer of self‐assembled film. 

Afterwards it was transferred into the NC6BPC6N solution (pH = 8), thus a positively charged surface  was obtained. The modified cationic electrode was deposited with two layers of GOD followed by  two layers of GA alternating with NC6BPC6N. The resulting modified electrode was applied as a  maltose sensor. So when it was immersed into the maltose solution, maltose first reacted with  outside GA layers to produce glucose. The resulting b‐D‐glucose then diffused into the assembly  and reacted with interior GOD layers to produce H2O2, which oxidized on the surface of the gold  electrode.

Figure 21: (a) Schematic illustration of the structure of the bienzyme multilayer film. El refers to glucose  oxidase and E2 refers to glucoamylase, (b) The bipolar quaternary ammonium salt NC6BPC6N [88]. “Source: 

Macromol Chem Phys, 197, 1996, 147‐153. Sun, Y.; Zhang, X.; Sun, C.; Wang, B.; Shen, J. Copyright [1996]. 

This material is reproduced with permission of John Wiley & Sons, Inc.”. 

 

It was shown that the time required to reach 95% of the steady‐state current is less than 60 s after  the addition of the maltose sample. The calibration curve for the determination of maltose was  measured. A linear relationship up to 6 mMol L‐1 was obtained between the current response and  maltose concentration. In the experiment, the authors also found that no current is observed when  the bare gold electrode, the electrode with 3‐mercaptopropionic acid and NC6BPC6N layers, and  finally the electrode with a protein bilayer of GA alone were immersed in the experimental  solutions that contained maltose. The above experimental results showed that only when GA and 

(a) 

(b) 

GOD were fabricated rationally on the surface of the gold electrode, the sensor can be used to  determine maltose [88]. 

10.3 Glucose sensitive multilayers based on sequential actions of