CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL FCEyN...

CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL FCEyN-INTI

Materia de Articulación CEBI-E5

BIOCATÁLISIS APLICADA

Docente a cargo: Dra. Cristina dos Santos [email protected]

CEBI- E5-Clase 5: Biocatalizadores en medio no convencionales. Aplicaciones de enzimas.

mailto:[email protected]

ESTABILIZACIÓN DE BIOCATALIZADORES

Se pueden estabilizar biocatalizadoresMétodos químicos Modificaciones químicas/conjugación con macromoléculas Inmovilización químicas

Métodos Físicos Inmovilización Física Encapsulación Solventes diferentes agua

Métodos de ingeniería genética Diseño racional Evolución dirigida Expresión de enzimas de organismos termófilos

BIOCATALIZADORES EN MEDIOS NO CONVENCIONALES (no acuosos)

ESTABILIDAD DE BIOCATALIZADORES EN MEDIOS NO CONVENCIONALES

El medio de reacción ( solvente, fuerza iónica, pH ) afecta:- Actividad- Estabilidad- Relación enzima/sustrato /producto- Selectividad- Especificidad

El medio de reacción usualmente permiteregular la selectividad y la actividad de unbiocatalizador– Temperatura– Concentración de sustrato/enzima/producto– Fuerza iónica, pH

Se pueden diseñar estrategias en los solventespara regular estas características

BIOCATALIZADORES EN MEDIOS NO CONVENCIONALES

SOLVENTES ORGÁNICOS

Klibanov y col. (1984,1986)demostraron que algunas enzimas podían variar su selectividad y aumentar su estabilidad térmica en solventes no acuosos

Enzimas ensolventes orgánicos ?

BIOCATALIZADORES EN MEDIOS NO CONVENCIONALESProblemas en aplicaciones en química orgánicade biocatalizadores en medio acuoso

Algunos sustratos y productos son poco solubles en agua En agua ocurren polimerizaciones, descomposiciones, hidrólisis, racemizaciones. En agua las enzimas se desnaturalizan ante cambios de pH , temperatura etc. Es difícil y costoso energéticamente eliminar agua Enzimas son estables en medio biológicos con poco agua

Enzimas ensolventes orgánicos ?


¿Cuál es la importancia y el papel del agua en la actividad enzimática?

Enzimas en solventes orgánicos ?

Enzima parcialmente activa

Enzima activa Enzima se desnaturaliza

S

SS

P P

P

P

S

S

S SS

S

Agua Solvente Orgánico

BIOCATALIZADORES INMOVILIZADOS

SOLVENTES ORGÁNICOS

ENZIMAS EN MEDIOS ORGÁNICOS

ENZIMAS EN SISTEMAS MONOFÁSICOS

AGUA+ S.ORGÁNICO

ENZIMAS EN

SISTEMAS BIFÁSICOS

AGUA/S. ORGÁNICO

ENZIMAS SÓLIDAS SUSPENDIDAS EN FASE

ORGÁNICA

BIOCATALIZADORES INMOVILIZADOS1.Enzimas en medios orgánicos sistemas monofásicos: agua y solventes miscibles en agua

Solventes miscibles con agua : dioxano, dimetilsulfóxido, acetona, metanol, etanol, ter-butanol

Concentraciones del solvente orgánico de 10% a 30% (concentraciones mayores alteran la estructura del agua, puede desnaturalizarse enzima )

Sustratos: lipofílicos con baja solubilidad en agua

Las selectividades de muchas estearasas, lipasas (Lipasa de Candida antartica y proteasas (subtilisina) son incrementadas en estos sistemas que bajan la promiscuidad.

BIOCATALIZADORES INMOVILIZADOS2.Enzimas en medios orgánicos sistemas bifásicos: agua y solventes inmiscibles en agua

Solventes inmiscibles en agua: éteres, aromáticos, clorados.

Relación 1:1 v/v

Sustratos y/o productos lipofílicos con muy baja solubilidad en agua

sustrato sustrato

producto producto

Agua SvO

BIOCATALIZADORES INMOVILIZADOS3. Enzimas sólidas en contacto con solventes orgánicos (sistemas heterogéneos)

Enzima sólida aparentemente seca (liofilizada con aprox. 2% de agua).

Actividad enzimática menor que en agua.

Proteínas nos son compactas son como esponjas de superficies extensas, 1 a 3 x 102

m2/ Kg ( ≈ carbón activado) Pueden sufrir cambios conformacionales

sustrato

producto

SvO

LiofilizadaCristalinaPrecipitada

BIOCATALIZADORES EN MEDIOS NO CONVENCIONALESActividad enzimática

La actividad enzimática en solventes orgánicos puede mejorar si se afectan varios factores:

Actividad termodinámica del aguapHNaturaleza del solvente.Solvatación del sustrato y el producto en el

solventeFormas y estructura de la enzima


Efecto del actividad de agua en la actividad enzimática

aw del solvente debe ser compatible con el contenido de agua y actividad de agua que la enzima necesita para estar activa.

En sistema no acuosos la humedad está entre 0,01 a 2%

Trabajar con solventes aw constante Agregar sales correspondientes

ENZIMA

ENZIMA

ENZIMA

BIOCATALIZADORES EN MEDIOS NO CONVENCIONALES Solventes orgánicosEfecto del actividad de agua en la actividad enzimática

La enzima sigue teniendo agua asociada a su estructura. Muchas enzimas nos son activas sin H2O y el número de moléculas necesaria depende de la enzimas

Distribución espacial del agua en la enzima cutinasa (SER-protease) en diferentes solventes orgánicos (Micaelo N.M. and Soares C.M. (2007), FEBS J., 274, 2424-2436)

Ejemplos α-quimotripisina 50 mol agua/mol.

Prot. PFO 3 x107 mol agua/mol. Prot. Lipasa ..trazas de agua



Actividad termodinámica del aguapHNaturaleza del solvente.Solvatación del sustrato y el producto en el


pH: memoria de las enzimas

BIOCATALIZADORES EN MEDIOS NO CONVENCIONALES Solventes orgánicos (SvO)

Efecto pH

El estado de ionización de los grupos cargados de una proteína no cambia cuando se coloca en un solvente orgánico y por lo tanto permanece “congelado”.

Es importante emplear, enzimas sólidas que han sido recuperadas por liofilización o precipitación a su pH óptimo.



Actividad termodinámica del aguapHNaturaleza del solvente. Solvatación del sustrato y el producto en el


Enzima en SvO Especifidad sustrato Enantioselectividad Quimioselectividad Regioselectividad Rigidez Estabilidad y solubilidad

sustrato El ligando índice memoria de la

enzima En general baja la actividad catalítica

Modifica la actividad de la enzima y su especifidad y selectividad porque cambia el número de sitios activos (SA) y la concentración de sustratos y productos en el entorno de la enzima.

La enzima está rígida y esos determina que cambie su selectividad

Cambia el agua disponible en el entorno enzima


Efecto solvente

Quimotripsina en agua o mezcla de solventes ( agua, 30% dioxano, 14% acetona y 13% ACN ) igual número de sitios activosA en octano tiene 2/3 de SA.


Efecto solvente: biocompatibilidad

Se pueden predecir la solubilidad de un compuestos en un solvente orgánico conociendo- Ɛ constante dieléctrica- µ momento dipolar - Hidrofobicidad: se expresa como log P, (que es el coeficiente de partición n-

octanol/agua de un dado solvente X)log P = log ([X(octanol]/[X(agua)])

Log P agua =-0.29


Efecto solvente: biocompatibilidad

Aumenta logP aumenta la actividad enzimática en este caso producción de epóxidos en cultivos celulares


Efecto solvente: Selectividad

La ausencia de agua permite que una enzima dada catalice nuevas reacciones enzimáticas.Por ejemplo, en agua, numerosas lipasas, esterasas y proteasas catalizan la hidrólisis de ésteres y amidas, mientras que en solventes orgánicos anhidros esto no ocurre.

Al agregar distintos nucleófilos como alcoholes, aminas o tioles, es posible lograr reacciones de transesterificación, aminólisis y tiotransesterificación respectivamente.

La síntesis de ésteres a partir de un ácido y un alcohol (inversa de la hidrólisis) se vuelve termodinámicamente favorable.



Selectividad enzimática varía con el medio de reacción porque…

Hipótesis 1: el solvente podría modificar la conformación de la enzima e influir en la selectividad al alterar el proceso de reconocimiento molecular entre la enzima y el sustrato

Hipótesis 2: la selectividad depende de la solvatación del sustrato

Hipótesis 3: el solvente podría unirse al sitio activo y dependiendo de su estructura intervenir en la asociación o transformación de por ejemplo un enantiómero y no el otro


Efecto solvente: Selectividad de grupos funcional

Acetato de metilo o ACN

R

s


LIPASAS: glicerol-éster hidrolasas; EC 3.1.1.3

LIPASAS pueden catalizar reacciones:- Esterificaciones- Transesterificacio

nes- Aminólisis- Adición de

Michael- Polimerización

por condensación - -polimerizaciones

aniónicas


LIPASAS

LIPASAS pueden catalizar reacciones:- Esterificaciones- Transesterificaciones- Aminólisis- Adición de Michael- Polimerización por

condenasación- -polimerizaciones

aniónicas



Son enzimas… -solubles en agua-actúan sobre S y dan P insolubles en agua-actúan en la interfaz Agua/Solvente orgánico-incrementan actividad al superar la concentración micelar crítica o activación interfacial-No responden a modelo de MyM-se utilizan mucho inmovilizadas en soportes hidrofóbicos

Sustrtato agregado x la presencia de interfaseagua /SO



Fuentes de lipasas utilizadas en Biotecnología


Lipasas aumento de la estabilidad en el tiempo

Heptanol 0,015 % de agua

Heptanol 0,8 % de aguaAgua

LIPASA PANCREÁTICA de CERDO

Tributirato de glicerilo



Eter etílicoo

ciclohexano





Acetato de 2-feniletanol

2-feniletanol



Optimización de la selectividad de una lipasa de Pseudomonas sp. CAMBIANDO SOLVENTEAcilación del trans –sobrerol, un fármaco mucolítico.

AcO



Actividad termodinámica del aguapHNaturaleza del solvente. Solvatación del sustrato y el producto en el



Forma de la enzima

Las enzimas pueden estar

Liofilizadas Precipitadas Cristalinas

Adsorbidas sobre soportes de material inerte: celite,silicagel

Actividad enzimática en ese medio puede ser mejorada, a veces cien veces, si la enzima se liofiliza a partir de soluciones acuosas que tienen el pH óptimo para la catálisis

Actividad enzimática en ese medio puede ser mejorada, hasta cuatro veces , si la enzima se liofiliza en presencia de estabilizantes que evitan la desnaturalización como ser trehalosa, sacarosa, glicerol, sales .


Rigidez de la enzima

Solventes orgánicos afectan las interacciones supramoleculares intra y inter enzima.

Como tienen menores constantes dieléctrica que el agua no favorecen puentes H pero si las interacciones electrostáticas intraproteína aumentando la rigidez de la molécula.

Adicionando pequeñas cantidades de glicerol o agua aumenta la flexibilidad y permite trabajar a temp. menores a 0ºC

CRIOENZIMOLOGIA


Enzimas : Aditivos

Son sustancias que actúan estabilizando las enzimas (datos empíricos).

Polialcoholes (glicerol). Proteínas inactivas ( seroalbúmina bovina) Pequeñas moléculas polares (sales)


Enzima inmovilizadasMembrana de policetonas (PK)

Inmovilización covalente de lacasa ( en membrana de policetonas.

Solventes monofásicos Agua/DMSO o Agua /etanol aumento 2,3 veces AE respecto de la enzima libreSistemas continuos 240% incremento respecto batch. Estabilidad x 40dias, 10 ciclos de 50hs

C. Liu, D. Saeki, L. Cheng, J. Luo, H. Matsuyama, Polyketone-based membrane support improves the organic solvent resistance of laccase catalysis, Journal of Colloid and Interface Science (2019), doi: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.03.003


PROBLEMAS TÉCNICOS

Como las enzimas son insolubles en la mayoría de los solventes orgánicos, las suspensiones de enzima deben ser agitadas vigorosamente para minimizar los problemas concernientes ala transferencia de masa de los sustratos.

Problema cinético Coeficiente de transferencia de masa

Problema termodinámicoCoeficiente de partición

BIOCATALIZADORES EN MEDIOS NO CONVENCIONALESAplicación de enzimas en procesos orgánicos

VENTAJAS Rigidez conformacional La enzimas mantienen su conformación activa Mayor estabilidad térmica Mayor solubilidad de muchos sustratos Insolubilidad de la enzima Selectividad alterada, incluyendo la especificidad

de sustrato, enantioselectividad, regioselectividad y quimioselectividad

Separación de productos de la enzima es más fácil

Mayores rendimientos en reacciones con sustratos o productos hidrofóbicos

No hay contaminación microbianan medio orgánico es un medio hostil para la vida de las células, por tanto la contaminación microbiana es despreciable (decisivo a escala industrial, donde mantener la esterilidad podría ser un serio problema)

Mayor actividad enzimática Pueden ser suprimidas reacciones secundarias

inducidas por el agua, como la hidrólisis de anhídridos

El biocatalizador es insoluble en el medio de reacción, en consecuencia puede ser fácilmente recuperado que en medio acuoso

Se minimiza la desactivación de las enzimas frente a sustratos y productos hidrofóbicos

Algunas enzimas se recuperan al final del proceso Permite la catálisis de reacciones que son poco

favorables en medios acuosos (por ejemplo, la inversión de las reacciones de hidrólisis a favor de la síntesis)


Aplicación de enzimas en solventes orgánicos

Conversión de insulina porcina en humana

Se utiliza una proteasa deAchromobacter lyticus que escompletamente específica ahidrolizar la union peptídicaLa misma enzima cataliza lacondensación en Ácidotrifluoracético


Aplicación de enzimas en solventes orgánicos

Inhibición de la polimerización de quinonas en la obtención de polifenoles

El uso preparativo de la PFO tiene el problema que en agua las quinonas se polimerizan e se inactiva la enzima.

Utilizando solventesorgánicos las quinonas se estabilizan y luego se reducen con AA para obtener polifenoles

BIOCATALIZADORES EN MEDIOS NO CONVENCIONALESAplicación de enzimas en solventes orgánicos

Bioimpresión de enzimas

L es un ligando quiral similar al sustrato

La enzima se rigidiza conservando la ·”memoria” de L en el sitio activo y conservando la especificidad quiral.La memoria se pierde si se vuelve a solución acuosa.

COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE CATALIZADORES QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS ENNUEVOS PROCESOS.

El término química verde (QV) usado a partir de década de los noventa y se define como "el diseño de procesos y productos químicos que reduce o elimina la generación de sustancias peligrosas".

Surge por la demanda por parte de la sociedad de procesos químicos sostenibles con el medio ambiente y benignos para la salud

COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE CATALIZADORES QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS ENNUEVOS PROCESOS.

Catálisis Práctica y

sustentable


Otros medios no convencionales

• Fluidos supercríticos

• Líquidos iónicos

• Catálisis miscelar


Fluidos supercríticos

FSC de a presión y temperatura altas, en las que los gases se comportan como fluidos y no existen fases gaseosa o líquida distinguible. El CO2 supercrítico tiene una excelente capacidad de disolver y transportar moléculas hidrofóbicas. Se le considera un disolvente "verde" ya que es inerte, no tóxico, no inflamable, barato, de fácil acceso y sus parámetros críticos se alcanzan muy fácilmente (72.9 bar y 31.3 ºC).


Líquidos iónicos• Un líquido iónico está formado por iones

muy asimétricos y voluminosos, por lo que presenta fuerzas atractivas más débiles que las sales iónicas convencionales.

• Los líquidos iónicos líquidos generalmente hasta los 200 ºC (bajo punto de fusión)

• Estables térmicamente• Presión de vapor ≈0, No volátiles• Fácilmente reciclables• No corrosivos.• Incoloros en estado puro• Solventes verdes, de fácil recuperación

Los cationes más comunes son compuestos

poco simétricos, que contienen nitrógenos

sustituidos de manera asimétrica (ej.

imidazolio, piridonio, amonio cuaternario, y el

grupo cuaternario fosfonio);


Líquidos iónicosVentajas sobre los solventes orgánicos convencionales

-disuelven materiales orgánicos, inorgánicos y organometálicos.-son altamente polares.-no se evaporan debido a su baja presión de vapor.-Son térmicamente estables, aproximadamente hasta los 300 ºC.-Poseen alta conductividad térmica.-propiedades pueden ser modificadas para una aplicación específica simplemente variando las combinaciones anión – catión.


Líquidos iónicos


¿Cómo se utilizan los LI y las enzimas?

1: Enzimas libres en Líquidos iónicos como medio de reacción

2. Enzimas inmovilizadas en soportes sólidos recubiertas de líquidos iónicos para aumentar su actividad y estabilidad

3.Enzimas inmovilizadas en soportes sólidos con LI unidos covalentemente LI=soportes)

CARACTERÍSTICAS DE CATALIZADORES EN NUEVOS PROCESOS.

Procesos más limpios se han enfocado en

-reacciones catalíticas más selectivas

-separación de productos más puros

-reutilización de las enzimas

Ejemplo

scCO2 + líquidos iónicos


Catálisis micelarActualmente las reacciones con multicomponentes para reacciones de síntesis de moleculas orgánicascomplicadas en un solo pasoEnergíaNúmero de pasos en la separación del producto número de intermediarios cantidad de solvente.


Catálisis micelar

Activación de lipasas con surfactantes antes de liofilizar, para aumentaractividad en fase orgánica.Esta lipasas son muyactivas para hidrólisis de alcoholes secundarios

ANTICUERPOS CATALÍTICOS

BIOTALIZADORES ARTIFICIALES Y MODIFICADOS


Los anticuerpos o inmunoglobulinas son un tipo de proteínas muy particulares, secretadas por las células

del cuerpo humano llamadas plasmocitos (linfocitos). Los produce el sistema inmune como respuesta para

eliminar, por diversas vías, agentes externos al organismo.

ANTICUERPOS CATALÍTICO tienen ACTIVIDAD CATALÍTICA cuando reaccionan con antígenos

Ventaja altamente específicos!!.

Acción catalítica

Especificidad de Anticuerpos

Los anticuerpos se unen al antígeno sin alterar sunaturaleza química, de forma extremadamenteeficiente.Simplificadamente : pueden pensarse como ENZIMAS con un sitio activo que no esta químicamente en operación.

Las enzimas se unen a las biomoléculas y catalizan su conversión a nuevosproductos

Abzimas o Anticuerpos Catalíticos



Enzimas



HAPTENO : molécula pequeña que puede reaccionar específicamente con un anticuerpo pero no puede inducir respuesta inmune salvo que esté unida a una proteína


ANTICUERPOS CATALÍTICOSExisten en forma natural ?

IgG , es la inmunoglobulina mas común, distribuída en sangre y fluídos extracelulares.Tiene actividad de hidrolizar el VIP (péptido intestinal vasoactivo) en asmáticos.

Procedimiento general para obtener anticuerpos catalíticos:

1. Determinar el estado de transición de la reacción a ser catalizada, se diseña una molécula, de peso molecular inferior a 10.000 daltons (hapteno) que por sí misma no induce la formación de anticuerpos pero que al unirse a una proteína transportadora estimula una respuesta inmunitaria.

2. Este modelo es luego usado como antígeno para obtener anticuerpos

3. Luego la plantilla es removida y el anticuerpo es empleado como catalizador.

4. Este último puede ser entonces química o genéticamente modificado para ser unido a un grupo reactivo o a un cofactor según se necesite




ANTICUERPOS CATALÍTICOS (ABZYME)

PROMISCUIDAD ENZIMATICA

ENZIMAS

PROMISCUIDAD ENZIMATICA

Clase 1: Catálisis de una reacción alternativa a través del mecanismo típico•Proteasas que catalizan hidrólisis de ésteres •Fosfatasas que hidrolizan ésteres de sulfatos •Metaloproteasas hidrolizan enlaces P-O o P-F

Promiscuidad enzimática como la capacidad del sitio activo de una enzima de catalizar más de un tipo de reacción

Clase 2: reacciones con cambios en el mecanismo de catálisis •Uso de iones metálicos alternativos (metaloenzimas) •Cambios generados por mutaciones naturales o inducidas artificialmente en la estructura de la enzima •Generación de un camino catalítico alternativo al natural en enzimas no modificadas

Lipasas: promiscuidad

Reacción de condensación aldólica:

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