 |
MIO-enzyme-based multistep syntheses in continuous-flow microfluidic reactor systems
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
125637 |
| Type |
SNN |
| Principal investigator |
Poppe, László |
| Title in Hungarian |
MIO-enzim alapú többlépéses szintézisek folytonos átfolyásos mikroreaktor-rendszerekben |
| Title in English |
MIO-enzyme-based multistep syntheses in continuous-flow microfluidic reactor systems |
| Keywords in Hungarian |
nanohordozó, fehérje rögzítés, mikroreaktor, biotranszformáció, folyamat modellezés, kaszkád reakciók |
| Keywords in English |
nanosupport, protein immobilization, microreactor, biotransformation, process modelling, cascade reactions |
| Discipline |
| Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 50 % | | Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Pharmaceutical chemistry | | Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences) | 20 % |
|
| Panel |
Chemistry 2 |
| Department or equivalent |
Department of Organic Chemistry and Technology (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Balogh, Diána
Bata, Zsófia
Bell, Evelin
Csuka, Pál
Ender, Ferenc
Hornyánszky, Gábor
Nagy, Flóra
Nagy, József
Szilágyi, András Ferenc
Szokol, Bianka
Vértessy G., Beáta
|
| Starting date |
2017-10-01 |
| Closing date |
2022-03-31 |
| Funding (in million HUF) |
29.790 |
| FTE (full time equivalent) |
16.26 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Napjaink egyik központi kérdése, hogy a szintetikus eljárásokat minél szelektívebbé, gazdasági és környezeti szempontból hatékonyabbá tegyük. Az enzimek, mint biokatalizátorok alkalmazásának előnyeit kihasználva számos komplex, optikailag aktív, természetes anyag és gyógyszermolekula racionális és fenntartható szintézise valósítható meg. Mivel a királis amin vagy aminosav-egységek lényeges szerkezeti elemei a humán terápiában ma alkalmazott gyógyszerek több mint a felének, ezért az aminosavakra ható úgynevezett MIO enzimek [fenilalanin ammónia-liáz (PAL) és fenilalanin 2,3-aminomutáz (L-PAM or D-PAM)], és további enzimek pl. transzaminázok, lipázok vagy dekarboxilázok segítségével folyamatos reaktorrendszerekben végzett királis aminosav és amin szintézisek fejlesztését választottuk jelen projekt témájának.
A mikroreaktorokba köthető nanobiokatalizátorok mellett az enzimekkel borított mágneses nanorészecskék alkalmasak arra, hogy mikrofluidikai rendszerekben a folyadékkal együtt áramoljanak, vagy előre megtervezett helyeken rögzüljenek úgy, hogy a rendszerben a folyadék szabadon áramljon hozzájuk képest. Ez egyedülállóan rugalmas lehetőséget teremt moduláris mikrorendszerek kialakítására, melyekkel újszerű módon valósíthatóak meg a MIO-enzimekre alapozott biotranszformációk.
A pályázat célja a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) és a University of Ljubljana (UNL) által fejlesztett, enzimekkel borított nanostrukturált hordozók és mágneses nanorészecskék felhasználásán alapuló mikrofluidikai platform nyújtotta hatékonyság, rugalmasság és modularitás kiaknázása a fenti célterületen az MIO-enzim alapú multienzimes rendszerek szintetikus alkalmazásaihoz.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A MIO-enzimek – PAL és L-PAM vagy D-PAM – már igen hasznosnak bizonyultak számos enantiomertiszta aromás alfa- és béta-aminosav szintézisében, viszont kevéssé vizsgálták őket nem aromás szubsztrátok átalakításaiban, illetve folyamatos üzemű többenzimes reaktorban. Ezen enzimek és a reakcióirányok célszerű megválasztásával az aminosavak kívánt enantiomerje állítható elő.
A projekt az új enzimek kutatásával, a résztvevők enzimmérnökségben, szerves szintetikus eljárásokban és folyamatos reaktorok alkalmazásában szerzett tapasztalataira alapozva kíván új eredményeket elérni. Célunk, hogy jól tervezett szerkezetmódosítások illetve új enzimek felkutatása segítségével kiterjesszük a MIO-enzimek szubsztrátelfogadó készségét nem aromás aminosavakra, valamint további enzimekkel kiegészítve kiterjesszük szintetikus alkalmazhatóságuk körét.
Pályázatunk a célfehérjéket változatos módon kötő nanohordozók és mágneses nanorészecskék (MNP) felhasználásával és reaktormodellezés segítségével mutienzimes mikrofluidikai rendszereket fejlesszünk. A nanocsövekkel és szálakkal töltött mikrorendszerek mellett fontos fejlesztés a részecskéket címezhetően és szelektíven lerögzítő, mikroméretű mágneses reakciócellákből felépülö mikrorendszer. Ebben a különbözőképp borított MNP cellák tetszőleges sorrendű kapcsolata is kialakítható. Ez multienzimes folyamatok „programozható” kivitelezését teszi lehetővé, így a kísérletek száma akár nagyságrendekkel megnőhet a felhasznált mintamennyiség jelentős csökkenése mellett. A nanobiokatalizátorok alkalmazása mikrofluidikai rendszerekben a „hagyományos” megoldásokhoz képest jelentős hozzáadott értéket hordoz.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A biokatalízis integrálása a kémiai folyamatokba az EU „Fenntartható Kémia” platform mindhárom alappillérét („Ipari Biotechnológia”, „Anyagtudomány” és „Reakció és Folyamattervezés”) érinti. A pályázat témája összhangban van az EU „Felkészülés a jövőre: közös stratégia kidolgozása a kulcsfontosságú alaptechnológiákra az EU-ban” anyagában megjelölt irányelveivel is.
A kutatás jelentőségét az adja, hogy a tervezett folyamatokban a nanobiokatalizátorokat felhasználó mikrofluidikai patformok, elsősorban az MNP alapú rendszerek alkalmazása adta lehetőségek úgy párosulnak a mikroméretben megvalósítható folyadékmanipulációs technikákkal, hogy az így létrehozott rendszer
1. lehetőséget biztosít egy rendszeren belül különböző fehérjékkel borított nanorészecskék szelektív megkötésére előre tervezett pozíciókban,
2. a különböző reaktor elemek és reakciócellák alkalmazástól függően különböző konfigurációkban kapcsolhatók össze ezáltal különböző vizsgálatok illetve szintetikus folyamatok valósíthatóak meg (nagy átbocsátóképességű szűrővizsgálatok, HTS; kaszkád reakciók bioszintézishez).
A célul kitűzött rendszerek megvalósítása nagyban hozzájárul az EU „Fenntartható Kémia” platform fejlődéséhez.
A pályázatban a résztvevő akadémiai partnerek kompetenciái szerint az alábbi területekre fókuszálunk:
1. A nanostrukturált hordozókra (nanocsövek, nanoszálak, nanorészecskék) rögzített enzimeken alapuló új mikrofluidikai megoldások kifejlesztése és modellezése.
2. A MIO prosztetikus csoportot tartalmazó PAL és PAM enzimek, transzaminázok, lipázok és dekarboxilázok felhasználásával kialakított multienzim rendszerek hozzájárulhatnak olyan különböző új aminok és aminosavszármazékok enantioszelektív szintéziséhez, amelyek hatóanyag moleukulák kulcsintermedierjei.
A pályázat a NEMSyB projekttel (P_37_273; 2016-2020; Kolozsvár, Románia) és a COST CM01303 "SysBiocat" akcióval további hasznos együttműködéseket is kihasználhat.
A tervezett tematikában legerősebb uniós szintű versenytársak Prof. N. Turner (PAL-katalízis; Manchester, Egyesült Királyság), Prof. D. Janssen (PAM-katalízis; Groningen, Hollandia) és Prof. W. Kroutil (transzaminázok, Graz, Ausztria), akikkel azonban a COST keretein belül együttműködés is megvalósulhat.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A kémiai technológia lehetővé teszi igen egyforma - pár tíz - pár száz nanométeres – csövek, szálak vagy mágneses nanorészecskék előállítását, melyekre reakciókat katalizáló enzimek köthetőek tervezhető módon. E technológia előnye, hogy folyadékfázistól a nanobiokatalizátorok elkülöníthetőek illetve a nanorészecskék mágneses tér segítségével mozgathatók vagy éppen rögzíthetők, miközben a folyadék a részecskék felett kicserélhető. Ez a tulajdonságuk számos kémiai műveletsort egyszerűsít.
A mikrofluidikai reaktor olyan miniatürizált folyadékrendszer, amiben pl. kémiai folyamatok igen precízen, kis térfogatban végezhetők.
A különböző molekulákkal bevont nanohordozókat, mágneses nanorészecskéket az új mikrofluidikai rendszerekben mikrocellákba juttatjuk, méghozzá címezhető módon, hasonlóan, mint ahogy egy számítógép memóriáját különböző adatokkal feltöltjük. Ilyen módon egymástól független reakciótereket kapunk, cellánként különböző reagensekkel.
Az így felépíthető mikroreaktorban a kísérletek sokasága végezhető el költséghatékony módon. A pályázat különböző alkalmazások példáival mutatja be az ilyen új rendszerek lehetőségeit.
A kiválasztott enzimeket (az úgynevezett MIO-enzimek és további enzimek, pl. transzaminázok, lipázok és dekarboxilázok) esetenként molekuláris szinten átszabva átfolyásos miroreaktorokban kívánjuk alkalmazni. Így új és hatékony szintetikus útvonalakat dolgozunk ki értékes királis aminok és aminosavak mindkét tükörképi formájának az előállítására. A kiválasztott szubsztrátok fontosságát jelzi az a tény, hogy a királis amin- vagy aminosav-egységek lényeges szerkezeti elemei a humán terápiában ma alkalmazott gyógyszerek több mint a felének.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Making the synthetic and analytical processes more selective, economically and environmentally more proficient is a central issue today. Benefits of the application of enzymes as biocatalysts, can significantly contribute to the rational and sustainable synthesis of an ever growing number of complex, optically active natural products and drugs. Chiral amine or amino acid units are essential structural elements in more than half of the today applied drugs in human therapy. Therefore, development of chiral amine and amino acid syntheses within continuous-flow reactor systems aided by MIO enzymes [phenylalanine ammonia-lyase (PAL) and phenylalanine 2,3-aminomutases (L-PAM or D-PAM), acting on amino acids] combined with other enzymes such as transaminases, lipases or decarboxylases was selected as the topic of our project.
Besides nanobiocatalysts integrated in microreactors, enzyme-coated magnetic nanoparticles are applicable to flow in microfluidic systems together with the liquid, or can be anchored at pre-designed site(s) so that the flow of the fluid in the system can be chosen freely compared to them. This creates a unique opportunity to develop flexible, modular micro-systems, which can be used for MIO-enzyme-based biotransformations.
The project aims to exploit the flexibility and modularity of the novel platforms developed by Budapest University of Technology and Economics (BME) and University of Ljubljana (UNL) based on enzyme-coated nanostructures supports and on the selective and addressable anchoring of magnetic nanoparticles in microfluidic systems in the above target areas of synthetic multienzyme reactions.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The MIO-enzymes – PAL and L-PAM or D-PAM – proved to be highly useful in asymmetric syntheses of a wide variety of enantiopure alpha- or beta-arylalanines but tried hardly any cases on non-aromatic substrates or in continuous-flow multienzyme reactors. By varying these enzymes and reaction directions the desired enantiomer of an amino acid can be obtained.
This project will utilize the expertise of the participants in enzyme engineering, synthetic organic processes and in microreactor modeling and design to achieve novel results. By structure-based rational design and search for novel enzymes, our aim is to extend the substrate scope of the MIO-enzymes to non-aromatic amino acids and with the aid of further enzymes to expand their synthetic usefulness.
The project aims to develop and modelling of various platforms based on use of MNPs and other nanostructured supports binding proteins in various ways in microfluidic systems. Besides microfluidic systems filled with nanotubes and nanofibers a principal element of or project is development and modelling the system based on a micro-sized magnetic reaction cells capable of anchoring MNPs addressable and selectively. In microsystems including a plurality of such cells, any type of connection of cells with different protein-coated MNPs is feasible, which allows "programmable" execution of multienzyme processes. Thus, the number of executable trials can increase by magnitudes while the amount of needed samples may decrease significantly. This new approach provides a considerable added value compared to the current solutions.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Our approach to integrate biocatalysis into chemical processes addresses each of the three pillars (“Industrial Biotechnology”, “Materials Technology” and “Reaction and Process Design”) of the European Platform on “Sustainable Chemistry”. Also the project is in accordance with context of the policy initiative “Preparing for our future: Developing a common strategy for key enabling technologies in the EU”.
The important feature of the research is the application of nanobiocatalyst-based microfluidic platforms, primarily a novel way to use magnetic nanoparticles in combination with the possibilities offered by microscale liquid manipulation techniques. The platform created in this way
1. gives opportunity to bind different protein-coated nanoparticles selectively at certain positions within a system,
2. the various reactor elements and reaction cells can be connected in different configurations depending on the application, therefore different tests or synthetic processes can be realized (high-throughput screening HTS; cascade reactions for biosynthesis).
The implementation of the target systems can greatly contribute to the development of the EU's “Sustainable Chemistry” platform.
In accordance with the competencies of the academic partners participating in the project, focus will put on the following areas:
1. Development and modelling of novel microfluidics-based systems using enzymes immobilized on nanostructured supports (nanotubes, nanofibers, nanoparticles).
2. Novel systems with PAL and PAM enzymes containing the MIO prosthetic group and of omega-transaminases may contribute to various new enantioselective syntheses of such amines and amino acid derivatives which are the key intermediates of many active drugs.
The project can benefit from co-operation with the complementary NEMSyB project (P_37_273; 2016-2020; Cluj-Napoca, Romania) and with the network COST CM01303 “SysBiocat”.
The strongest competitors regarding the planned activities at EU level are Prof. N. Turner (PAL-catalysis; Manchester, UK), Prof. D. Janssen (PAM-catalysis; Gröningen, Netherlands) and Prof. W. Kroutil (transaminases; Graz, Austria), but with whom cooperation can also be realized within the framework of COST.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The chemical technology enables production of uniform – a couple of ten - a few hundred nanometers – tubes, fibers or magnetic nanoparticles to which enzymes – catalyzing reactions – can be bound in a predictable way. Benefits of this technology are that nanobiocatalysts can be separated from the liquid phase or they can be moved or anchored by magnetic field while the liquid can be exchanged over the particles. This feature may simplify many chemical sequences.
The microfluidic reactor is such miniaturized fluidic systems, in which, for example chemical, processes can be performed very precisely in a small volume.
In the novel microfluidic systems, the different nanosupports coated by various molecules are introduced into microcells of the microfluidic system, even in addressable manner similar to the way a computer's memory is filled with different data. In this way, independent reaction spaces are obtained with various reagents per cell.
In such microreactor systems, testing a plurality of experiments can be made in a cost-effective manner. The project demonstrates the usefulness of these new systems by examples of different applications.
The selected enzymes (the so-called MIO-enzymes and others like transaminases, lipases and decarboxylases; sometimes tailored at molecular level) will be applied in microfluidic reactors. In this way, novel and efficient routes will be developed for the synthesis of both mirror image forms of valuable chiral amines and amino acids. The importance of the selected substrates is indicated by the fact that chiral amine or amino acid units are essential structural elements in more than half of the today applied drugs in human therapy.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Zsófia Bata, Pál Csuka, Andrea Varga, Gergely Bánóczi, Erzsébet Madaras, László Csaba Bencze, Csaba Paizs, Beáta G. Vértessy, László Poppe: Expanding the MIO-enzyme toolbox – Novel enzymes, structures and mechanistic considerations, Novel Enzymes 2018, Darmstadt, Germany, 2018 | | Evelin Sánta-Bell, Zsófia Molnár, Andrea Varga, Flóra Nagy, Gábor Hornyánszky, Csaba Paizs, Diána Balogh-Weiser, László Poppe: “Fishing and hunting”– Selective immobilization of a recombinant phenylalanine ammonia-lyase from fermentation media, MOLECULES 24: (22) 4146, 2019 | | Nagy Emma Zsófia Aletta, Nagy Csaba Levente, Filip Alina, Nagy Katalin, Gál Emese, Tőtős Róbert, Poppe László, Paizs Csaba, Bencze László Csaba: Exploring the substrate scope of ferulic acid decarboxylase (FDC1) from Saccharomyces cerevisiae, SCIENTIFIC REPORTS 9: p. 1., 2019 | | Bata Zsófia, Madaras Erzsébet, Leveles Ibolya, Hammerschmidt Friedrich, Paizs Csaba, Poppe László, Vértessy Beáta G: Bioactive 3D Structure of Phenylalanine Ammonia-Lyase Reveal Key Insights into Ligand Binding Dynamics, BIOPHYSICAL JOURNAL 114: (3) pp. 406A-406A., 2018 | | Bata Zsofia, Molnár Bence, Leveles Ibolya, Varga Andrea, Paizs Csaba, Poppe László, Vértessy Beáta G.: Structural snapshots of multiple enzyme–ligand complexes pave the road for semi-rational enzyme engineering, ACTA CRYSTALLOGRAPHICA SECTION A-FOUNDATIONS OF CRYSTALLOGRAPHY 74: (a2) pp. e37-e38., 2018 | | Bata Zsófia, Molnár Bence, Leveles Ibolya, Poppe László, Vértessy G. Beáta: Structure of Phenylalanine ammonia-lyase from Petroselinum crispum in complex with (R)-APEP. PDB ID: 6HQF, Protein Data Bank, 2019 | | Bata Zsófia, Molnár Bence, Madaras Erzsébet, Leveles Ibolya, Paizs Csaba, Poppe László, Vértessy G. Beáta:: Apo structure of phenylalanine ammonia-lyase from Petroselinum crispum. PDB ID: 6H2O, Protein Data Bank, 2019 | | Péter Pálovics, Ferenc Ender, Márta Rencz: Towards the CFD model offlow rate dependent enzyme-substrate reactionsin nanoparticlefilledflow microreactors, MICROELECTRONCS RELIABILITY 85 pp. 84-92, 2018 | | Varga Andrea, Csuka Pál, Sonesouphap Orlavanah, Bánóczi Gergely, Toşa Monica Ioana, Katona Gabriel, Molnár Zsófia, Bencze László Csaba, Poppe László, Paizs Csaba: A novel phenylalanine ammonia-lyase from Pseudozyma antarctica for stereoselective biotransformations of unnatural amino acids, CATALYSIS TODAY, 2020 | | Pálovics Péter, Németh Márton, Rencz Márta: Investigation and Modeling of the Magnetic Nanoparticle Aggregation with a Two-Phase CFD Model, ENERGIES 13(18), 4871, 2020, 2020 | | Péter Pálovics, Ferenc Ender, Márta Rencz: Towards the CFD model of flow rate dependent enzyme-substrate reactions in nanoparticle filled flow microreactors, MICROELECTRONCS RELIABILITY 85 pp. 84-92, 2018 | | Bata Zsófia, Molnár Zsófia, Madaras Erzsébet, Molnár Bence, Sánta-Bell Evelin, Varga Andrea, Leveles Ibolya, Qian Renzhe, Hammerschmidt Friedrich, Paizs Csaba, Vértessy Beáta G., Poppe László: Substrate Tunnel Engineering Aided by X-ray Crystallography and Functional Dynamics Swaps the Function of MIO-Enzymes, ACS CATALYSIS 11: (8) pp. 4538-4549., 2021 | | Imarah Ali Obaid, Csuka Pál, Bataa Naran, Decsi Balázs, Sánta-Bell Evelin, Molnár Zsófia, Balogh-Weiser Diána, Poppe László: Magnetically Agitated Nanoparticle-Based Batch Reactors for Biocatalysis with Immobilized Aspartate Ammonia-Lyase, CATALYSTS 11: (4) 483, 2021 | | Koplányi Gábor, Sánta-Bell Evelin, Molnár Zsófia, Tóth Gergő Dániel, Józó Muriel, Szilágyi András, Ender Ferenc, Pukánszky Béla, Vértessy Beáta G., Poppe László, Balogh-Weiser Diána: Entrapment of Phenylalanine Ammonia-Lyase in Nanofibrous Polylactic Acid Matrices by Emulsion Electrospinning, CATALYSTS 11: (10) 1149, 2021 | | Paradisi Francesca, Poppe László: 10 Continuous-flow biocatalysis with enzymes and cells, In: Ley, Steven V.; Hessel, Volker; Dormán, György; Darvas, Ferenc (szerk.) Flow Chemistry – Applications, De Gruyter (2021) pp. 277-312., 2021 | | Nagy Emma Z. A., Tork Souad D., Filip Alina, Poppe László, Tosa Monica I., Paizs Csaba, Bencze László C.: Production of L- and D-phenylalanine analogues using tailored phenylalanine ammonia-lyases, In: Whittall, John; Sutton, Peter W (szerk.) Applied Biocatalysis, Wiley Online Library (2020) pp. 216-221., 2020 | | Evelin Sánta-Bell, Zsófia Molnár, Andrea Varga, Flóra Nagy, Gábor Hornyánszky, Csaba Paizs, Diána Balogh-Weiser, László Poppe: “Fishing and hunting”– Selective immobilization of a recombinant phenylalanine ammonia-lyase from fermentation media, MOLECULES 24: (22) 4146, 2019 | | Nagy Emma Zsófia Aletta, Nagy Csaba Levente, Filip Alina, Nagy Katalin, Gál Emese, Tőtős Róbert, Poppe László, Paizs Csaba, Bencze László Csaba: Exploring the substrate scope of ferulic acid decarboxylase (FDC1) from Saccharomyces cerevisiae, SCIENTIFIC REPORTS 9: p. 1., 2019 | | Csuka Pál, Molnár Zsófia, Tóth Veronika, Imarah Ali Obaid, Balogh-Weiser Diána, Vértessy G. Beáta, Poppe László: Immobilization of the Aspartate Ammonia-lyase from Pseudomonas fluorescens R124 on Magnetic Nanoparticles Characterization and Kinetics, CHEMBIOCHEM 23: (7), e202100708, 2022 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
