Ciencias y Tecnologías Químicas Curso Posgrado Ciencias y Tecnologías Químicas Procesos de Química Sostenible utilizando enzimas como catalizadores

PROGRAMA Parte Teórica (10 h) Martes 17 Curso Posgrado 2012 PROGRAMA Parte Teórica (10 h) Martes 17 Tema 1. Enzimas como catalizadores industriales 10.00-11.00 CHARLA INTRODUCTORIA Tema 2. Aplicación de enzimas en diferentes áreas de la Química. 11.00-12.00 Profesor: Jose Miguel Palomo 2.1 Aplicación de enzimas en Química orgánica. - Resolución cinética de mezclas racemicas Procesos asimétricos: desimetrización, condensación aldolica, reducciones, oxidaciones, epoxidaciones,etc. - Enzimas en la producción de fármacos enatiomericamente puros - Enzimas en química de carbohidratos Miercoles 18 10.00-11.00 Profesor: Gloria Fernandez (CIAL,CSIC) 2.2 Aplicación de enzimas en Química de alimentos. - Modificación enzimática de alimentos - Síntesis de aditivos alimentarios: Alimentos funcionales 11.00-12.00 Profesor: Cesar Mateo 2.3 Aplicación de enzimas en Química analítica. - Enzimas como biosensores - Trasformación de residuos en compuestos de alto valor añadido - Tratamiento de residuos altamente tóxicos Jueves 19 10.00-11.00 Profesor: Cesar Mateo 2.4 Aplicación en Energía - Síntesis enzimática de Biodiesel. - Producción de carburantes

Curso Posgrado 2012 PROGRAMA Tema 3.- Mejora de las propiedades de las enzimas como catalizadores 11.00-12.00 Profesor: Jose Miguel Palomo 3.1.- Purificación de enzimas - Purificación de lipasas por adsorción interfacial - Purificación de enzimas por mecanismos de afinidad. Viernes 20 10.00-11.00 Profesor: Cesar Mateo 3.2.- Inmovilización de enzimas - Métodos de inmovilización por adsorción (Adsorción iónica, hidrofóbica, coordinación con metales) - Métodos de inmovilización covalente de enzimas - Métodos de inmovilización sin la utilización de soportes 3.3.- Modificación de enzimas - Modificación fisica - Modificación química al azar - Modificación dirigida Lunes 23 10.00-11.00 Profesor: Cesar Mateo 3.4.- Estabilización de enzimas mediante métodos de inmovilización. 3.5.- Mejora de la selectividad de enzimas de interés industrial - Hidrólisis enantioselectiva de esteres racemicos precursores de fármacos - Desprotección regioselectiva de carbohidratos peracetilados - Síntesis enantioselectiva de antibióticos

PROGRAMA Parte práctica (20 h) Curso Posgrado 2012 PROGRAMA Parte práctica (20 h) Profesores: Jose Miguel Palomo, Cesar Mateo y Marco Filice P1.- Purificación de lipasas utilizando soportes hidrofóbicos P2.- Purificación de proteínas con dominios de fusión P3.- Inmovilización covalente de enzimas P4.-Estudio de estabilidad de enzimas P5.- Hidrólisis regioselectiva de esteres quirales catalizadas por lipasas inmovilizadas Lunes 23 15.00-18.00 P1,P2 Martes 24 10.00-13.00 P1,P2 15.00-18.00 P3 Miercoles 25 10.00-18.00 P4 Jueves 26 10.00-18.00 P5 Viernes 27 10.00-12.00 Dudas y examen

Quimica Sostenible Catalizador Disolventes benignos Materiales renovables Economía atómica Disolventes benignos Eficiencia Quimica Sostenible Selectividad Catalizador Especificidad Productos químicos menos tóxicos

Enzimas

ENZIMAS (PROTEINAS) = POLIMEROS DE AMINO-ACIDOS H 2 C O R 1 Rn SH

ENZIMAS : POLIMEROS COMPACTOS

CATALISIS ENZIMATICA Y CAMBIOS CONFORMACIONALES COO- OH O H  NH3 + H COO- NH3 + OH O  variar la actividad catalítica variar la orientación del sustrato regioselectividad estereoespecificidad nuevos sustratos ???

Tiempo de la reacción E + S E + P

Enzimas Alta eficienca catalítica 108-1012 veces Condiciones suaves de reaccion (T,pH, medio acuoso) Catalizan gran variedad de reacciones Alta especificidad Biodegradables

Fermentaciones tradicionales (queso, vino….) Algunos hitos de la biocatálisis aplicada Fermentaciones tradicionales (queso, vino….) Producción de acrilamida (nitrilhidratasa) Resolución de mezclas racémicas (lipasas, acilasas) Almidón …. Fructosa (amilasa, glucoamilasa, etc) Síntesis de antibióticos -lactámicos (penicilina G acilasa, D amino oxidasa) Sensores de glucosa (glucosa oxidasa) Detergentes (proteasas, lipasas) Enzimas Tratamiento aguas residuales (lodos activos) Fermentaciones industriales: producción de Penicilina (hongos, bacterias) Células

Proceso de produccion de polimeros superadsorbentes

Polimeros superadsorbentes

Producción de edulcorantes: Jarabes de fructosa ALMIDON alfa-amilasa amiloglucosidasas

Produccion de productos deslactosados

Producción de biocombustibles: Biodiesel Biodiesel: la eterna promesa X 3 Ácidos, Bases + + 3 MeOH /EtOH Lipasas ? muy estables activas baratas Aceites/Grasas vegetales Biodiesel Glicerol + Proteínas desnaturalizadas Células Proteasas muy selectivas inmovilizadas y estabilizadas Compuestos alto valor añadido Oligopéptidos bioactivos 1,3 propanodiol Karayannidou A. Food Chem. 2007,104 ,1728-173 Cheng K.K. et al. Process Biochem. 2007,42 ,740-744 Ranganathan, S.V.et al.Bioresour. Technol,2008 ,99 ,3975-3981

Producción de biocombustibles: Bioetanol

Obtención de glucosa por hidrólisis de polímeros naturales Almidón Celulosa Amilasas Celulasas Glucosa - estables - baratas - activas hacia substratos insolubles Bioetanol Kumar R. et al.J. Indus Microb Biotechnol. 2008, 35, 377-391

Enfermedad de la mañana Producción de fármacos quirales Farmacos de origen natural: mayoria son quirales Farmacos sintetizados: 80% mezcla racemica (50:50) (S)-talidomida teratogenico (R)-talidomida Enfermedad de la mañana

Obtención de intermedios quirales de fármacos

Síntesis Química 9000 Kg (300 arboles) 1 kg taxol (Taclitaxel® ) Corteza d tejo 1 kg taxol (Taclitaxel® ) Problema: Recurso Natural Escaso Síntesis Química

Síntesis Total del Taxol Holton (-)-borneol J.Am.Chem.Soc. 1994, 116, 1597 y 1599. Nicolaou Danishefsky J.Am.Chem.Soc. 1995 117, 624,634,645 y 653 Angew Chem In Ed. 1995 34,1723

Síntesis Quimioenzimatica del Taxol + Fuente natural (hojas)

Posibles desventajas para su implantación a nivel industrial Disponibilidad de enzimas Estabilidad operacional Efecto inhibicion sustrato/producto Rango de sustratos Actividad y selectividad hacia sustratos no naturales

Optimización del Biocatalizador Biodiversidad: disponibilidad mejores enzimas Evolución dirigida Ingeniería proteínas: 1. Mutagénesis dirigida 2. Modificación química 3. Medio de reacción Diseño de enzimas semisintéticas Inmovilización

Herramientas Bioinformaticas: Estructura 3D de proteínas Curso Posgrado 2012 Herramientas Bioinformaticas: Estructura 3D de proteínas Banco de datos de estructuras de proteínas: www.pdb.org

Lipase from candida antarctica Curso Posgrado 2012 Lipase from candida antarctica

2VEO: lipasa de candida antarctica A (conformacion cerrada) Curso Posgrado 2012 PYMOL 0.99 2VEO: lipasa de candida antarctica A (conformacion cerrada)

Curso Posgrado 2012