सूक्ष्मजीव, वनस्पती आणि प्राणी यांमधील सर्व जीवनावश्यक प्रक्रियांमध्ये विकर (Enzymes) संप्रेरकाचे (Catalyst) काम करतात. या जैवसंप्रेरकांची (Biocatalyst) सहज उपलब्धता, सोप्या उत्पादन पद्धती, त्यांची उत्प्रेरक शक्ती आणि सजीव पेशींच्या सान्निध्यात कार्य करायची त्यांची क्षमता अशा विविध गुणधर्मांमुळे औद्योगिक क्षेत्रात त्यांचा वापर सतत वाढत आहे. अन्नप्रक्रिया, वस्त्रोद्योग, औषधनिर्माण, जैवइंधन निर्मिती, जैव तंत्रज्ञान, कचरा व सांडपाणी व्यवस्थापन अशा विविध क्षेत्रात त्यांचा वापर केला जातो. विशिष्ट सामू (pH) व तापमानाला विकरांची संप्रेरक क्षमता (Catalytic ability) अधिकतम असते. सामान्यत: विकर अस्थिर असतात. परंतु त्यांचे अचलीकरण (Immobilization) केल्यास त्यांची संप्रेरक शक्ती वाढते. या सर्वांमुळे विकरांच्या अचलीकरणाचे महत्त्व दिवसेंदिवस वाढत आहे.
पार्श्वभूमी : साखरेचे विघटन करणाऱ्या इन्व्हर्टेज (Invertase) या नावाच्या विकराचे लाकडी कोळशावरील अचलीकरण १९१६ मध्ये पहिल्यांदा आढळून आले. तेव्हापासून प्रयोगशाळेत कृत्रिमरीत्या विकरांचे अचलीकरण करण्याच्या भौतिक व रासायनिक सदरात मोडणाऱ्या वेगवेगळ्या पद्धती विकसित केल्या गेल्या. अचलीकरण करताना विकराच्या संरचनेत कोणताही बदल न होता त्यांची संप्रेरकशक्ती अबाधित राखणे गरजेचे असते. याकरिता आधारद्रव्याची (Support matrix) आवश्यकता असते.
आधारद्रव्य : आधारद्रव्याचे विविध गुणधर्म हे विकर कार्यक्षमतेला कारणीभूत असतात. दाबरोधकता (Physical resistance tocompression), जलस्नेहीपणा (Hydrophilicity), विकर अनुजाततेबाबतची निष्क्रियता (Enzyme derivatization inertness), सूक्ष्मजंतुप्रतिबंधकता, जैवअनुरूपता (Biocompatibility) आणि अल्पखर्चिक उपलब्धी हे आधारद्रव्याचे मूलभूत गुणधर्म होत. आधारद्रव्य म्हणून वापरले जाणारे पदार्थ सेंद्रिय (Organic) आणि असेंद्रिय (Inorganic) अशा दोन प्रकारचे असतात.
- सेंद्रिय आधारद्रव्ये : स्टार्च, कापसाचे धागे, पेक्टिन (Pectin), अगर (Agar) इत्यादी.
- असेंद्रिय आधारद्रव्ये : सिलिका (Silica), ॲल्युमिना (Alumina) इत्यादी.
विकर अचलीकरण पध्दती : आधारद्रव्य म्हणून वापरल्या जाणाऱ्या पदार्थांवर अधिशोषण (adsorption), सहसंयुज बंध (Covalent bonding), बंदिस्तीकरण (Entrapment) आणि व्यस्त जुळणी (Cross-linking) अशा विविध पद्धतींनी विकरांचे अचलीकरण केले जाते (आकृती १).
(अ) अधिशोषण : अधिशोषक (Adsorbate) व विकर यांचे योग्य सामू आणि आयनिक संहतीला (English words) मिश्रण तयार केले असता विकर अधिशोषकाच्या पृष्ठभागावर स्थिरावते. यावेळी विकर आणि अधिशोषकामध्ये व्हॅन डर वाल (Van der Wall) बल, हायड्रोजन बंध आणि जलरोधी आंतरक्रिया याप्रक्रियांद्वारे संबंध येतो. संपूर्ण क्रियेदरम्यान आधारद्रव्याच्या सभोवतालचा सामू आणि आयनिक संहती कायम राखणे आवश्यक आहे. अन्यथा अधिशोषित विकर विशोषित (Desorption) होतात.
अधिशोषित विकरांचे संरक्षण संपिडीभवन (Agglomeration), प्रथिन अपघटन (Proteolysis) आणि जलरोधी आंतरक्रिया (Hydrophobic interactions) यांद्वारे केले जाते.
त्रुटी : ही पद्धती सामू आणि आयनिक संहती यांबाबत अतिसंवेदनशील आहे.
(ब) सहसंयुज बंध (Covalent Bond) : यामध्ये विकर आणि आधारद्रव्य यांमध्ये योग्य विक्रियाकारकाच्या वापराने सहसंयुज बंध तयार करतात. सहसंयुज बंध तयार होण्याची प्रक्रिया करत असताना पुढील दक्षता घ्यावी लागते :
- विकराची कार्यक्षमता कायम राखणे.
- विकराच्या सक्रियित भागावर (Active sites) विक्रियाकारकाचा प्रभाव पडणार नाही याची दक्षता घेणे.
(क) बंदिस्तीकरण : या पद्धतीमध्ये सच्छिद्र जेल (Porous gel) वापरून विकराची हालचाल नियंत्रित केली जाते. विकराचे बंदिस्तीकरण भौतिक पध्दती किंवा सहसंयुज बंध यांद्वारे होऊ शकते.
(ड) व्यस्त जुळणी : यामध्ये बहुकार्यकारी विक्रियकांद्वारे (Multifunctional reagents) जैवसंप्रेरक एकमेकांशी जोडले जातात. तसेच विकरांची निष्क्रिय प्रथिनांद्वारे व्यस्त जुळणी केली जाते. या पध्दतीमध्ये आधारद्रव्याचा वापर होत नाही.
त्रुटी : विकर अचलीकरणाची व्यस्त जुळणी प्रक्रिया नियंत्रित करणे सहज शक्य होत नाही.
अब्जांश कण वापर करून विकर अचलीकरणाची वैशिष्ट्ये :
- अब्जांश कणांच्या पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ व घनफळ याचे गुणोत्तर सामान्य पदार्थाच्या तुलनेत खूपच जास्त असते. ही बाब विकर अचलीकरण प्रक्रियेला अधिक चालना देणारी आहे.
- अब्जांश कणांचा पृष्ठभाग अतिशय क्रियाशील असतो. त्यामुळे त्यांची अधिशोषणशक्ती आणि संप्रेरक क्षमता जास्त असते.
- विकर अचलीकरण प्रक्रियेतील विसरणाबाबतच्या (Diffusion) अडचणी कमी होतात.
विकर अचलीकरणातील अब्जांश कणांचे महत्त्व : अब्जांश पदार्थांच्या या वैशिष्ट्यांमुळे विकर अचलीकरणासाठी त्यांचा १९८० मध्ये प्रथमत: वापर झाला. अब्जांश पदार्थांमध्ये विकर असंख्य ठिकाणी आणि सर्वत्र एकमेकांशी जोडलेले असतात. परिणामत: विकरांचे स्थैर्य वाढते. या प्रक्रियेत त्यांच्या संप्रेरक क्षमतेवर कोणताही विपरीत परिणाम होत नाही.
तक्त्यामध्ये अब्जांश कण वापराने अचलीकृत विकरे आणि त्यांच्या उपयोजनांची काही उदाहरणे दिली आहेत (आकृती २).
चुंबकीय अब्जांश कण : विकर अचलीकरण प्रक्रियेमध्ये विकर हे भौतिक अथवा रासायनिक बंधाने अब्जांश कणांशी संलग्न असतात. विकरांच्या अचलीकरणासाठी प्रामुख्याने चुंबकीय अब्जांश कणांचा उपयोग केला जातो. कारण अचलीकरण प्रक्रियेनंतर हे कण लोहचुंबकाच्या साहाय्याने सहजपणे काढून टाकता येतात.
विकर अचलीकरणासाठी सोने व चांदी ह्यांचे अब्जांश कण (Nano particle), कार्बन अब्जांश नळ्या (Carbon nanotube), अब्जांश तारा (Nano wire), अब्जांश चाळणी (Filters), चुंबकीय अब्जांश कण (Magnetic nano particle), पुंजकण (Quantum dots) इत्यादींचा वापर करतात.
उपयुक्तता : पिष्ठमय पदार्थ, प्रथिने, मेदाम्ल इत्यादी पदार्थांचे विघटन करणारे विकर तसेच वातावरणामध्ये प्रदूषणकारक घटक पदार्थांचे विघटन करून प्रदूषणाच्या दुष्परिणामांची तीव्रता कमी करणारे विकर अशा अनेक प्रकारच्या विकरांच्या अचलीकरणासाठी अब्जांश पदार्थांचा वापर मोठ्या प्रमाणावर केला जातो. विकर अचलीकरणासाठी अब्जांश कणांच्या उपयुक्ततेबाबत विस्तृत संशोधन जगभर सुरू आहे.
संदर्भ :
- Ahmad R, Sardar M., Journal of Biochemistry and Analytical Biochemistry, 4:178 (2015).
- Dasgupta, A. K.; Mukhopadhyay, A.et al Bioresource Technology2012, 116:348-54.
समीक्षक : वसंत वाघ
