Design of new immobilized lipases for biotransformations in aqueous and organic media

dc.contributor.advisor-co1Lafuente, Roberto Fernández
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9814026415075608por
dc.contributor.advisor1Tardioli, Paulo Waldir
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0808991927126468por
dc.contributor.authorGuimarães, José Renato
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/4550733668734212por
dc.date.accessioned2023-02-02T16:58:30Z
dc.date.available2023-02-02T16:58:30Z
dc.date.issued2023-01-30
dc.description.abstractA review of the literature covering research on the immobilization of lipases on hydrophobic supports was performed using systematic mapping (MS) concepts. The MS approach enabled the identification of gaps that led to the development of this thesis. The mineralization of lipases immobilized with metal phosphate was the main focus of the study. This strategy is an alternative to solve the nanoflowers fragility while maintaining some of the mineralization benefits. When mineralization is performed on previously immobilized enzymes, the researcher can select the support based on its mechanical resistance, avoiding the difficulties derived from the management of the small and fragile nanoflowers. Moreover, the mineralization of immobilized enzyme couples the positive effects of enzyme mineralization during nanoflowers production with the benefits of enzyme immobilization in preexisting solids. Several lipases were immobilized on octyl agarose beads via interfacial activation and modified with diverse metal phosphates. It was found that the effects of the metal phosphate modification were clearer and more positive using highly loaded biocatalyst, suggesting that enzyme crowding could facilitate some of the positive effects of enzyme mineralization. The effects depended on the nature of both enzyme and metallic phosphate. The incubation with only sodium phosphate or only metal chloride, as well as the immobilization on previously modified supports which produced significantly reduced effects. The immobilized enzyme mineralization cannot produce a tridimensional nanoflower, as the enzymes will be located on a flat planar surface, but the results suggest that the positive effects of the building of nanoflowers may be, at least partially, achieved using this solid-phase strategy. However, we cannot talk of nanoflowers, as these tridimensional structures will never be achieved. The study was later extended to the use of diverse commercial biocatalysts and Thermomyces lanuginosus lipase (TLL) immobilized on Purolite@ C18. The modifications greatly altered enzyme specificity, increasing the activity versus some substrates while decreasing the activity versus other substrates. Enantiospecificity was also drastically altered after these modifications. Regarding the enzyme stability, no significant positive effects were found; in fact, a decrease in enzyme stability was usually detected. The influence of the immobilization protocol on the effects of mineralization was investigated. The stability, activity and specificity of the biocatalysts were very different, both the differently blocked vinyl sulfone biocatalysts (VS-biocatalysts) and the glutaraldehyde biocatalysts prepared at different pH. The activity, specificity and stability effects of the mineralization strongly depended on the enzyme and on the immobilization protocol. For the same enzyme, a mineralization protocol could be negative, positive or present no effect depending on the enzyme immobilization procedure and substrate. These results highlight the great potential of mineralization of immobilized enzymes to improve their properties, as well as the great interactions that immobilization protocol and mineralization can exhibit. The combination of both methodologies greatly increases the possibilities to find a biocatalyst that can be suitable for a specific process. The mineralization of chemically or physically modified immobilized lipases is also a potent tool to improve enzyme features. The changes caused by chemical modifications with glutaraldehyde, trinitrobenzenesulfonic acid or ethylenediamine and carbodiimide, or physical coating with ionic polymers, such as polyethylenimine and dextran sulfate have, in most cases, negative effects with some substrates and positive with other ones. Furthermore, the same mineralization could present different effects on the enzyme activity, specificity or stability, depending on the previous modification performed on the enzyme, showing that these previous enzyme modifications alter the effects of the mineralization on enzyme features. In this way, the combination of chemical or physical modifications of enzymes before their mineralization increases the range of modification of features that the immobilized enzyme can experienced, enabling to enlarge the biocatalyst library. Eversa@ Transform immobilized on Purolite@ C18 was successfully applied in the esterification of purified fatty acids of the hydrolysis of degummed soybean oil for the synthesis of octyl esters. Furthermore, aiming at the application of biocatalysts in organic reactions, TLL was immobilized on Purolite@ C18 aminated and activated with vinyl sulfone. The use of different blocking agents as reaction end point (using ethylene-diamine, aspartic acid, glycine, and cysteine) greatly altered the biocatalyst functional features (activity, specificity, or stability). Furthermore, the differently blocked VS-biocatalysts showed different performances in the synthesis of fatty acid methyl esters. In general, they showed better affinity for the transesterification of polyunsaturated oils.eng
dc.description.resumoUma revisão da literatura sobre imobilização de lipases em suportes hidrofóbicos foi realizada usando conceitos de mapeamento sistemático (MS). A abordagem de MS possibilitou a identificação de lacunas que levaram ao desenvolvimento desta tese. A mineralização de lipases imobilizadas com fosfato metálico foi o principal foco de estudo. Essa estratégia é uma alternativa para resolver a fragilidade das nanoflores, mantendo alguns dos benefícios da mineralização. Quando a mineralização for realizada sobre enzimas previamente imobilizadas, o pesquisador pode selecionar o suporte com base em sua resistência mecânica, evitando as dificuldades decorrentes do manejo das pequenas e frágeis nanoflores. Além disso, a mineralização da enzima imobilizada combina os efeitos positivos da mineralização da enzima durante a produção de nanoflores com os benefícios da imobilização da enzima em sólidos preexistentes. Várias lipases foram imobilizadas em grânulos de octil agarose via ativação interfacial e modificadas com diversos fosfatos metálicos. Verificou-se que os efeitos da modificação do fosfato metálico foram mais claros e mais positivos usando biocatalisador altamente carregado, sugerindo que a aglomeração enzimática poderia facilitar alguns dos efeitos positivos da mineralização. Os efeitos dependeram da natureza da enzima e do fosfato metálico. A incubação apenas com fosfato de sódio ou apenas cloreto de metal, bem como a imobilização em suportes previamente modificados produziram efeitos significativamente reduzidos. A mineralização da enzima imobilizada não pode produzir uma nanoflores tridimensional, pois as enzimas estão localizadas em uma superfície plana, mas os resultados sugerem que os efeitos positivos da construção de nanoflores podem ser alcançados usando esta estratégia em fase sólida. Esse estudo foi posteriormente estendido para o uso de diversos biocatalisadores comerciais e lipase de Thermomyces lanuginosus (TLL) imobilizados em Purolite@ C18. As modificações alteraram bastante a especificidade da enzima, aumentando a atividade em relação a alguns substratos e diminuindo a atividade em relação a outros substratos. A enantioespecificidade foi drasticamente alterada após essas modificações. Com relação à estabilidade da enzima, não foram encontrados efeitos positivos significativos. A influência do protocolo de imobilização sobre os efeitos da mineralização foi investigada. A estabilidade, atividade e especificidade dos biocatalisadores foram muito diferentes, tanto os vinil-sulfona-biocatalisadores (VS-biocatalisadores) bloqueados de forma diferente quanto os biocatalisadores de glutaraldeído preparados em diferentes pH. Os efeitos da mineralização sobre a atividade, especificidade e estabilidade dependeram fortemente da enzima e do protocolo de imobilização. Para uma mesma enzima, um protocolo de mineralização pode ser negativo, positivo ou não apresentar efeito dependendo do procedimento de imobilização da enzima e do substrato. Esses resultados destacam o grande potencial de mineralização das enzimas imobilizadas para melhorar suas propriedades, bem como as grandes interações que o protocolo de imobilização e a mineralização podem apresentar. A combinação das duas metodologias aumenta muito as possibilidades de encontrar um biocatalisador que possa ser adequado para um processo específico. A mineralização de lipases imobilizadas quimicamente ou fisicamente modificadas também é uma ferramenta potente para melhorar as características da enzima. As alterações causadas por modificações químicas com glutaraldeído, ácido trinitrobenzenossulfônico ou etilenodiamina e carbodiimida, ou revestimento físico com polímeros iônicos, como polietilenonimina e sulfato de dextrana têm, na maioria das vezes, efeitos negativos com alguns substratos e positivos com outros. Além disso, uma mesma mineralização pode apresentar diferentes efeitos sobre a atividade, especificidade ou estabilidade da enzima, dependendo da modificação anterior realizada na enzima, mostrando que essas modificações enzimáticas anteriores alteram os efeitos da mineralização nas características da enzima. Desta forma, a combinação de modificações químicas ou físicas de enzimas antes de sua mineralização aumenta a gama de modificações de características que a enzima imobilizada pode experimentar, permitindo ampliar a biblioteca de biocatalisadores. Eversa@ Transform imobilizada em Purolite@ C18 foi aplicada com sucesso na esterificação de ácidos graxos purificados da hidrólise de óleo de soja degomado para a síntese de ésteres octílicos. Além disso, visando a aplicação de biocatalisadores em reações orgânicas, TLL foi imobilizado em Purolite@ C18 aminado e ativado com vinil sulfona. O uso de diferentes agentes bloqueadores como ponto final da reação (usando etileno-diamina, ácido aspártico, glicina e cisteína) alterou bastante as características funcionais do biocatalisador (atividade, especificidade ou estabilidade). Além disso, os VS-biocatalisadores bloqueados de forma diferente mostraram desempenhos diferentes na síntese de ésteres metílicos de ácidos graxos. Em geral, apresentaram melhor afinidade para a transesterificação de óleos poliinsaturados.por
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)por
dc.description.sponsorshipId88887.340897/2019-00por
dc.description.sponsorshipId88887.571985/2020-00por
dc.identifier.citationGUIMARÃES, José Renato. Design of new immobilized lipases for biotransformations in aqueous and organic media. 2023. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/17330.*
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/17330
dc.language.isoengeng
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.publisher.addressCâmpus São Carlospor
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQpor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/*
dc.subjectMineralização enzimática em fase sólidapor
dc.subjectEstabilização enzimáticapor
dc.subjectAjuste da especificidade enzimáticapor
dc.subjectModificação físico-química de lipase imobilizadapor
dc.subjectSuportes heterofuncionaispor
dc.subjectSolid-phase enzyme mineralizationeng
dc.subjectEnzyme stabilizationeng
dc.subjectTuning enzyme specificityeng
dc.subjectImmobilized lipase physicochemical modificationeng
dc.subjectHeterofunctional supportseng
dc.subject.cnpqCIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA::ENZIMOLOGIApor
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICApor
dc.titleDesign of new immobilized lipases for biotransformations in aqueous and organic mediaeng
dc.title.alternativeDesign de novas lipases imobilizadas para biotransformações em meios aquoso e orgânicopor
dc.title.alternativeDiseño de nuevas lipasas inmovilizadas para biotransformaciones en medios acuoso y orgánicospa
dc.typeTesepor

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