Tổng hợp và đánh giá các đặc tính xúc tác giả enzyme horseradish peroxidase của hệ hemin biến tính bằng gelatin

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH SÁCH CÁC BẢNG viii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ ix DANH MỤC PHỤ LỤC xii LỜI MỞ ĐẦU xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hydrogel 1.2 Các xúc tác cho quá trình tạo hydrogel 11 1.2.1 Enzyme Horseradish Peroxidase (HRP enzyme) 11 1.2.2 Hemin 18 1.3 Hydrogel sở Gelatin 22 1.4 Cơ sở, mục tiêu và ý nghĩa khoa học đề tài 26 1.4.1 Cơ sở đề tài 26 1.4.2 Mục tiêu và ý nghĩa khoa học đề tài 27 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 28 2.1 Hoá chất và thiết bị sử dụng thực nghiệm 28 2.1.1 Hoá chất 28 2.1.2 Thiết bị và dụng cụ 29 2.2 Tổng hợp hệ xúc tác Gelatin–Histamine–Hemin 30 2.2.1 Tổng hợp Gelatin–Histamine 30 2.2.2 Tổng hợp Gelatin–Histamine–Hemin 31 iii 2.2.3 Hoạt hoá Hemin môi trường kiềm (Hemin–NaOH) 32 2.2.4 Hiệu suất tổng hợp Gelatin–Histamine–Hemin 32 2.3 Đánh giá hoạt lực Gelatin–Histamine–Hemin Guaiacol 33 2.4 Đánh giá hoạt tính xúc tác hệ xúc tác Gelatin–Histamine–Hemin Pyrogallol 34 2.5 Xác định độc tính nguyên bào sợi (Fibroblast) 35 2.5.1 Phương pháp nhuộm Sulforhodamine B 35 2.5.2 Phương pháp nhuộm Acridine Orange/Ethidium Bromide 37 2.6 Đánh giá khả tạo hydrogel Ge–Tyr và khả thay thế enzyme HRP 37 2.6.1 Khảo sát thời gian gel hoá thay đổi hàm lượng H2O2 37 2.6.2 Khảo sát thời gian gel hoá thay đổi hàm lượng xúc tác 38 2.6.3 Đánh giá khả tạo hydrogel hệ xúc tác Gelatin–Histamine–Hemin, Hemin–NaOH và Horseradish Peroxidase enzyme 39 2.7 Các phương pháp phân tích sản phẩm 39 2.7.1 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H–NMR) 39 2.7.2 Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT–IR) 41 2.7.3 Quang phổ tán xạ Raman 42 2.7.4 Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV–Vis) 43 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Kết tổng hợp hệ xúc tác Gelatin–Histamine–Hemin 44 3.1.1 Tổng hợp Gelatin–Histamine 44 3.1.2 Tổng hợp Gelatin–Histamine–Hemin 48 3.2 Đánh giá hoạt lực Guaiacol 54 3.3 Đánh giá hoạt tính xúc tác Pyrogallol 59 3.4 Kết gây độc tế bào nguyên bào sợi 63 iv 3.4.1 Kết theo phương pháp nhuộm Sulforhodamine B 63 3.4.2 Kết theo phương pháp nhuộm Acridine Orange/Ethidium Bromide 64 3.4 Đánh giá khả tạo hydrogel Gelatin–Tyramine 65 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 76 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt Proton Nuclear Magnetic Resonance Cộng hưởng từ hạt nhân Acridine Orange Acridine orange C (%) – Nồng độ Hemin Gelatin–Histamine– Hemin DNA Deoxyribonucleic acid Deoxyribonucleic acid EB Ethidium Bromide Ethidium bromide EDC 1–ethyl–3–(3– dimethylaminopropyl)– carbodiimide 1–ethyl–3–(3– dimethylaminopropyl)– carbodiimide FT–IR Fourier Transform Infrared Spectroscopy Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier GA Guaiacol Guaiacol Ge Gelatin Gelatin Ge–Tyr Gelatin–Tyramine Gelatin–Tyramine H (%) – Hiệu suất tổng hợp Gelatin–Histamine– Hemin H O2 Hydrogen peroixide Hydrogen peroixide He Hemin Hemin H–NMR AO vi He-Na Hemin–NaOH Hemin–NaOH His Histamine Histamine HRP Horseradish Peroxidase Horseradish Peroxidase LCST Lower critical solution temperature Thấp nhiệt độ dung dịch tới hạn MWCO Molecular weight cut–off Giới hạn trọng lượng phân tử NHS N–Hydroxysuccinimide N–Hydroxysuccinimide Polyamidoamine dendrimer Phosphate–Buffered Saline Solution Polyamidoamine dendrimer Dung dịch muối đệm phosphate PEI Poly ethylennimine Poly ethylennimine PGL Pyrrogallol Pyrrogallol PLA Poly lactic acid Poly lactic acid PLGA Poly(lactic–co–glycolic acid) Poly(lactic–co–glycolic acid) PLL Poly–L–lysine Poly–L–lysine PPGL Purpurogallin Purpurogallin SRB Sulforhodamine B Sulforhodamine B TTGA Tetraguaiacol Tetraguaiacol Tyr Tyramine Tyramine UV–Vis Ultraviolet–visible spectroscopy Phổ hấp thụ tử ngoại–khả kiến PAMAM PBS vii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1 Danh mục các hoá chất được sử dụng 28 Bảng 2.2 Danh mục dụng cụ và thiết bị sử dụng 29 Bảng 2.3 Khối lượng He tương ứng với các tỉ lệ phản ứng giữa (Ge–His)–He (w/w) 31 Bảng 2.4 Các thông số tính toán hiệu suất phản ứng và hiệu mang He 33 Bảng 2.5 Hàm lượng các dung dịch hỗn hợp được cho vào cuvette phép đo hoạt lực enzyme 34 Bảng 2.6 Hàm lượng các dung dịch được cho vào cuvette phép đo hoạt tính 35 Bảng 2.7 Khảo sát thời gian gel hoá hệ xúc tác tối ưu thay đổi hàm lượng H2O2 37 Bảng 2.8 Khảo sát thời gian gel hoá hệ xúc tác tối ưu thay đổi hàm lượng xúc tác 38 Bảng 2.9 Khảo sát thời gian gel hoá ba hệ xúc tác ở các điều kiện tối ưu 39 Bảng 3.1 Các thông số động học các hệ xúc tác đã tổng hợp, He–Na và HRP 58 viii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn các bước hình thành hydrogel Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn liên kết ngang vật lý hydrogel Hình 1.3 Tương tác tạo liên kết hydro hyaluronic acid methylcellulose Hình 1.4 Tương tác kỵ nước Hình 1.5 Tương tác ion Hình 1.6 Tương tác lập thể D – lactide L – lactide Hình 1.7 Sơ đồ biểu diễn liên kết ngang hoá học hydrogel Hình 1.8 Tạo liên kết ngang bằng phản ứng Schiff–base Hình 1.9 Tạo liên kết ngang bằng Glutaraldehyde Hình 1.10 Liên kết ngang hình thành với diện HRP H2O2 Hình 1.11 Truyền tải thuốc bằng hệ thống chứa Hình 1.12 Truyền tải thuốc bằng hệ thống nền Hình 1.13 Cải Horseradish – nguồn giàu peroxidase 11 Hình 1.14 Cấu trúc hai chiều HRP isoenzyme C (HRP C) 12 Hình 1.15 Cấu trúc ba chiều peroxidase isoenzyme, nhóm heme (có màu đỏ) nằm giữa, nguyên tử calcium (hiển thị dạng cầu màu xanh) 13 Hình 1.16 Liên kết ngang hình thành với diện HRP H2O2 14 Hình 1.17 Cơ chế xúc tác các hợp chất vòng thơm HRP diện H2O2 14 Hình 1.18 Liên kết ngang bởi enzyme liên hợp Dex–Tyr 15 Hình 1.19 Sơ đồ tổng hợp 𝜺–Polylysine–Polyethyleneglycol –Tyr (PPT) 16 Hình 1.20 Quy trình tổng hợp chất đồng trùng hợp PPLG–g–Man/HPPA 17 Hình 1.21 (A) Sơ đờ minh họa cho hình thành mạng lưới liên kết ngang hydrogel PPLG–g–Man / HPPA; (B) Ảnh chụp tiền chất PPLG–g–Man/HPPA hydrogel (6% (w/v)) được tạo thành với 1,0 đơn vị/mL HRP 2,4 mM H2O2; (C) ix Hình ảnh SEM hydrogel PPLG–g–Man/HPPA đông khô được liên kết ngang với 1,0 đơn vị/mL HRP H2O2 1,6 mM 18 Hình 1.22 Cấu trúc He 19 Hình 1.23 Cấu trúc đề xuất cho poly (NIPAAm / MBA / He) 20 Hình 1.24 Sơ đồ tổng hợp PMDNAzyme 21 Hình 1.25 Minh họa sơ đờ về hình thành hệ thống siêu phân tử He GroEL trình xúc tác 22 Hình 1.26 Cấu trúc Ge 23 Hình 1.27 Sơ đờ tởng hợp để hình thành Ge–Ph sử dụng EDC NHS 25 Hình 1.28 Ảnh chụp dung dịch Ge 3% (w/v) Ge–Ph (a) trước (b) sau thêm HRP H2O2 lần lượt ở đơn vị/mL 10 mM Các hủ bi ở (b) được ủ ngày ở 37oC 25 Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp hệ trung gian Ge–His 30 Hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp hệ xúc tác Ge-His-He 31 Hình 3.1 Phương trình phản ứng giữa Ge và His hoạt hoá hệ xúc tác EDC/NHS 44 Hình 3.2 Phổ 1H–NMR (A) Ge nguyên chất [33] và (B) Ge–His dung môi D2O 45 Hình 3.3 Phổ hồng ngoại (A) Ge, (B) His và (C) Ge–His 46 Hình 3.4 Phổ Raman Ge, His và hệ Ge–His 47 Hình 3.5 Phương trình phản ứng giữa Gel–His và He 48 Hình 3.6 Phổ hồng ngoại (A) Ge–His, (B) He và (C) hệ xúc tác Ge–His–He 49 Hình 3.7 Phổ Raman Ge–His, He và hệ xúc tác Ge–His–He 50 Hình 3.8 Bước sóng hấp thụ He ở các nồng độ khác môi trường đệm PBS pH 10 51 Hình 3.9 Bước sóng hấp thụ He, Ge–His và hệ xúc tác Ge–His–He môi trường đệm PBS pH 10 51 Hình 3.10 Phương trình đường chuẩn He môi trường đệm PBS pH 10 52 x Hình 3.11 Hiệu suất tổng hợp hệ xúc tác Ge-His-He [H (%)] và hiệu suất mang He [C (%)] 53 Hình 3.12 Ảnh hưởng nồng độ chất 57 Hình 3.13 Đờ thị biểu diễn tốc độ xúc tác ban đầu về phương trình Lineueauer–Burk 57 Hình 3.14 Quá trình chuyển đổi GA thành TTGA được xúc tác bởi hệ enzyme Ge– His–He (hoặc HRP) có mặt H2O2 58 Hình 3.15 Quá trình chuyển đổi PGL thành PPGL được xúc tác bởi hệ enzyme Ge– His–He (hoặc HRP) có mặt H2O2 59 Hình 3.16 Khả xúc tác hệ Ge–His–He 1:0,75 ở các nồng độ H2O2 khác 60 Hình 3.17 Khả xúc tác HRP ở các nồng độ H2O2 khác 60 Hình 3.18 Chu trình xúc tác HRP được đơn giản hóa – phản ứng quan trọng xảy có mặt chất có vòng thơm (trường hợp này sử dụng phenol làm chất) 62 Hình 3.19 Khả xúc tác HRP và hệ xúc tác Ge–His–He 1:0,75 ở các nồng độ H2O2 khác 63 Hình 3.20 Kết gây độc nguyên bào sợi theo phương pháp nhuộm SRB 64 Hình 3.21 Kết theo phương pháp nhuộm AO:EB 65 Hình 3.22 Liên kết ngang hình thành với diện hệ xúc tác H2O2 66 Hình 3.23 Thời gian gel hoá hệ xúc tác Ge–His–He 1:0,75 ứng với hàm lượng H2O2 khác 67 Hình 3.24 Thời gian gel hoá hệ xúc tác Ge–His–He 1:0,75 ứng với hàm lượng xúc tác khác 67 Hình 3.25 Thời gian gel hoá ba hệ xúc tác Ge–His–He 1:0,75; HRP và He–Na ứng với điều kiện tạo gel tối ưu 68 Hình 3.26 Trạng thái (A) trước và (B) sau gel hoá hệ xúc tác Ge–His–He69 xi DANH MỤC PHỤ LỤC PL1.1 Phổ 1H–NMR Gel–His dung môi D2O 76 PL1.2 Phổ hồng ngoại Ge 76 PL1.3 Phổ hồng ngoại His 77 PL1.4 Phổ hồng ngoại Ge–His 77 PL1.5 Phổ hồng ngoại He 78 PL1.6 Phổ hồng ngoại hệ xúc tác Ge–His–He 78 PL1.7 Kết dựng đường chuẩn để xác định hiệu suất phản ứng (EE) và hiệu suất mang He (HL) 79 PL1.8 Kết đo hoạt lực hệ xúc tác Ge–His–He (1:0,25) 80 PL1.9 Kết đo hoạt lực hệ xúc tác Ge–His–He (1:0,5) 81 PL1.10 Kết đo hoạt lực hệ xúc tác Ge–His–He (1:0,75) 82 PL1.11 Kết đo hoạt lực hệ xúc tác Ge–His–He (1:1) 83 PL1.12 Kết đo hoạt lực He được hoạt hoá NaOH (He–Na) 84 PL1.13 Kết đo hoạt lực HRP 85 PL1.14 Các thông số về hiệu suất phản ứng và hiệu tạo liên liên kết phức giữa He và hệ Gel–His 86 PL1.15 Kết khảo sát thời gian gel hoá hệ xúc tác Ge–His–He ứng với các hàm lượng H2O2 khác 86 PL1.16 Kết khảo sát thời gian gel hoá hệ xúc tác Gel–His–He ứng với các hàm lượng xúc tác khác 87 PL1.17 Các thông số tối ưu cho quá trình tạo hydrogel 87 PL1.18 Kết khảo sát thời gian gel hoá ba hệ xúc tác với các thông số tối ưu 87 PL19 Kết gây độc tế bào nguyên bào sợi (Fibroblast) 88 xii [36] Luis M., Hisila S., Rosa E.,Francisco J., Adrian O.(2020) “Studies by 1H NMR and UV–Vis spectroscopy of the molecular recognition of histamine by copper and zinc complexes of polyazamacrocyclic ligands” J Mol Struct 1204, pp 127545 [37] Charles E., Carraher Jr., Michael R., Zamil I., Alisia M (2018) “Group 15 Containing Polyamines from Histamine and Their Ability to Inhibit Cancer Cell Lines from Breast and other Cancers” J Pharm Pharm Res (10), pp 2–3 [38] Diwasasri P., Hendro J., Kartika Anoraga M., Fredy K (2018) “A preliminary study of identification halal gelatin using quartz crystal microbalance (QCM) sensor” Malaysian J Fundam Appl Sci 14 (3), pp 325–330 [39] Mohamed E , Nehad E., Osama M., Souraya A (2017) “Preparation and characterization of biopolymers chitosan/alginate/gelatin gel spheres crosslinked by glutaraldehyde” J Macromol Sci., Part B, 56(6), pp 359–372 [40] Torreggiani A., Tamba M., Bonora S., Fini G (2003) “Raman and IR study on copper binding of histamine” Biopoly Ori Res Biomo 72 (4), pp 290–298 [41] Jingran B., Chuan T., Gong–Liang Z., Hongshun H and Hong–Man H (2020) “Detection of histamine based on gold nanoparticles with dual sensor system of colorimetric and fluorescence” Foods, (3), pp 316 [42] Bagrov V., Nikishin1 I., Pavlova E., Klinov C (2019) “Distribution of polylactide and gelatin in single electrospun nanofibers studied by Raman spectroscopy” In AIP Conf Proce 2064 (1), pp 040001 [43] Farah B., Nazlin K (2006) “Fish gelatin: structure, gelling properties and interaction with egg albumen proteins” Food hydrocolloids, 20 (5), pp.630–640 [44] Tibor J., Lara M., Mile I., Nives M., Helga M and Sanja V (2017) “Optimization of parameters for histamine detection in fish muscle extracts by surface‐enhanced Raman spectroscopy using silver colloid SERS substrates” J Raman Spectrosc 48 (1), pp 64–72 [45] Eleazar S., Alexander C., Hiram J and Luis C (2019) “Detection of histamine dihydrochloride at low concentrations using Raman spectroscopy enhanced by gold nanostars colloids” Nano Mater (2), p.211 [46] Gomathi D., ArunaKumari M., Anitha B., Shyamala R (2016) “Photocatalytic evaluation of Hemin (chloro (protoporhyinato) iron (III)) anchored ZnO hetero– 74 aggregate system under UV/solar light irradiation: A surface modification method” Surf Interfaces 1, pp 52–58 [47] Yuezhen H., Xiaoxun W., Jian S., Shoufeng J., Hongqi C., Feng G., Lun W (2014) “Fluorescent blood glucose monitor by hemin–functionalized graphene quantum dots based sensing system” Anal Chim Acta 810, pp.71–78 [48] Renjis T and Pradeep T (2005) “Interaction of azide ion with hemin and cytochrome c immobilized on Au and Ag nanoparticles” Langm 21 (25), pp 11896– 11902 [49] Peter A., Julio D (2010), “Physical Chemistry”, Oxford University Press, Great Britain, pp 876-884 [50] Ana E., Fernanda S., Orlando F., Oldair D (2008) “Development of a spot test for peroxidase activity monitoring during a purification procedure” Quim Nova 31 (4), pp 731–734 [51] Minami T., Kuroishi T., Ozawa A., Shimauchi H., Endo Y., Sugawara S (2007) “Histamine amplifies immune response of gingival fibroblasts” Journal of dental research, 86 (11), pp 1083-1088 [52] Leonardi A., DeFranchis G., De Paoli M., Fregona I., Plebani M and Secchi, A.G (2002) “Histamine-induced cytokine production and ICAM-1 expression in human conjunctival fibroblasts” Current eye Res 25 (3), pp.189-196 s 75 PHỤ LỤC PL1.1 Phổ 1H–NMR Gel–His dung môi D2O PL1.2 Phổ hồng ngoại Ge 76 PL1.3 Phổ hồng ngoại His PL1.4 Phổ hồng ngoại Ge–His 77 PL1.5 Phổ hồng ngoại He PL1.6 Phổ hồng ngoại hệ xúc tác Ge–His–He 78 PL1.7 Kết dựng đường chuẩn để xác định hiệu suất phản ứng (EE) và hiệu suất mang He (HL) 79 PL1.8 Kết đo hoạt lực hệ xúc tác Ge–His–He (1:0,25) 80 PL1.9 Kết đo hoạt lực hệ xúc tác Ge–His–He (1:0,5) 81 PL1.10 Kết đo hoạt lực hệ xúc tác Ge–His–He (1:0,75) 82 PL1.11 Kết đo hoạt lực hệ xúc tác Ge–His–He (1:1) 83 PL1.12 Kết đo hoạt lực He được hoạt hoá NaOH (He–Na) 84 PL1.13 Kết đo hoạt lực HRP 85 PL1.14 Các thông số về hiệu suất phản ứng và hiệu tạo liên liên kết phức giữa He và hệ Gel–His Hệ xúc tác : 0,25 : 0,5 : 0,75 1:1 Nồng độ He theo lý thuyết (ppm) 8,33 10,71 12,5 Nồng độ He thực tế đo (ppm) 3,149 4,859 6,124 6,477 Độ hấp thụ trung bình bước sóng 385.5nm 0,367 0,558 0,699 0,740 Nồng độ Hemin hệ xúc tác trung bình– C (%) 12,60 ± 0,50 19,44 ± 0,20 24,50 ± 0,3 25,91 ± 0,4 Hiệu suất tổng hợp hệ xúc tác trung bình– H (%) 62,98 ± 2,40 58,31 ±0,54 57,16 ± 0,75 51,82 ± 0,76 Thông số PL1.15 Kết khảo sát thời gian gel hoá hệ xúc tác Ge–His–He ứng với các hàm lượng H2O2 khác Hàm lượng H2O2 (%) Hàm lượng H2O (%) Thời gian gel hoá (giây) 0.01 84,89 130 ± 0.02 84,88 38 ± 3 0.03 84.87 27 ± 0.04 84,86 20 ± STT Hệ xúc tác (Gel–His)– He Hàm lượng xúc tác (%) Hàm lượng Gel–Tyr (%) : 0,75 0,1 15 86 PL1.16 Kết khảo sát thời gian gel hoá hệ xúc tác Gel–His–He ứng với các hàm lượng xúc tác khác STT Hệ xúc tác (Ge–His)– He Hàm lượng xúc tác (%) Hàm lượng Ge–Tyr (%) Hàm lượng H2O2 (%) 0,04 : 0,75 0,06 0.08 0.04 15 0,1 Hàm lượng H2O (%) Thời gian gel hoá (giây) 84,92 121 ± 84,90 37 ± 84.88 25 ± 84,86 20 ± PL1.17 Các thông số tối ưu cho quá trình tạo hydrogel Hàm lượng xúc tác (%) Hàm lượng Ge–Tyr (%) Hàm lượng H2O2 (%) Hàm lượng H2O (%) 0,1 15 0,04 84,86 PL1.18 Kết khảo sát thời gian gel hoá ba hệ xúc tác với các thông số tối ưu STT Xúc tác Hệ Ge–His–He 1:0,75 HRP He–Na Hàm lượng xúc tác (%) Hàm lượng Ge–Tyr (%) Hàm lượng H2O2 (%) Hàm lượng H2O (%) Thời gian gel hoá (giây) 20 ± 0,1 15 0,04 84.86 17 ± 70 ± 87 PL19 Kết gây độc tế bào nguyên bào sợi (Fibroblast) 88 ... KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Kết tổng hợp hệ xúc tác Gelatin? ??Histamine? ?Hemin 44 3.1.1 Tổng hợp Gelatin? ??Histamine 44 3.1.2 Tổng hợp Gelatin? ??Histamine? ?Hemin ... Ge Gelatin Gelatin Ge–Tyr Gelatin? ??Tyramine Gelatin? ??Tyramine H (%) – Hiệu suất tổng hợp Gelatin? ??Histamine– Hemin H O2 Hydrogen peroixide Hydrogen peroixide He Hemin Hemin H–NMR AO vi He-Na Hemin? ??NaOH... cấu trúc tương tự enzyme HRP nên cũng có khả xúc tác phản ứng vòng với diện H2O2 [20] Cơ chế xúc tác vòng He cũng tương tự chế xúc tác enzyme HRP Tâm Fe tác nhân xúc tác với diện H2O2