Protein adsorption : from interfacial interactions to enzyme activity
(2007)
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- Protein adsorption is crucial in environmental and biomedical fields. The activity of enzymes is affected by adsorption in most processes such as bioconversions (biofuels, biobased chemicals), waste management or pollutant degradation. This work aims to better understand the effect of adsorption on protein properties. Adsorption of an enzyme, beta-glucosidase, and plasma proteins on model materials was investigated in terms of affinity, amount, activity, organization, sensitivity to cleaning and exchange between adsorbed and free protein in solution. The influence of surface properties revealed higher affinity of proteins for hydrophobic compared to hydrophilic surfaces. The enzyme inactivation and spreading were higher on the hydrophobic surfaces. At low enzyme concentration, the inactivation was high on both surfaces. On hydrophilic surfaces, the affinity and adsorbed amount varied largely according to the siliceous and polymer material tested. High affinity and adsorbed layer of overlapping proteins were observed on glass. On a cellulosic swollen material, proteins adsorbed in low amount. The surface acted as protein repellent because of steric repulsion and/or high hydration. High hydration was also suspected at the quartz sand surface, inducing also low affinity and low amount of adsorbed proteins. The effect of a competing organic layer was examined after pre-conditioning of the surfaces with albumin. In this case, the affinity and adsorbed amount of enzyme largely decreased, and the enzyme adsorbing at low concentration was protected from deactivation. The influence of contact time revealed that adsorption is a dynamic process. After rapid adsorption, the adsorbed enzyme relaxed and inactivated with time. Moreover, exchange between free and adsorbed enzyme was proposed to explain the continuous loss of activity in the supernatant. The extent of these adsorption - deactivation cycles depended on the enzyme concentration as well as on the surface properties. Higher deactivation has been observed in presence of hydrophobic surface or when enzyme concentration increased. As conclusion, lower protein - surface interactions are responsible for low affinity, reduced spreading and limited deactivation, high sensitivity to cleaning, high exchange rate, and high activity recovery after desorption. / L'adsorption des protéines est cruciale tant dans le domaine environnemental que biomédical. L'activité des enzymes est affectée par l'adsorption dans de nombreux processus tels que les bioconversions (biocarburants, produits chimiques à base matière renouvelable), la gestion des déchets, ou la dégradation de polluants. L'objectif de ce travail est de mieux comprendre l'effet de l'adsorption sur les propriétés des protéines. L'adsorption d'une enzyme, la beta-glucosidase, et de protéines du plasma, sur des matériaux modèles a été investiguée en termes d'affinité, d'organisation, de sensibilité au nettoyage et d'échange entre protéine adsorbée et libre en solution. L'influence des propriétés de surface a révélé une forte affinité des protéines pour les surfaces hydrophobes par rapport aux surfaces hydrophiles. L'inactivation et l'étalement des enzymes étaient plus importants sur les surfaces hydrophobes. A faible concentration en enzymes, l'inactivation était élevée sur les deux types de surface. Sur les surfaces hydrophiles, l'affinité et la quantité adsorbée variaient fortement en fonction du matériau testé (siliceux ou polymère). Une forte affinité et une couche adsorbée constituée de protéines superposées ont été observées sur le verre. Sur un matériau cellulosique gonflé, les protéines s'adsorbent en faible quantité. La surface agit comme répulsive aux protéines à cause de répulsions stériques et/ou d'une forte hydratation. Une forte hydratation est aussi suspectée à la surface du sable de quartz, induisant aussi une faible affinité et une faible quantité de protéines adsorbées. L'effet compétitif d'une couche organique a été examiné après pré-conditionnement de la surface avec l'albumine. Dans ce cas, l'affinité et la quantité d'enzymes adsorbées ont fortement diminué ; et les enzymes s'adsorbant à faible concentration étaient protégées de la désactivation. L'influence du temps de contact a révélé que l'adsorption est un processus dynamique. Après une adsorption rapide, l'enzyme adsorbée se relaxait et s'inactivait avec le temps. De plus, un échange entre enzyme libre et adsorbée est proposé pour expliquer la perte continue d'activité dans le surnageant. L'étendue de ces cycles adsorption - désactivation dépendait de la concentration en enzyme ainsi que des propriétés de surface. Une désactivation plus élevée a été observée en présence d'une surface hydrophobe ou quand la concentration en enzyme augmentait. En conclusion, de faibles interactions entre protéine et surface sont responsables d'une faible affinité, d'un étalement réduit et d'une désactivation limitée, d'une sensibilité élevée au nettoyage, d'une vitesse d'échange élevée, et d'une forte récupération d'activité après désorption.
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Citations
Caillou, S. (2007). Protein adsorption : from interfacial interactions to enzyme activity. https://hdl.handle.net/2078.5/97548