• Aucun résultat trouvé

9 Glucose oxidase (GOD)

Glucoseoxidase (GOD) catalyzes the oxidation of β‐D‐glucose to gluconic acid, by utilizing molecular  oxygen as an electron acceptor with simultaneous production of hydrogen peroxide [71]. GOD is  the most widely employed enzyme as analytical reagent, for the selective determination of glucose,  an analyte of clinical as well as of industrial interest [72]. 

One of the practical aspects of assembling proteins in LbL films is their increased stability and  retained activity [73]. GOD was chosen as a model enzyme by Onda et al. to investigate the effect  of  immobilization  of enzymes  on  catalytic activity, storage stability, thermostability, and  pH  dependency [73].  GOD was assembled under conditions where it was negatively charged (pI= 4.2). 

On a quartz slide, four precursor bilayers of PEI/PSS were assembled by alternate deposition,  followed by the deposition of two bilayers of PEI/GOD plus one more PEI layer at the top, so that  the whole assembly may be denoted as (PEI/PSS)4+(PEI/GOD)2+PEI. 

The activity of immobilized GOD was assayed depending on the coupled enzymatic reaction of GOD  and POD as illustrated in Figure 13. In principal, GOD converts D‐glucose and O2 to n‐glucono‐δ‐

lactone and hydrogen peroxide. Then, POD oxidizes DA67 (indicator) using H2O2 as oxidant. The  reaction is easily followed by monitoring the absorbance at a wavelength of 665 nm using a  spectrophotometer. The film was immersed in the upper space of a cuvette containing D‐glucose  and indicator solution. The separation between the film and light beam was sufficient not to  interfere with the light path [74]. 

(A)

(B) (C) (D) (E)

Figure 13: Sequential enzymatic process based on glucose oxidase (GOD) and peroxidase (POD). 

 

To study long‐term storage stability of immobilized GOD in LbL films, 45 samples were prepared on  quartz slides. Among them, 5 films were stored in water at 25°C, 20 films were stored in PIPES  buffer (pH 7) at 4°C, and the others were exposed to air at 4°C. After given periods of time, each  sample was washed with water and their activity was measured using the procedure mentioned  previously. As depicted in Figure 14, the film samples stored in water at 25°C showed drastic  decreases in activity, and approximately 70% of the activity was lost after 4 weeks. The authors  mentioned that the reason for this deterioration was unclear; nevertheless they speculated that  bacterial growth was the cause of deterioration. In contrast, the films kept in the buffer at 4°C did  not show a significant decrease in enzymatic activity over 14 weeks. The films kept in air at 4°C  showed 10% decrease in the first week but the activity was maintained during the following 13  weeks. The initial activity loss was probably due to air‐drying of the film. It was clearly shown that  GOD activity was unaltered in the assembled films [73]. 

 

Figure 14: Storage stability of GOD immobilized in LbL films: (a) storage in pure water at 25°C; (b) storage in  air at 4°C; (c) storage in PIPES buffer (PH 7) at 4°C [73]. “Reprinted from reference 73, Copyright 1999, with  permission from Elsevier." 

 

Proteins lose their activity upon denaturation by heat, thus investigating  thermostabilization  offered by LbL structures was of high interest. Immobilization may suppress structural deformations  of enzymes, thus enhancing their stability. Before measuring the enzyme activity, the extent of  release of GOD from LbL films caused by heat was examined and no GOD was released into water  even after the film was immersed in hot water for 2 h. The GOD LbL films on quartz plates were  incubated in water at a given temperature for 10 minutes. Immediately after the incubation period,  measurement of enzymatic activity was performed at 25°C. The second measurement was carried  out after keeping the film in air at room temperature for 30‐40 min. Separate samples were used  for different temperature conditions. Aqueous GOD rapidly lost activity on incubation at 30‐40 °C  (Figure 15a), becoming totally inactive at 50 °C. However, this loss in activity was partially  recovered on returning the solution to room temperature (Figure 15b). The recovered activity  decreased with the incubation temperature, and totally disappeared at 70 °C. It is reported that  enzymes  undergo  destabilization  by  two  different  mechanisms:  reversible  unfolding  due  to  conformational changes and permanent denaturation due to chemical changes [75]. The recovered 

activity in the present case may be related to partial unfolding. On the other hand, GOD in  alternately assembled films showed a remarkable improvement in thermostability (Figure 15c). 

Significant reduction in the activity was not noted even after incubation at 50 °C, although  incubation at above this temperature caused a rapid loss of activity. Interestingly, recovery such as  found for aqueous GOD was not observed in the film sample at any incubation temperature (Figure  15d). The enhanced enzymatic activity and the absence of reversible changes (room‐temperature  recovery) were attributed to suppression of conformational mobility of GOD by surrounding  polymer chains [73]. 

Figure 15: Thermostability of GOD immobilized in LbL film and in aqueous solution. The samples were  incubated at given temperatures for 10 min and their enzymatic activity was measured immediately after  the incubation period and at 30‐40 min after keeping in air at room temperature (approximately 22oC). (a)  relative activity of aqueous GOD immediately after the incubation at given temperatures. (b) relative activity  of aqueous GOD 30 min after the incubation. (c) relative activity of GOD in the film immediately after the  incubation. (d) relative activity of GOD in the film 30 min after the incubation. The activity relative to that at  22°C is plotted against incubation temperature[73]. “Reprinted from reference 73, Copyright 1999, with  permission from Elsevier." 

   

Nevertheless, deposition of enzyme multilayers on planar surfaces has a major drawback. When  more enzyme multilayers are deposited to increase the total catalytic activity of the system,  eventually the overall catalytic activity per enzyme layer decreases. This is mainly attributed to the  hindered substrate diffusion due to the thickness of the deposited film. Schüler et al. used GOD LbL  films to coat colloidal submicron polystyrene spheres rather than quartz slides, where GOD  multilayers were deposited alternately with PEI. Microelectrophoresis and SPLS measurements  revealed regular and step‐wise assembly of the multilayers on the colloids. The enzymatic activity  was found to increase regularly with an increasing number of GOD layers (i.e. GOD amount)  immobilized, indicating that the enzyme multilayer films were sufficiently permeable for substrate  diffusion. Thus, unlike multilayer films on planar surfaces, substrate diffusion effects can be avoided  with enzyme multilayer‐coated colloids since thick or dense protein films are not necessarily  required to increase the enzymatic activity: the high surface area afforded by the particles, and  control of the  total  number of  particles  in  solution (wt %), allowed  for the activity to be  conveniently optimized [76]. 

In a different study [27], GOD was used as a model enzyme to investigate the effect of adding layers  above the enzyme layer on enzymatic activity. Thus, one GOD layer was immobilized in the interior  with multiple PAH/PSS polyelectrolyte layers deposited on top. The GOD activity was measured (as  described before) as a function of increasing polyelectrolyte layer number (Figure 16). The decrease  in activity most likely reflects diffusion phenomena; the more layers above the enzyme layer, the  more it becomes difficult for the substrate molecule to diffuse into the enzyme layer. However, it is  also possible that some of the enzyme catalytic centers may be blocked by deposition of additional  polyelectrolyte layers. It is well‐known that polyelectrolytes within multilayer films interpenetrate  one another and a layer can interpenetrate 3‐4 adjacent polymer layers [4]. Hence, immobilized  enzyme coated with multiple polyelectrolyte layers may have significantly less enzymatically active  sites exposed for catalysis reactions than enzyme that is covered by a single polymer layer [27]. 

Figure 16: Relative activity of PS particles coated with one layer of GOD as a function of additionally  deposited PAH/PSS layers. The activity of the first GOD layer after adsorption of the first polyelectrolyte  layer on top of it was normalized to 100% as the polymer adsorption step caused removal of some of the  enzyme [27]. “Reprinted with permission from reference 27. Copyright 2000 American Chemical Society." 

 

In an attempt to add more functionality, the group of Caruso et al. [27] also went for adding  magnetic properties to the LbL enzyme coated particles. 200‐nm PS particles were pre‐coated with  four layers of Fe3O4 nanoparticles and PDADMAC, followed by two additional polyelectrolyte layers  (PSS/PAH) and an outer GOD layer. The particles were fabricated using the LbL approach, beginning  with  the  magnetic  nanoparticles  and  followed  by  the  enzyme  multilayers.  The  magnetic  functionalized particles were drawn to the bottom of a reaction tube by a magnet. The activity of  the GOD layer on the particles was measured and the particles were then separated with a magnet,  after which they were washed several times with water and the cycle was repeated. The measured  activity was within 15% for each cycle, showing that it was possible to recover the particles and that  the immobilized enzyme remained active after cycling. The above strategy opened a promising  pathway for the fabrication of tailored magnetic, biocatalytic, and reusable particles. 

Moving from surface coating on particles to encapsulation in LbL shells, a novel LbL design for  encapsulation of GOD was introduced by Zhu et al. [22], based on an interesting feature of the  photosensitive material diazoresin, where the weak ionic interactions between diazoresin and PSS 

are converted to stable covalent bonds upon irradiation with UV. The diazoresin attracted attention  because it can improve the stability of the multilayer films by converting weak interactions between  neighboring layers into covalent bonds. Furthermore, it may also be applied to a variety of  materials containing sulfonate groups, carboxylic acid groups, or phenol groups [77‐79]. The  procedure is simple and involves only two steps: first, ionic (for sulfonate groups) or H‐bonding (for  carboxylic acid or phenol groups) self‐assembly, which forms the initial multilayer; second, UV  irradiation, which converts the weak interaction between the neighboring layers to a covalent one  (Figure 17).  

Figure 17: Schematic representation of PSS/DAR structure changes upon UV irradiation [22]. “Reprinted with  permission from reference 22. Copyright 2005 American Chemical Society.” 

 

Efforts were made to prepare diazoresin‐based hollow polyelectrolyte microcapsules encapsulating  GOD by LbL assembly on MnCOtemplates as a potential glucose biosensor. MnCOparticles were  coated with one bilayer of (PSS/PAH),and then 1‐5 bilayers of (PSS/DAR), followed by one bilayer of  (PSS/PAH) as the outer layer. Hollow microcapsules were obtained by decomposing the MnCO3  cores with 0.1M HCl solution for 20 min. The microcapsule suspension was mixed with rhodamine  labelled GOD, for 5 min. While still in the enzyme loading solution, the capsules were irradiated  with a UV lamp for 5 min to cross‐link the multilayer wall, and then rinsed with deionized water. 

The inclusion of one (PSS/PAH) bilayer as both the inner and the outer layers was applied to  strengthen the microcapsule wall architecture prior to cross‐linking (inner layer) and prevent 

particle aggregation upon UV irradiation (outer layer), which was previously observed to occur in  cases where DAR was the terminal layer. UV‐vis and zeta potential measurements confirmed the  alternate deposition of (PSS/DAR) multilayers on the micrometer‐sized dissolvable templates [22]. 

The  reaction  velocity  of  the  enzyme‐catalyzed  reaction  was  determined  by  an  increase  in  absorbance at 500 nm resulting from the oxidation of o‐dianisidine through a peroxidase‐coupled  system. Glucose oxidase catalyzes the oxidation of glucose to gluconic acid, during which the  generation  of  H2O2 is  indirectly  measured by oxidation  of o‐dianisidine in  the presence  of  peroxidase. Encapsulated GOD inside the DAR‐based microcapsules effectively preserved 52.8% of  the total activity per unit mass as compared to the free enzyme. This decrease can be attributed to  either partial loss of enzyme structure, transport limitation due to the capsule walls and partitioned  enzyme, or a combination of both factors [22]. 

Probably one of the most useful practical applications of immobilizing GOD on solid surfaces is the  fabrication of glucose biosensors. GOD is a structurally rigid glycoprotein with two identical  polypeptide chains, each containing a flavin‐adenine dinucleotide (FAD) redox center [80]. GOD is  reported to be electroactive only in limited cases and that GOD electron‐transfer and enzyme  activity are very sensitive to the environment [81, 82]. 

The direct electron‐transfer behavior of the GOD electrode in the absence of oxygen occurs as  follows: 

GOD‐FAD + 2e + 2H+ GOD‐FADH2 

In the presence of oxygen, the reduced enzyme is oxidized very quickly at the surface of the  electrode: 

GOD‐FADH2 + O2 GOD‐FAD + H2O2 

The catalytic regeneration of the enzyme in its oxidized form causes the loss of reversibility and the  increase in size of the reduction peak. Upon the addition of glucose, a competitive reaction occurs  at the vicinity of the electrode surface, which leads to the decrease of the reduction peak and thus  the sensitive determination of glucose.  

Hodak et al. [83] reported LbL assembly of GOD with PAH‐ferrocene redox mediator, using a gold  electrode modified by a thiol layer with negatively charged end groups on which electrostatically 

layers of a positively charged redox polymer, PAH with ferrocene redox sites (Fc) attached along the  backbone, and polyanionic GOD were built. The main drawback of this design was the need for  electron‐transfer  mediator to shuttle electrons  between  the redox centers of GOD  and the  electrode. However, the redox mediators used in conjunction with redox proteins are in no way  selective but rather general, facilitating not only electron transfer between electrode and protein  but also various interfering reactions.  

Therefore, a mediator‐free glucose biosensor based on LbL immobilization of GOD was introduced  by Zhang et al. [80]. The measurement cell consisted of a saturated calomel electrode as the  reference electrode, a platinum wire electrode served as the counter electrode and pyrolytic  graphite electrode with a modified surface by LbL deposition of GOD and PEI. 

The immobilized GOD retained its catalytic activity and the electrode coated with single GOD‐PEI  bilayer responded linearly to the glucose concentration ranging from 0.5 to 8.9 mM (r2=0.998), with  a sensitivity of 0.66 µA mM‐1 and an estimated detection limit of 0.1 mM. Interestingly, the  deposition  of  a  second  bilayer  of  PEI/GOD  increased  the  sensitivity  to  0.76   µA mM‐1 and lead to a detection limit of 50 µM. This increased sensitivity is believed to arise from  higher enzyme loading. Noteworthy, the further deposition of PEI/GOD layers could not increase  the sensitivity, suggesting that the enzymatic activity correlates with the electron‐transfer reactivity  of GOD. The stability of the two PEI/GOD bilayers‐modified PGE was evaluated by examining the  response current of the enzyme electrode. After the electrode was kept at 4°C in phosphate buffer  (pH 7.0) for 1 month, 93% of the original current of reduction peak remained and its activity to  glucose remained at about 90%. Thus, this enzyme electrode has good stability and might be used  in glucose biosensor fabrications. Possible interference of substances, such as ascorbic acid and  acetaminophen, was also tested with no significant changes in reduction peak current observed for  ascorbic acid or acetaminophen at a concentration five‐fold as high as that of glucose, which  showed the good selectivity of the enzyme electrode [80]. 

Based on the direct electron transfer between GOD and electrode surface, this “mediator‐free” 

approach proves to be superior in its stability and convenience of electrode preparation compared  to previously reported biosensors having an electron‐transfer mediator applied to shuttle the  electrons between GOD and the electrode [80]. 

10 Sequential action of multiple encapsulated