Termodinâmica de formação de complexo entre quimosina e nanopartícula de ferro

Abstract

A incorporação de enzimas em sistemas híbridos com nanopartículas tem se destacado como uma abordagem promissora, especialmente em aplicações industriais onde as enzimas desempenham funções essenciais, como na fabricação de queijos e outros produtos alimentícios. A interação entre a quimosina (QUI), enzima chave na coagulação do leite, e nanopartículas de ferro (NPFe) pode ser de grande interesse na área de lácteos, uma vez que pode melhorar a estabilidade, a funcionalidade e a reutilização dessas enzimas em ambientes industriais desafiadores. Este estudo investigou a interação molecular entre (QUI) e NPFe utilizando espectroscopia de fluorescência (EF) e calorimetria de titulação isotérmica (ITC). A pesquisa demonstrou a formação de complexos QUI-NPFe com elevada estabilidade, caracterizados por constantes de ligação na ordem de 107 a 109 L·mol- . A análise EF revelou um mecanismo predominantemente estático com constantes de supressão (Kq) da ordem de 1016 L·mol-1·s-1. Os valores negativos de energia livre de Gibbs confirmaram a espontaneidade do processo de adsorção em todas as condições experimentais. Foi observada uma transição nos valores de entalpia com o aumento da temperatura, indicando uma alteração no mecanismo predominante de interação, de hidrofóbico para hidrofílico. A análise por ITC complementou estes achados ao demonstrar a complexidade do processo de adsorção, evidenciada pela variação não linear de entalpia aparente de interação com magnitudes na ordem de 106 kJ·mol-1. A elevada afinidade entre QUI e NPFe apresenta potencial significativo para aplicações biotecnológicas, incluindo sistemas para recuperação enzimática em laticínios. A utilização de NPFe como suporte para enzimas pode não apenas aumentar a eficiência e a estabilidade das enzimas, mas também tornar os processos mais econômicos e sustentáveis, permitindo a reutilização das enzimas em múltiplas etapas, proporcionando novas perspectivas para a modulação controlada da atividade da quimosina em sistemas alimentícios. Palavras-chave: Calorimetria; Enzimas; Fluorescência; Nanocarreador

The incorporation of enzymes into hybrid systems with nanoparticles has emerged as a promising approach, especially in industrial applications where enzymes play essential roles, such as in cheese production and other food products. The interaction between chymosin (CHY), a key enzyme in milk coagulation, and iron nanoparticles (FeNPs) could be of great interest in the dairy industry, as it may enhance the stability, functionality, and reusability of these enzymes in challenging industrial environments. This study investigated the molecular interaction between CHY and FeNPs using fluorescence spectroscopy (FS) and isothermal titration calorimetry (ITC). The research demonstrated the formation of highly stable CHY- FeNP complexes, characterized by binding constants on the order of 107 to 109 L·mol-1. FS analysis revealed a predominantly static quenching mechanism with quenching constants (Kq) on the order of 1016 L·mol-1·s-1. The negative Gibbs free energy values confirmed the spontaneity of the adsorption process under all experimental conditions. A transition in enthalpy values was observed with increasing temperature, indicating a shift in the predominant interaction mechanism from hydrophobic to hydrophilic. ITC analysis complemented these findings by demonstrating the complexity of the adsorption process, evidenced by the nonlinear variation of apparent enthalpy of interaction with magnitudes on the order of 106 kJ·mol-1. The high affinity between CHY and FeNPs holds significant potential for biotechnological applications, including enzyme recovery systems in dairy processing. The use of FeNPs as enzyme supports could not only enhance enzyme efficiency and stability but also make processes more economical and sustainable by enabling enzyme reuse across multiple stages. This provides new perspectives for the controlled modulation of chymosin activity in food systems. Keywords: Calorimetry; Enzymes; Fluorescence; Nanocarrier