Enzymimmobilisierung für intelligente Verpackungen

Im Fokus des Projekts stand die Entwicklung aktiver und intelligenter Verpackungsmaterialien zur Überwachung der Qualität und Haltbarkeit von Lebensmitteln. Dies umfasste die Entwicklung einer aktiven Barriereschicht für den Nachweis von Fäulnisgasen aus den Lebensmitteln auf Papier und Kunststoffen in Lebensmittelverpackungen. Diese Ziele haben wir mithilfe enzymatisch modifizierter Nanoträgersysteme realisiert.

Mit unserer NANOCYTES®-Technologie können wir Biomoleküle wie Peptide, Antikörper oder auch Enzyme an partikuläre Systeme im Nanometerbereich ankoppeln (Bild 1). Hierbei beruhen die grundlegenden Eigenschaften und Vorteile der Konjugate auf ihrer geringen Größe und dem daraus resultierenden Volumen / Oberflächeneffekt. Für kundenspezifische Anwendungen erarbeiten wir angepasste Biokonjugationsstrategien: Durch maßgeschneiderte Partikeloberflächen und die Wahl geeigneter Kopplungsstrategien lassen sich Enzyme unter Erhalt ihrer vollen Aktivität auf der Partikeloberfläche immobilisieren.

Linkervermittelte Kopplung auf Silika-Nanopartikeloberflächen

Amino- und carboxyfunktionalisierte Silika-Nanopartikel wurden an eine Reihe verschiedener Oxidoreduktasen wie Laccase, Glucoseoxidase und Katalase gekoppelt. Mittels linkervermittelter Synthesetechniken wurden hierzu kovalente Bindungen zwischen Partikeloberfläche und Enzym generiert. Molekulare Abstandshalter, sogenannte Spacer, können hierbei gezielt durch die Wahl der entsprechenden Linkermoleküle erzeugt werden, um die Aktivität des Enzyms zu gewährleisten und unspezifische Bindungen zu vermindern. Die Bestimmung der Konzentration der angekoppelten Enzyme und deren Aktivität erfolgten durch entsprechend abgestimmte Fluoreszenzassays.

Ein-Schritt-Enzymankopplung mit »Surfmeren«

Eine neue Methode zur Herstellung von Polymerpartikeln mit oberflächenaktiven funktionellen Ankerstellen ist eine Emulsionspolymerisation unter Verwendung polymerisierbarer Tenside, sogenannter Surfmere (Surfactant-Momomer). Die maßgeschneiderten Ankerstellen dieser polymeren Aktivester-Surfmerpartikel eignen sich besonders für die Anbindung von Biomolekülen, da hier in nur einem Prozessschritt Stickstoff-nukleophile Struktureinheiten der Enzyme angebunden werden können. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die eingesetzten polymerisierbaren Tenside bei der Copolymerisation mit einem Co-Monomer im Polymergerüst eingebaut werden. Bei einer weiteren Verwendung der so hergestellten Polymerpartikel kommt es deshalb nicht zur Abspaltung des Tensids und einer damit einhergehenden Agglomeration. Die Aktivestereinheit als Ankergruppe bietet zudem optimale Reaktivität mit empfindlichen Biomolekülen und gewährleistet gleichzeitig maximale Stabilität während Herstellung, Lagerung und Transport.

Immobilisierte Enzyme

Auf beide Partikelsorten wurden die Enzyme Laccase, Glucose-Oxidase und Katalase immobilisiert und deren jeweilige Enzymaktivität miteinander verglichen. Sowohl auf Silika-Nanopartikeln als auch auf Surfmer-Partikeln immobilisierte Enzyme zeigten nach der Ankopplung enzymatische Aktivität. Beispielhaft ist in der nebenstehenden Grafik die Aktivität von Glucose-Oxidase immobilisiert auf Surfmer-Partikeln und auf hydrolysierten Surfmer-Partikeln gezeigt. Auf den Surfmer-Partikeln koppelt das Enzym spezifisch an die dafür vorgesehene Bindungsstelle. Auf den hydrolysierten Surfmer-Partikeln bindet das Enzym unspezifisch, da durch die Hydrolyse der reaktiven Gruppen keine spezifische Bindung mehr möglich ist.

Die Ergebnisse wurden im Projekt »Enzymes embedded in barrier coatings for active and intelligent packaging – ENZYCOAT II« erarbeitet, das im Rahmen des Mikro- und Nanotechnologieprogramms MNT-ERA.NET vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter dem Förderkennzeichen 16SV3689 gefördert wurde.