Multicompartment calcium alginate microreactors to reduce substrate inhibition in enzyme cascade reactions

文献情報

出版日 2023-09-14
DOI 10.1039/D3SM00816A
インパクトファクター 3.679
著者

Yongkang Xi, Bradley D. Frank, Apostolos Tatas, Lukas Zeininger


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要旨

The formation of macromolecularly enriched condensates through associative or segregative liquid–liquid phase separation phenomena is known to play a central role in controlling various cellular functions in nature. The potential to spatially and temporally modulate multistep chemical reactions and pathways has inspired the use of phase-separated systems for the development of various synthetic colloidal micro- and nanoreactor systems. Here, we report a rational and synthetically minimal design strategy to emulate intended spatiotemporal functions in morphologically intricate and structurally defined calcium alginate hydrogel microreactors possessing multicompartmentalized internal architectures. Specifically, we implement a thermal phase separation protocol to achieve fine-control over liquid–liquid phase separation inside complex aqueous emulsion droplet templates that are loaded with hydrophilic polymer mixtures. Subsequent gelation of alginate-containing droplet templates using a novel freeze–thaw approach that can be applied to both scalable batch production or more precise microfluidic methods yields particle replicas, in which subcompartmentalized architectures can be retained. Larger active components can be enriched in the internal compartments due to their preferential solubility, and we show that selective sequestration of enzymes serves to create desired microenvironments to control and tune the reaction kinetics of a multistep enzyme cascade by reducing their mutual interference. This demonstration of mitigating substrate inhibition that is based primarily on optimizing the multicompartmentalized hydrogel particle morphology offers new opportunities for the simple and synthetically-minimal batch generation of hydrogel-based synthesis microreactors.

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掲載誌

Soft Matter

Soft Matter
CiteScore: 6
自己引用率: 10.3%
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Soft Matter provides a unique forum for the communication of significant advances in interdisciplinary soft matter research. There is a particular focus on the interface between chemistry, physics, materials science, biology and chemical engineering. Research may report new soft materials or phenomena, encompass their design, synthesis, and use in new applications; or provide fundamental insight and observations on their behaviour. Experimental, theoretical and computational soft matter approaches are encouraged. The scope of Soft Matter covers the following. Soft matter assemblies, including colloids, granular matter, liquid crystals, gels & networks, polymers, hybrid materials, active matter and further examples Soft nanotechnology, soft robotics and devices Synthesis, self-assembly and directed assembly Biological aspects of soft matter including proteins, biopolymers, cells and tissues Surfaces, interfaces and interactions Phase behaviour, coacervation and rheological behaviour Sustainable soft materials including recycling, circular economy and end of life Mechanistic insights and modelling

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