• Aucun résultat trouvé

Urease is a metalloenzyme that catalyzes the hydrolysis of urea to yield ammonia and carbon  dioxide. It is found in a wide variety of organisms including plants, fungi and bacteria [57]. Stable  hollow polyelectrolyte capsules containing urease (Mw 480 kDa) were produced by means of the  layer‐by‐layer assembling of PAH and PSS on melamine formaldehyde microcores followed by the  core decomposition at low pH [58]. The authors introduced a new method of loading urease  enzyme into the particles depending on a finding that capsules were non‐permeable for urease in  water and became permeable in a water/ethanol mixture. As shown in Figure 8 (left), confocal  microscopy imaging illustrates that FITC‐labelled urease was excluded from the polyelectrolyte  shells. The interior of  the capsules  remained dark  and  outside the capsule  the  background  containing FITC‐urease was fluorescent. This observation indicated the closed state of the capsules. 

Figure 8 (center) shows a confocal fluorescence image of labelled urease with capsules after  addition of ethanol (1:1 water/ethanol mixture). In this case, the fluorescence signal localized in the  interior of the capsule has the same intensity as the outside background fluorescence. This  indicated the penetration of the enzyme into the capsules and requires an open state of the  capsule wall. When the capsules were transferred back into water, the polyion shells became  closed, and the urease was captured inside, as illustrated in Figure 8 (right). The interior of the  capsule is bright and constant over time, and there is no fluorescence signal from the solution. 

Thus, urease filled the capsules. The images did not change with time, indicating that urease is 

preserved  inside  the  capsules.  The  authors  mentioned  that  the  mechanism  of  reversible  permeability changes in the polyion multilayers is not fully understood. It may be related to the  segregation of the polyion network in water/ethanol media. Such segregation might lead to defects  in the shell, and pores forming might be large enough for 5‐nm diameter urease globules to  penetrate the wall. Returning capsules into pure water causes a relaxation of the polyion walls to a  closed structure [58]. 

 

Figure 8: Permeation and encapsulation of urease‐FITC into polyion multilayer capsules. Left, in water; 

middle, in water/ethanol mixture 1:1; right, the capsule with encapsulated urease again in the water. Top,  scheme; bottom, confocal  fluorescence images of the capsules [58] “Reprinted with permission from  reference 58. Copyright 2001 American Chemical Society.” 

 

A colorimetric assay based on the hydrolysis of urea was used to investigate the activity of free and  immobilized urease [59]. The increase in solution pH due to ammonia production during the  enzymatic reaction was monitored by the pH sensitive dye, bromcresol purple. The absorbance of  this dye at 588 nm increases linearly with pH in the range of 5.8 to 7.5. Figure 9 gives a comparison  of the catalytic activity of the urease loaded into the capsules and free urease. Urease encapsulated  inside the LbL shell preserved 13% of its activity as compared to free enzyme. This decrease is  mainly due to low substrate diffusion into the capsules. The urease activity inside the capsules was  also stable as compared to free urease: after 5 days of storage at 7 °C, encapsulated urease  completely preserved its activity while free urease kept under the same conditions in aqueous  solution lost 45% of its activity. The polyelectrolyte shell protects encapsulated enzymes from  proteases and microbes, and provides better stability [58]. 

 

Figure 9: Absorbance at 588 nm by 2.9 mL of enzymatic activity assay solution after addition of 0.1 mL of  urease‐loaded microcapsule solution and the same test for addition of 0.05 mL of 0.02 mg/mL free urease  [58]. “Reprinted with permission from reference 58. Copyright 2001 American Chemical Society." 

 

In a different LbL design [60], urease was loaded on the surface of submicron‐sized polystyrene  particles. Urease multilayers were assembled with alternating oppositely charged polyelectrolytes  in a predetermined order, utilizing electrostatic interactions for layer growth. Urease, which has a  pI at pH 5 and is stable and active between pH 4 and 8.5 [61, 62], was employed in the LbL  assembly either as a negative polyelectrolyte at pH 8 deposited in alternation with polycations (PEI  or PDDA), or as a positive polyelectrolyte at pH 4.5 and consecutively deposited with the polyanion  (PSS). As an added feature, prior to enzyme adsorption, the colloid particles were coated with an  additional layer of silica or magnetite nanoparticles in order to enhance their total surface area and  promote  further  enzyme  deposition,  to  give  shell  architectures  of  the  following  sequence: 

[PDDA/PSS/PDDA/40‐nm  silica/PDDA/(urease/PDDA)1‐4]  or  [PDDA/PSS/PDDA/12‐nm  magnetite/ 

PDDA/(urease/PDDA)1‐4]. 

Urease multilayers were first constructed on quartz cell microbalance (QCM) electrodes in order to  establish the conditions for suitable multilayer growth. The QCM frequency shift, caused by the  deposition of material on the electrode surface, can be related to the adsorbed mass and layer  thickness of the material via the Sauerbrey equation [63]. Figure 10 shows the QCM results for the 

construction of a PDDA/PSS/PDDA/(urease/PDDA)5 multilayer film on a QCM electrode. The first  three polyelectrolyte layers serve as a precursor film to provide a uniform charge and a smooth  surface for subsequent urease deposition. A regular stepwise decrease in the QCM frequency was  observed (Figure 10) [60]. 

Figure  10:  QCM  monitoring  (frequency  change  vs  adsorption  steps)  of  urease/PDDA  assembly: 

[PDDA/PSS/PDDA /(urease/PDDA)5] [60]. “Reprinted with permission from reference 60. Copyright 2001  American Chemical Society.” 

  

The conditions established for the successful assembly of urease multilayers on the planar QCM  substrates  were  subsequently  employed  to  form  enzyme  multilayer  shells  on  microparticle  templates (470 nm PS spheres). The precursor film (PDDA/PSS/PDDA) with an additional outermost  silica or magnetite nanoparticle layer provided a better surface for the formation of stable urease  multilayer shells. Attempts to deposit urease onto PDDA/PSS/PDDA‐modified PS particles yielded a  low enzyme amount in the shells. This finding was attributed to the fact that weakly attached  enzyme layers can be removed from the substrate surface by the next incoming polyion via the  formation of water‐soluble polyelectrolyte‐enzyme complexes, as was found for histone/DNA  interactions [64]. In addition, improved stability with respect to adsorption of glucose oxidase  multilayers deposited onto gold nanoparticle layers, compared with glucose oxidase deposited on a  less rough substrate, was observed. Hence, a primer nanoparticle layer was deposited on the PS  spheres to increase the surface roughness and improve the adsorption stability of urease. The  growth of the urease multilayers on the PS particles was followed by microelectrophoresis, where 

the zeta potential of the coated latex particles alternates between negative and positive values,  corresponding to the sequential adsorption of cationic and anionic species, respectively [60]. 

The catalytic activity of encapsulated and free urease was measured by monitoring the change in  absorbance of the pH‐sensitive dye bromcresol purple, corresponding to the increase in pH due to  the hydrolysis of urea giving ammonium hydroxide. The catalytic activity was found to increase with  the increase in the number of urease layers deposited on the particles. Both urease/PSS multilayers  and urease/PEI multilayers yielded very low catalytic activities (~100 times lower) compared to the  urease/PDDA multilayers despite being assembled in a similar fashion (according to the shell  architectures).This may be due to the differences in compactness of the multilayers resulting from  different polymer conformations on the surface (e.g., PDDA is a linear polycation and PEI is a  branched polycation), different substrate diffusion rates and different degrees of blocking active  sites of  the  enzyme. Compared  to  free  urease, investigations  revealed  that  the activity  of  immobilized urease (in a triple‐layer shell) was 25% of that of free enzyme. This is a reasonable  decrease because of substrate diffusion limitations and difficulties in reaching the active centers of  immobilized urease. Another characteristic feature of the urease catalytic reaction is a 10‐minutes  dead time, during which no product was detected. A similar dead time was observed for low  concentrations of free urease and, probably, is connected to accumulation of the reaction product  [60]. Similar LbL design and results for urease were also reported by Wang et al. [65]. 

Moreover, adding a magnetic functionality to the particles was investigated. 12‐nm‐diameter Fe3O4  nanoparticles were deposited in the shell architecture to supply the particles with a magnetic  function. The shell sequence was [PDDA/PSS/PDDA/12‐nm Fe3O4/PDDA/(urease/PDDA)1‐4]. The  Fe3O4 nanoparticle distribution on the surface of the latex spheres was found to be less uniform  than the silica shell and more than monolayer coverage. Nevertheless, the absolute enzymatic  activity of the magnetic catalytic particles was similar to that of the corresponding particles with a  layer of 40‐nm silica. In addition, on approaching a 0.3 tesla permanent magnet to the tube wall  resulted in the collection of all of the modified latex spheres (on a wall region closest to the  magnet) in ~30 seconds. Immersing the permanent magnet into the solution containing the  magnetic/urease‐coated particles resulted in their collection on the magnet. This added magnetic  function is particularly useful in applications where separation and reuse of such particles is  required [60].