Biocatalyst and bioprocess engineering for the synthesis of aminopolyols by enzymatic oxidation and aldol addition

Resumo

La utilización de enzimas como catalizadores de procesos tiene interés debido a aspectos medioambientales y a sus principales propiedades: alta selectividad y especificidad y alta capacidad catalítica bajo condiciones suaves de operación. En esta tesis doctoral se desarrolló la síntesis enzimática de un Cbz-aminopoliol, compuesto de interés terapéutico, mediante un sistema multienzimático basado en el acoplamiento de la oxidación de un aminoalcohol a su correspondiente aminoaldehído y su posterior adición aldólica a dihidroxiacetona fosfato (DHAP). Se seleccionó Cbz-etanolamina como aminoalcohol modelo. Primero se estudió la oxidación de Cbz-etanolamina a Cbz-glicinal empleando la enzima cloroperoxidasa (CPO) de Caldariomyces fumago como biocatalizador. El oxidante más adecuado para la reacción fue hidroperóxido de tert-butilo (t-BuOOH). Para minimizar la desactivación enzimática causada por la presencia de peróxido, se estudiaron diferentes estrategias de adición del mismo. El mayor rendimiento de Cbz-glicinal, de 39,1%, se alcanzó con una velocidad de adición de 3 mM/h. Además, se analizaron diferentes medios de reacción para aumentar la concentración de substrato favoreciendo la velocidad de reacción y la producción de Cbz-glicinal. Aplicando dioxano a una concentración del 5% la producción de Cbz-glicinal fue 6 veces mayor que la máxima obtenida en medio acuoso (47,6 y 7,8 mM respectivamente). Posteriormente, para aumentar la estabilidad de CPO se aplicaron técnicas de modificación química: modificaciones selectivas de grupos amino en residuos de Lys y grupos carboxilo en residuos de Asp y Glu así como entrecruzamiento y oxidación de azúcares con periodato. Se evaluó la estabilidad de las enzimas modificadas a diferentes valores de pH, temperatura y en presencia de t-BuOOH. Además se estudió el efecto de las modificaciones de CPO en la oxidación de Cbz-etanolamina. Las modificaciones de grupos carboxilo mediante adición de carbodiimida y las modificaciones resultantes de la oxidación de azúcares con periodato resultaron ser mejores catalizadores que la enzima CPO nativa en términos de estabilidad y actividad a valores elevados de pH y temperatura. A 50ºC y velocidad de adición de peróxido de 12 mM/h, los rendimientos de Cbz-glicinal aumentaron desde 16,1% (utilizando enzima nativa) a 21,5-22,1% (utilizando catalizadores modificados). Sin embargo, estos resultados no resolvieron el problema de la rápida desactivación irreversible de CPO. Buscando un mayor aumento de la estabilidad de CPO se aplicaron diferentes métodos de inmovilización: adsorción iónica, enlace covalente mediante adición de carbodiimida y enlace covalente de la enzima oxidada en geles de monoaminoetil-N-aminoetil (MANA) agarosa, así como enlace covalente en soportes Eupergit® C. Se optimizaron las condiciones de trabajo para cada método de inmovilización con el objetivo de maximizar los rendimientos de inmovilización y minimizar la desactivación enzimática durante el proceso de inmovilización. Además, se analizó la presencia de limitaciones difusionales en la catálisis con enzimas inmovilizadas, así como la estabilidad de dichas enzimas en las condiciones necesarias para la reacción de interés. El sistema enzimático más estable resultó ser el obtenido mediante enlace covalente en MANA-agarosa por adición de carbodiimida. Este catalizador se aplicó en la síntesis de Cbz-glicinal, obteniéndose una conversión más alta que la obtenida en la reacción catalizada por la enzima soluble (59,9 y 47,9%, respectivamente). Finalmente, se llevaron a cabo simultáneamente las reacciones de oxidación de Cbz-etanolamina, catalizada por CPO, y adición aldólica del aminoaldehído resultante a DHAP, catalizada por la enzima recombinante ramnulosa-1-fosfato aldolasa (RhuA) producida en Escherichia coli, obteniéndose un Cbz-aminopoliol ((3R)-5-{[(benziloxi)carbonilo]amino}-5-desoxi-1-O-fosfonopent-2-ulosa) como producto final. Se estudió el efecto de la inmovilización de ambas enzimas, la configuración del reactor y el medio de reacción con el objetivo de aumentar la producción de Cbz-aminopoliol. Aplicando ambas enzimas inmovilizadas en presencia de 5% de dioxano, dicha producción alcanzó un valor de 86,6 mM (31 g/l).