Supramolekularne żele i nanostruktury polimerowe jako podłoże dla enzymów

Potrzeba wykrywania, ilościowego oznaczania i monitorowania konkretnych związków chemicznych w środowisku przekłada się na duże zainteresowanie biosensorami, a badania nad nimi prowadzone są nieustannie na szeroką skalę. Szczególnym zainteresowaniem cieszą się biosensory enzymatyczne, ze względu na wyjątkową selektywność pomiarów i wysoką czułość. Ograniczeniem dla wielu ich zastosowań jest niewystarczająca trwałość i powtarzalność wyników. Ciągle pojawiają się też nowe potrzeby analityczne. Bardzo duży wpływ na stabilność mają związki służące unieruchamianiu enzymów, dlatego nieprzerwanie trwają poszukiwania nowych materiałów usprawniających działania biosensorów. Doskonałymi kandydatami do tego celu wydają się być polimery przewodzące. Niemal jednocześnie z odkryciem tych tworzyw pod koniec lat 70-tych XX wieku zaczęło się ich wykorzystanie do konstrukcji biosensorów. Świetnie przewodzą prąd, niektóre bardzo dobrze pośredniczą w przeniesieniu elektronów pomiędzy centrum aktywnym enzymu a elektrodą - zwłaszcza jeśli strukturalnie są podobne do substratów enzymatycznych. Co więcej, kontakt pomiędzy enzymem a podłożem polimerowym nie zależy od orientacji cząsteczki białka. Pułapkowanie enzymu w matrycy jest popularnym sposobem immobilizacji, prowadzącym do związania jego dużych ilości. Niestety, jak każda metoda, ma swoje wady. Polimeryzacja nie zawsze przebiega w warunkach, w których enzym jest trwały. Natomiast unieruchamianie go w nieodpowiedniej matrycy nie zapewnia warunków optymalnych do jego efektywnego działania. Zatem znalezienie odpowiedniego materiału zdaje się być kluczowym punktem, prowadzącym do dalszego poprawiania działania enzymów w biosensorach. To wyzwanie, postawione przed wieloma naukowcami, pchnęło mnie do zainteresowania się polimerowymi nanorurkami i supramolekularnymi hydrożelami. Nanostrukturalne materiały posiadają bardzo dobrze rozwiniętą powierzchnię, umożliwiającą unieruchomienie dużych ilości enzymu. Co więcej, ich przewodnictwo jest często znacznie wyższe w porównaniu do wartości uzyskiwanych dla zwykłych filmów polimerowych. Natomiast żele, dzięki zawartości wody w swojej porowatej strukturze, ułatwiają dyfuzję, usprawniając wnikanie enzymu w warstwę i jego wiązanie wewnątrz trójwymiarowej sieci. Również dyfuzja analitu przez liczne pory materiału wypełnione rozpuszczalnikiem ulega znacznej poprawie. Główny cel badań przeprowadzonych w ramach rozprawy doktorskiej stanowiło wytworzenie i scharakteryzowanie biosensorów opartych na enzymach unieruchomionych w warstwach nanorurek i hydrożeli polimerowych oraz poszerzenie stanu wiedzy w dziedzinie biokatalizy z użyciem warstw przewodzących. Wykorzystanymi polimerami były: polianilina (PANI),tworząca obie struktury i posiadająca wiele innych odpowiednich zalet, oraz poli(3,4-etylenodioksytiofen) (PEDOT), który cechuje wyśmienite przewodnictwo, nie zależące, w odróżnieniu od PANI, od pH środowiska reakcji. Jednym z aspektów prowadzonych prac badawczych była modyfikacja syntezy supramolekularnych hydrożeli polegająca na zmianie pH środowiska polimeryzacji. Powstający materiał poddano analizie przy pomocy dostępnych technik elektrochemicznych i spektroskopowych, zdobywając wyczerpujące informacje potrzebne do ich charakterystyki. W ramach rozprawy podjęto próbę zbadania mechanizmów zachodzących reakcji enzymatycznych celem poznania i zrozumienia kooperacji między związanym białkiem a matrycą oraz przyszłego zmodyfikowania skonstruowanych biosensorów. Prowadzone eksperymenty doprowadziły do opracowania materiałów służących skutecznej immobilizacji struktur białkowych. Jako enzymy modelowe wykorzystano ureazę i peroksydazę chrzanową (HRP), zbadane już przez wielu naukowców, co umożliwiło porównanie osiągniętych wyników z licznymi danymi literaturowymi.