Polydopamine-assisted one-pot laccase immobilization on PDVF membranes

Abstract

Como catalisadores de reações bioquímicas, as enzimas desempenham um papel fundamental na manutenção do equilíbrio ambiental. Dentro do grupo de enzimas, as lacasses (LC) se destacam como oxirredutases multicobre amplamente versáteis, sendo amplamente estudadas e aplicadas na indústria devido à sua eficácia na quebra de compostos complexos e na degradação de substâncias diversas. No entanto, as LC demandam o desenvolvimento de estratégias adicionais para aumentar sua estabilidade, o que geralmente adiciona várias etapas aos processos enzimáticos, muitas vezes complexas e com a necessidade de diversos compostos químicos para tratar a estabilidade da enzima. Este trabalho apresenta uma metodologia inovadora de imobilização enzimática em passo único, utilizando polidopamina (PDA) auto polimerizada catalisada com LC. Esse processo imobiliza a lacasse na superfície de uma membrana de PVDF (fluoreto de polivinilideno) em uma única etapa. As membranas de PVDF oferecem resistência química excepcional, estabilidade térmica, resistência mecânica e altas taxas de fluxo, sendo adequadas para aplicações de filtração versáteis. A integração da PDA potencializa ainda mais esse sistema, proporcionando forte adesão, funcionalização versátil para imobilização eficaz das enzimas, e maior estabilidade contra agentes ambientais. A PDA também contribui para estabilizar a atividade enzimática, simplificar o processo de imobilização, resistir ao entupimento e permitir a reutilização das enzimas, fatores que tornam o processo uma solução econômica e escalável. O sistema PVDF-PDA-LC cria um efeito sinérgico que melhora significativamente a eficiência, a estabilidade e o desempenho geral. O processo de imobilização desenvolvido utiliza dopamina (DP) como precursor, explorando a polimerização in situ para produzir PDA, conseguindo a imobilização enzimática em PVDF em um único passo. Os resultados obtidos foram significativos, apresentando um biocatalisador funcionalizado com alta atividade enzimática e ampla estabilidade operacional. Os dados revelam as condições ideais de imobilização para maximizar a atividade enzimática: 30 minutos com uma concentração de LC de 2 mg·mL-1 e uma concentração de dopamina de 0,25 mg·mL 1, além de demonstrar um aumento na estabilidade de pH e temperatura do suporte em relação a enzima livre, apresentando um grande destaque na estabilidade de reutilização do processo, o biocatalisador resistiu a um processo de reuso de 60 ciclos mantendo a atividade enzimática acima de 60% em relação a atividade inicial. A aplicabilidade do método a outros tipos de membranas foi testada, comprovando a eficácia do método no processo de imobilização, destacando a viabilidade do processo e seu potencial de aplicação.

Abstract: As catalysts of biochemical reactions, enzymes play a fundamental role in maintaining environmental equilibrium. Among enzymes, laccases (LC) stand out as versatile multicopper oxidases, widely studied and applied in the industry due to their effectiveness in breaking down complex compounds and degrading various substances. However, LC requires the development of additional strategies to enhance its stability, which often introduces multiple steps to enzymatic processes, frequently complex and involving various chemical compounds to stabilize the enzyme. This work presents an innovative one-step methodology for enzyme immobilization, using self polymerized polydopamine (PDA) catalyzed with LC. This process immobilizes laccase on the surface of a PVDF (polyvinylidene fluoride) membrane in a single step. The integration of PDA further enhances this system by providing strong adhesion, versatile functionalization for effective enzyme immobilization, and increased stability against environmental stressors. PDA also helps stabilize enzymatic activity, simplifies the immobilization process, resists fouling, and allows for enzyme reuse, making the process both economical and scalable. The PVDF-PDA-LC system creates a synergistic effect that significantly improves efficiency, stability, and overall performance. The developed immobilization process uses dopamine (DP) as a precursor, leveraging in situ polymerization to produce PDA, achieving enzyme immobilization on PVDF in a single step. The results were significant, showcasing a functionalized biocatalyst with high enzymatic activity and broad operational stability. The data reveal the optimal immobilization conditions to maximize enzymatic activity: 30 minutes with an LC concentration of 2 mg·mL-1 and a dopamine concentration of 0.25 mg·mL-1. Additionally. the process demonstrated enhanced pH and temperature stability of the support and a high reusability rate, proving its applicability to other types of membranes, and highlighting the feasibility and potential application of the process.