Nanostruktúrált katalizátor hordozó rendszerek fenntartható biotranszformációkhoz  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
131467
típus PD
Vezető kutató Balogh Diána
magyar cím Nanostruktúrált katalizátor hordozó rendszerek fenntartható biotranszformációkhoz
Angol cím Nanostructured catalyst systems for sustainable biotransformations
magyar kulcsszavak biotranszformáció, katalízis, nanoanyagok,
angol kulcsszavak biotransformation, catalysis, nanomaterials
megadott besorolás
Anyagtudomány és Technológia (kémia) (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)50 %
Szerves-, biomolekuláris- és gyógyszerkémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)40 %
Ortelius tudományág: Intelligens anyagok
A kémia biológiai alkalmazásai (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)10 %
zsűri Kémia 2
Kutatóhely Szerves Kémia és Technológia Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem)
projekt kezdete 2019-12-01
projekt vége 2023-05-31
aktuális összeg (MFt) 24.420
FTE (kutatóév egyenérték) 2.80
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
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.
angol összefoglaló
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.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A kutatás nanostrukturált hordozóanyagok kifejlesztését célozta melyekkel megvalósítható biokatalizátorok hatékony rögzítése, három különböző stratégiával: i) funkcionalizált nanoanyagokhoz való rögzítés, ii) nanoanyagokba való beágyazás és iii) kompozit nanoanyagokra épülő kombinált módszerek. Vad típusú, izolált enzimeket (különböző lipázok), rekombináns enzimeket (fenilalanin ammónia liáz, aszpartát ammónia liáz és transzamináz) és enzimutánzó ágenseket (Cyp450 enzimet mimikáló metalloporfirin) választottunk modell biokatalizátornak, melyek releváns biotranszformációkat példáznak a szintetikus és a terápiás célú gyógyszerkutatásban, valamint a gyógyszeranalitikában. i) Eredményeink azt mutatták, hogy szilícium-dioxid és mágneses nanorészecskék, szén nanocsövek tudatosan tervezett felületmódosításával finomhangolható hordozók állíthatók elő, melyek biztosítják a biokatalizátor hatékony működését. ii) Azonosítottuk polimerek azon tulajdonságait, amelyek szignifikánsan befolyásolhatják a polimer nanoszálakba bezárt enzimeket, valamint megmutattuk a polimer nanoszálak szerkezeti tulajdonságainak és a polimer-enzim molekulák specifikus kölcsönhatásainak szinergikus hatását. iii) A funkcionalizált nanorészecskékre történő rögzítés és a nanoszálakba ágyazás kombinációjával új lehetőségeket nyitottunk az enzimek és enzimutánzó ágensek in situ izolálására és immobilizálására, mely számos technológiai nehézséget (például tisztítás, elválasztási lépések) kiküszöbölhet
kutatási eredmények (angolul)
The project aimed the development of novel nanostructured carrier materials for the efficient immobilization of biocatalysts. Three different strategies had been introduced: i) attaching on to functionalized nanomaterials, ii) embedding into nanomaterials and iii) combined methods applying composite nanomaterials. Wild-type crude enzymes (lipases from different strains), recombinant enzymes (phenylalanine ammonia lyase, aspartate ammonia lyase and transaminase) and enzyme mimetic agents (Cyp450 mimicking metalloporphyrin) were selected as model biocatalyst to demonstrate relevant biotransformations in synthetic, therapeutic and analytical drug discovery. i) Our results showed that by the rational surface functionalization of silica nanoparticles, magnetic nanoparticles and carbone nanotubes, fine-tunable carrier materials could be performed to ensure ideal interactions between the biocatalyst and the carrier. ii) We found the properties of polymers which significantly affect the entrapped enzymes into polymeric nanofibers and the synergic effect of the structural properties of and the specific interactions between polymer and enzyme molecules had been described. iii) The combination of attachment onto functionalized nanoparticles and embedding into nanofibers opened new possibilities for the in situ isolation and immobilization of enzymes and enzyme mimicking agent, bypassing several technological difficulties (such as purification, separation steps).
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=131467
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Dr. Flóra Nagy, Dr. Evelin Sánta-Bell, Monica Jipa, Dr. Gábor Hornyánszky, Dr. András Szilágyi, Prof. Dr. Krisztina László, Dr. Gabriel Katona, Prof. Dr. Csaba Paizs, Prof. Dr. László Poppe, Dr. Diána Balogh-Weiser: Cross-Linked Enzyme-Adhered Nanoparticles (CLEANs) for Continuous-Flow Bioproduction, ChemSusChem, 2021
Ali Obaid Imarah, Pál Csuka, Naran Bataa, Balázs Decsi, Evelin Sánta-Bell, Zsófia Molnár, Diána Balogh-Weiser, László Poppe: Magnetically Agitated Nanoparticle-Based Batch Reactors for Biocatalysis with Immobilized Aspartate Ammonia-Lyase, Catalysts, 2021
Gábor Koplányi, Evelin Sánta-Bell, Zsófia Molnár, Gergő Dániel Tóth, Muriel Józó, András Szilágyi, Ferenc Ender, Béla Pukánszky, Beáta G. Vértessy, László Poppe, Diána Balogh-Weiser: Entrapment of Phenylalanine Ammonia-Lyase in Nanofibrous Polylactic Acid Matrices by Emulsion Electrospinning, Catalysts, 2021
Gergő Dániel Tóth, Adrienn Kazsok , Benjámin Gyarmati, András Szilágyi, Gábor Vasvári, Gábor Katona, Lajos Szente, Romána Zelkó, László Poppe, Diána Balogh-Weiser, György T. Balogh: Nanofibrous Formulation of Cyclodextrin Stabilized Lipases for Efficient Pancreatin Replacement Therapies, Pharmaceutics, 2021
Cristian Andrei Gal, Laura Edit Barabás, Judith-Hajnal Bartha Vári, Mădălina Elena Moisă, Diana Balogh-Weiser, László Csaba Bencze, László Poppe, Csaba Paizs, Monica Ioana Toșa: Lipase on carbon nanotubes – an active, selective, stable and easy-to-optimize nanobiocatalyst for kinetic resolutions, Reaction Chemistry & Engineering, 2021
Csuka P., Molnár Z., Tóth, V., Imarah A.O., Balogh-Weiser D., Vértessy G.B., Poppe L.: Immobilization of the Aspartate Ammonia-Lyase from Pseudomonas fluorescens R124 on Magnetic Nanoparticles: Characterization and Kinetics, ChemBioChem, 2022
Balogh-Weiser D., Poppe L., Kenéz B., Decsi B., Koplányi G. Katona G. Gyarmati B. Ender F, Balogh G.T.: Novel biomimetic nanocomposite for investigation of drug metabolism, Journal of Molecular Liquids, 2022
Balogh-Weiser Diána, Molnár Alexandra, Tóth Gergő D., Koplányi Gábor, Szemes József, Decsi Balázs, Katona Gábor, Salamah Maryana, Ender Ferenc, Kovács Anita, Berkó Szilvia, Budai-Szűcs Mária, Balogh György T.: Combined Nanofibrous Face Mask: Co-Formulation of Lipases and Antibiotic Agent by Electrospinning Technique, PHARMACEUTICS 15: (4) p. 1174., 2023
Koplányi Gábor, Bell Evelin, Molnár Zsófia, Katona Gábor, Neumann Péter Lajos, Ender Ferenc, Balogh György Tibor, Žnidaršič-Plazl Polona, Poppe László, Balogh-Weiser Diana: Novel Approach for the Isolation and Immobilization of a Recombinant Transaminase, CHEMBIOCHEM 24: (7) e202200713, 2023




vissza »