 |
Nanostructured catalyst systems for sustainable biotransformations
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
131467 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Balogh, Diána |
| Title in Hungarian |
Nanostruktúrált katalizátor hordozó rendszerek fenntartható biotranszformációkhoz |
| Title in English |
Nanostructured catalyst systems for sustainable biotransformations |
| Keywords in Hungarian |
biotranszformáció, katalízis, nanoanyagok, |
| Keywords in English |
biotransformation, catalysis, nanomaterials |
| Discipline |
| Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences) | 50 % | | Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 40 % | | Ortelius classification: Intelligent materials | | Biological Applications of Chemistry (Council of Physical Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Chemistry 2 |
| Department or equivalent |
Department of Organic Chemistry and Technology (Budapest University of Technology and Economics) |
| Starting date |
2019-12-01 |
| Closing date |
2023-05-31 |
| Funding (in million HUF) |
24.420 |
| FTE (full time equivalent) |
2.80 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A pályázat olyan új nanostrukturált, azaz legalább két dimenziójában nanoméretű, vagy nanopórusos hordozó anyagok kifejlesztését célozza meg, melyek alkalmasak enzimek immobilizálására. A kutatás két jellegzetes hordozó család kifejlesztésével foglalkozik, a nanopórusos gélek és nanoszálak, melyek képesek az enzim beágyazására és ezáltal nagyfokú stabilitásálásra, valamint nanorészecskék és nanocsövek, illetve szálak előállítására melyek a megfelelő felületi tulajdonságok kialakítását követően alkalmasak lehetnek az enzim szabályozható immobilizálásra a hordozó felszínén. Célunk olyan ún. „kevert” felületi és morfológiai tulajdonságokkal rendelkező enzimhordozó családok kifejlesztése, melyek képesek lehetne egyszer több funkciót is ellátni szabályozható módon. Ez a kihívás a nagy kötő kapacitást vagy orientált rögzülést biztosító másodlagos kölcsönhatások (hidrofób, ionos, koordinációs) és a stabil, irreverzibilis kötések (direkt kovalens kötés, vagy térhálós szerkezet által biztosított stabil retenció) kialakítására képes funkciós csoportok és templát anyagok szisztematikus alkalmazásával teljesíthető lehet.
A tudatosan felállított enzimrögzítési stratégiák és finomhangolt nanohordozók segítségével elérhető és fenntartható lehet az adott enzim hatékony működéséhez szükséges környezet a hordozó stabilizáló hatása mellett. Az ily módon előállított biokatalizátorokkal számos gyógyszerjelölt vegyület, vagy intermedier enantiomertiszta szintézise oldható meg szakaszos, illetve folyamatos körülmények között egyaránt.
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.
Az enzimek természetben előforduló, vagy rekombináns technikák révén módosított formájukban igen sokrétűek, számos vegyület szintézisére hatékonyan alkalmazhatóak. A nagy aktivitású és szelektivitású állapotuk azonban sok esetben igen sérülékeny, elválasztásuk a reakcióközegtől nehézkes, így gyakorlati alkalmazásuk komoly kihívásokat jelenthet. Ahogy egyre kiterjed az enzimkatalizált folyamatok köre, úgy egyre változatosabb reakció körülményekre és reaktor rendszerekre lehet igény. A nanoszerkezetű enzimhordozó anyagok egyedülálló előnye abban rejlik, hogy morfológiai és felületi sajátságai finomhangolhatók, így fizikai-kémiai tulajdonságai jól szabályozhatóak, az adott enzim igényeihez, illetve a kívánt biotranszformációs folyamat körülményihez illeszthetőek. A rekombináns enzimek nagyfokú térhódítása számos technológiai problémát felvet, különösen az értékes célenzim izolálása, majd stabilizálása okán. A pályázat keretében tervezett szabályozott felületű nanohordozó családok és enzimrögzítési technikák lehetővé tehetik a rekombináns, jelölt célenzim szelektív immobilizálását, mely egyszerre oldhatja meg annak izolálását és stabilizálást, vagy akár direkt alkalmazását valamely biokatalitikus folyamatban.
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!
Enzimekkel egyedülálló lehetőség nyílik olyan királis vegyületek enantiomertiszta formáinak szintézisére, melyek nagy jelentőséggel bírnak a gyógyszeripar és az élelmiszeripar számára. Az enzimek azonban rendkívül érzékenyek a környezeti hatásokra, könnyen elveszítik katalitikus aktivitásukat, szelektivitásukat. Emellett homogénfázisú reakciókból nehezen izolálhatóak, szennyezhetik a terméket, amely sok esetben komoly technológiai problémákat jelenthet. A kutatás célja a biotechnológia és az anyagtudomány ötvözésével olyan új generációs nanostrukturált hordozó rendszerek létrehozása, melyek alkalmasak az értékes enzimek aktív állapotában történő rögzítésére, stabilizálására. A nanobiokatalizátorok könnyen elválaszthatóak a reakció elegytől, valamint visszaforgathatóak, így jelentősen csökkenthetik az eljárás gazdasági és környezeti terheit. A pályázat keretében vizsgálni kívánt lipáz, ammónia-liáz enzimek nagy hatékonysággal, sok esetben egy lépésben képesek alkoholok, aminosavak és aminok enantiomertiszta formában történő előállítására, így kulcsfontosságú királis intermedierek szintézisére. A kutatás során kifejlesztett hordozócsaládokkal, illetve immobilizációs eljárásokkal fennáll a lehetőség arra, hogy a fermentációval nyerhető enzimet tetszőleges feldolgozottsági szintnél rögzíthessük, mely sok esetben komoly technológiai előnyt jelenthet. Az új, nanostrukturált rögzítési formák létrehozásával az enzimek alkalmazásai lehetőségei kiterjeszthetőek, hiszen a fokozott aktivitással és stabilitással rendelkező szilárd biokatalizátor sokrétű reakció körülmény mellett is hatékonyan alkalmazható lehet.
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.
Napjainkban számos tudományterületen és ipari ágazatban egyre nagyobb jelentőséggel bírnak az enzimeknek, mely sok esetben a mindennapi életünkben is megnyilvánul. Enzimekkel lehetőség nyílik például betegségek célzott kezelésére, korai diagnózisára, vagy akár káros anyagok környezetbarát lebontására. E mellett kiemelten fontosak az enzimek által katalizált biotranszformációk, melyekkel kevés lépésszámmal, extrém reakció körülmények nélkül állíthatóak elő enantiomertiszta vegyületek környezetbarát módon. Az enantiomertiszta anyagok kulcsfontosságú építő kövei számos vegyületnek, előállításuk a modern gyógyszeripar számára mára elkerülhetetlen. Az enzimek bár hatékony és sokoldalú katalizátorok, a környezeti hatásokra rendkívül érzékenyek, könnyedén elveszíthetik aktivitásukat. A megfelelő enzimrögzítési technikák révén azonban elérhető az értékes biokatalizátor stabil, hosszútávú, hatékony működése. Az anyagtudomány rohamos fejlődésének egyik fontos eredménye a nanoanyagok, melynek tulajdonságai kémiai technológiák révén tervezhetőek, finomhangolhatóak. A kutatás célja a biotechnológia és az anyagtudomány ötvözésével tehát olyan új generációs nanostruktúrált enzimhordozó rendszerek kialakítása, melyek egyszerűen és hatékonyan alkalmazhatóak biotranszformációs célokra aktívan hozzájárulva a gyógyszerkutatásokhoz, valamint a kapcsolódó iparágak fejlődéséhez.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main aim of the proposal is to develop novel nanostructured enzyme carrier systems as nanoporous networks, nanoparticles, tuber or fibers with fine-tunable morphology and surface properties. The well-designed nanocarriers could be optimized for enzyme immobilization and well-fitted for the desired biotransformation.
The research focuses on the synthesis of nanocarriers with so-called mixed surface and morphology, which have multi functions simultaneously. This characteristic can be achieved by reversible secondary bindings (such as hydrophobic, adsorptive or coordinative interactions) and irreversible forces (as direct covalent binding or cross-linked network retention) between the carrier and the enzyme provided by specific function groups and template agents.
The systematically designed enzyme immobilization strategies and nanocarrier systems can represent sustainable and stabile biocatalysis with enhanced activity and stability for the green production of several molecular building block or intermediate with biological activity in batch and continuous-flow conditions as well.
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 enzymes in their natural or recombinant form have high substrate specificity and high selectivity, thus by enzyme catalysts several optically active compounds can be synthesized efficiently. However, their catalytically active and enantioselective state may be sensitive under the reaction conditions. In addition, biocatalysts are hard to isolate from the homogenous reaction media. Due these disadvantages, the application of native enzymes as catalyst results in serious technological challenges. As the range of enzyme-catalyzed processes extends, more and more complicated reaction conditions and reactor systems may be required.
The solid, nanostructured enzyme carriers have unique advantage, that they have large surface area and high stability, and their physico-chemical properties are fine-tunable and adaptable to the requirements of enzyme catalysis. Due to the growing importance of recombinant enzymes and proteins the downstream processes of these valuable biotechnological products cause several technological difficulties. The result of these project can be a novel carrier family and methodology, which are able to isolation, stabilization and immobilization the desired enzyme in parallel way, providing directly applicable biocatalysts.
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.
Enzymes mean unique opportunities for synthesis of such chiral compounds in enantiopure form, which are particularly important for the pharmaceutical industry and the food industry as well. However, the enzymes are extremely sensitive to environmental effects and they can lose their catalytic activity and selectivity easily. In addition, their isolation is difficult from homogeneous phase reactions. In many of such cases, they can contaminate the product, which means serious technological problem. The main focus of this research is the combination of biotechnology and material science to create a novel generation of nanostructured carrier systems, which are able to the stabilize enzymes in their active conformation. These biocatalysts are easily recyclable from the reaction media, thus they significantly reduce economic and environmental burden of the procedure. For immobilization in nanostructured systems lipases and ammonia-lyases are selected as model enzymes. These enzymes are able to produce several alcohols, amino acids and amines in enantiomerically pure form. The proposed techniques and carrier systems offer possibility to perform immobilization of the enzymes from any stages of downstream process of their fermentation, which mean significant technological advantage in many cases. The novel nanostructured biocatalyst can provide promising opportunities for extension the applications of enzymes with increased activity and stability in biotransformations.
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.
Nowadays, enzymes have important role in many scientific areas, industrial fields and in our everyday life as well. They can be applied for targeted enzyme replacement therapies, early stage diagnosis of several diseases or even environmentally friendly degradation of harmful substances. In addition, enzyme catalyzed biotransformations have highlighted importance in the synthesis of chiral compound in a simple way without extreme reaction conditions. Thus, enzymes as catalysts play more and more important role in the production of chiral building blocks of many drug like compounds in modern pharmaceutical industry. Although enzymes are effective and versatile catalysts, they have high sensitivity to the environmental impacts, which can cause rapid deactivation. By the aid of suitable immobilization techniques, biocatalysts with enhanced stability and efficiency are available for long-term operation. One of the most important result of material science is the nanomaterials, which are designable and fine-tunable by nano-and chemical technologies. The aim of this project is to combine the bio- and nanotechnology to develop new generation nanostructured enzyme carrier systems, which can be used easily and efficiently to create novel biocatalysts which can significantly contribute to the pharmaceutical research and development of related industries.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
