Since the enzyme encapsulation in mesoporous silica could mimic the confined and crowded protein environments in a living cell, the immobilized enzymes in mesoporous silicates were investigated as a possible experimental system for estimating the effects of macromolecular crowding in a confined space on protein thermal stability. Glucose oxidase (GOX) was encapsulated in the both mesoporous silicates at the first, MSU-F and SBA-15, as a model enzyme. The pore diameters of both MSU-F (30 nm) and SBA-15 (8 nm) are large enough to encapsulate GOX. SBA-15 is channel type structure while MSU-F has the structure of cellular form as well. Therefore, GOX molecules (5.2 nm × 6.0 nm × 7.7 nm) can be confined in channel type pore structure of SBA-15 as well as crowded in those inside the mesopore structures. The amount of enzyme loading on the silica supports was controlled by varying initial concentrations of enzyme solution at the adsorption step. During pre-determined time of thermal incubation, the silicate entrapping more GOX molecules retained higher activity than that of less enzyme molecules. As the concentrations of free GOX solutions were increased, thermal stability of enzyme inside the pore was also enhanced presumably in virtue of the crowding effect as well as confinement effect. This result suggests that more confined and crowded environment can enhance the thermal stability of enzymes.
효소는 기질의 다양성 및 특이성으로 여러 가지 효소반응 및 유기반응에 널리 이용되는 생촉매이다. 효소를 사용함에 있어 가장 문제가 되는 점은 효소의 활성이 시간에 따라 감소하는 낮은 안정성엥 있다. 이 문제를 해결하기 위한 방법으로 나노 재료에 효소를 고정화시키는 연구가 많이 진행되어 왔다. 나노 재료는 기존의 고정화 지지 물질에 비해 단위 부피당 큰 표면적을 가지고 있어서 보다 집적된 상태의 고정화가 가능해 높은 활성을 유도 할 수 있는 장점이 있다.
본 연구에서는 메조포러스 실리카의 기공 안에 위치한 효소분자의 거동이 실제 생체내에서의 단백질의 거동을 효과적으로 모사한다는 데 착안하여, 효소 분자의 밀집 정도가 효소분자의 Intrinsic thermal stability에 미치는 영향(Crowding effect)을 연구하였다. 또한 생체 내의 단백질 분자는 제한된 공간(cell 내부)안에 고농도로 존재하는데, 이의 거동을 실험하기 위해 실제 solution상에서 이와 비슷하 고농도의 단백질 용액을 만들게 되면, 엉기는 현상이 발생해 효과적으로 모사할 수 없지만 적절한 크기의 mesopore 안에 위치한 효소의 로딩 양을 적절히 조절함으로써 효소분자의 Crowding정도를 조절해 제한된 환경을 만들어서(Confinement effect) 그 영향을 실험적으로 증명 할 수 잇다. 그 결과 이론적인 모델링으로 예상된 것과 같이 보다 많이 Crowding 되어 있는 경우 효소의 stability 가 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 과 다양한 다른 특성을 가진 두가지 메조포러스 미디어에 Glucose Oxidase 를 물리적 흡착시키는 방법으로 효소를 고정화 함으로서 효소의 열적 안정성을 크게 안정화 시켰다.
