Engineering Biocatalysts with Polymers for Biocatalytic Cascade

Biokatalysatorer, herunder enzymer og hele celler, er kraftfulde biologiske katalysatorer, der muliggør forskellige reaktioner med enestående effektivitet og finder omfattende anvendelse i den kemiske og farmaceutiske industri. På trods af deres fordele giver anvendelse af biokatalysatorer i industrielle omgivelser, især under ikke-biologiske forhold, betydelige udfordringer, såsom deres sårbarhed over for industrielt miljø, dårlig genanvendelighed, begrænsede reaktionsomfang og vanskeligheder i kemoenzymatiske kaskader. For at løse disse udfordringer beskriver denne afhandling en polymerstrategi til at konstruere enzymer og hele celler til stabil, genanvendelig, ny-inatur kaskadekatalyse.

I den indledende bestræbelse konstruerede jeg aktive polymere nanopartikler til at inkorporere enzymer i Pickering-emulsioner, hvilket letter genanvendelig kaskadekatalyse. Disse nanopartikler blev syntetiseret gennem podning af polymerligander fra deres overflader via atom transfer radikal polymerisation (ATRP), efterfølgende koordineret med [RuCl2(p-cymen)]2. Denne metode gav ikke kun partiklerne katalytisk funktionalitet, men forbedrede også deres overfladeaktivitet, hvilket muliggjorde deres anvendelse som katalytisk aktive emulgatorer. Til sidst katalyserede integrationen af Candida antarctica Lipase B (CalB) i Pickering-emulsionen en kemoenzymatisk kaskadereaktion, fra acetophenon til 1-phenylethanol, i et vandigt medium med en effektivitet på op til 99 % omdannelse og et enantiomert overskud (ee) på 93 %.

Med udgangspunkt i ovenstående succes foreslog jeg den direkte modifikation af aktive enzymer med katalytiske polymerer, hvilket skaber enzym-polymer-konjugater, der indeholder både enzymer og polymerkatalysatorer. I betragtning af den upolære karakter af de undersøgte katalytiske polymerer, udtænkte jeg copolymerisationsstrategier, der integrerede polære monomerer med ikkepolære polymerkatalysatorer direkte på transaminaser. Dette resulterede i dannelsen af vandopløselige, aktive konjugater til to-trins one-pot kaskadereaktioner. Bemærkelsesværdigt opnåede disse konjugater en omdannelseseffektivitet på 99 % og et enantiomert overskud på 95 %, hvilket understreger potentialet ved denne metode til at fremme kemoenzymatisk syntese.

Desuden har jeg udviklet nye metoder til at konstruere enzymer og levende celler med supramolekyler og polymergæster for at give dem nye egenskaber til katalyse og genanvendelse. Jeg har syntetiseret SupEnzymes ved kemisk at forbinde enzymer med supramolekylært β-cyclodextrin, hvilket gør dem i stand til at udføre on-demand genanvendelig katalyse. Disse SupEnzymes kan fungere som både vandopløselige homogene katalysatorer og, gennem interaktion med gæstepolymerer, som genanvendelige heterogene katalysatorer. Den strategiske introduktion af specifikke gæster og konkurrerende gæster letter dynamisk skift mellem homogene og heterogene katalytiske tilstande, hvilket illustrerer alsidigheden af denne tilgang til effektiv katalyse og genbrug. På den anden side har jeg udvidet dette koncept til helcellekatalyse og skabt SupBacteria ved fysisk at associere E. coli-celler med gæstepolymerer, som derefter danner effektive vært-gæstekomplekser med SupEnzyme. Disse SupBacteria demonstrerer evnen til at genbruge forskellige ekstracellulære enzymer og udføre robuste multienzymatiske kaskader, der involverer to eller tre trin med ekstracellulære enzymer i celler.

Samlet set er min ph.d.-afhandling dedikeret til at udnytte avancerede polymerkemiteknikker til at forbedre stabiliteten, genanvendeligheden og effektiviteten af enzymer og hele celler i kaskadesyntese. Dette arbejde adresserer nøgleudfordringer inden for industriel bioteknologi med det formål at forbedre den praktiske anvendelighed af biokatalysatorer i industrielle processer.