El objetivo general del presente trabajo de título es determinar el efecto de la distribución de la hidrofobicidad en la superficie de las proteínas, en su comportamiento en sistemas de dos fases acuosas (ATPS), mediante el uso de modelos matemáticos para la descripción de esta distribución. Para hacer esta descripción se utilizaron dos tipos de modelos matemáticos. El primer tipo de modelos corresponde a estadísticas obtenidas a partir de mediciones locales de la hidrofobicidad en la superficie de las proteínas. Estas mediciones se hicieron definiendo vecindarios alrededor de cada aminoácido expuesto en la superficie. El segundo tipo de modelos se define a partir del vector de desbalance hidrofóbico, correspondiente a la desviación del centro geométrico de la superficie de las proteínas por efecto de la hidrofobicidad. Para estudiar la calidad de estos modelos, en términos de la predicción del comportamiento de proteínas en ATPS, se correlacionaron los valores obtenidos en un set de 8 proteínas con sus coeficientes de partición, en 12 sistemas distintos. Estos sistemas corresponden a 3 sistemas del tipo polímero/sal: PEG4/Fosfato, PEG/Sulfato y PEG/Citrato y un sistema PEG/Dextrano. Cada uno de ellos con concentraciones nula, baja y alta de NaCl. La predicción de K se midió utilizando el error cuadrático medio de Jack-Knife. Para estudiar la calidad de estas predicciones, los resultados generados se compararon con los obtenidos utilizando la hidrofobicidad superficial promedio y con los correspondientes a un modelo desarrollado previamente por Andrews et al., en el que se correlacionó la hidrofobicidad de las proteínas, medida experimentalmente, con el coeficiente K. Las correlaciones obtenidas utilizando los distintos modelos fueron de muy buena calidad. Los mejores resultados se obtuvieron con los modelos estadísticos donde en promedio la correlación fue de 0,88. Además las predicciones, en su mayoría, fueron superiores a las asociadas a los modelos de comparación. Entre todos los modelos utilizados se seleccionó el correspondiente al descriptor ASPavg como el más apto para la predicción de K, en términos de la influencia que tiene la hidrofobicidad de las proteínas sobre este parámetro. ASPavg es un promedio de la hidrofobicidad superficial local de las proteínas. La selección se hizo debido a la preferencia del modelo por escalas de hidrofobicidad y al hecho que la resolución hidrofóbica mantiene características reportadas anteriormente. Se concluye que, mediante la metodología seguida en este trabajo, es posible obtener una descripción de la distribución de la hidrofobicidad en la superficie de las proteínas, que sea de utilidad para modelar su comportamiento en ATPS.

L'objectif de cette thèse est de développer un nouvel instrument de chromatographie de partage centrifuge (CPC) dédié à la purification de molécules très polaires. La CPC est une technique préparative permettant la séparation des molécules grâce à l'utilisation d'un système solvant constitué de deux liquides non miscibles. Ce manuscrit expose dans un premier temps les différentes techniques de purification de protéines utilisées dans le cas d'un procédé industriel de production. Un focus est réalisé sur l'utilisation de systèmes biphasiques aqueux pour la purification des biomolécules, qui représente un réel avenir dans l'industrie du fait de son faible coût, de sa facilité de montée en échelle et surtout de l'environnement favorable qu'il fournit aux biomolécules. Ainsi en se basant sur les avantages de ces systèmes solvants dits Aqueous Two Phase Systems (ATPS), la CPC pourrait apporter une efficacité supplémentaire permettant de purifier les protéines à moindre coût. Pour pouvoir répondre à cet enjeu industriel, il est nécessaire de développer à la fois des méthodes chromatographiques innovantes et de nouveaux instruments dédiés. En effet, les instruments de CPC actuels ne sont pas compatibles avec les Bonne Pratique de Fabrication du fait de la présence de joints téflons qui empêche la possibilité de stériliser les instruments. La fabrication d'un nouvel instrument monobloc entièrement en titane a été réalisée grâce à la technologie de l'impression 3D pour répondre à cette problématique. L'objet de cette thèse est l'évaluation poussée des performances de cette nouvelle colonne afin de déterminer son applicabilité à la purification des biomolécules. Un focus sera également apporté à l'injection de volumes très faibles d'échantillon afin de faciliter le développement de méthodes / The aim of this thesis is to develop a new centrifugal partition chromatography (CPC) instrument in order to purify highly polar molecules. CPC is a preparative technique for the separation of molecules using a solvent system composed of two immiscible liquids. This manuscript describes the different protein purification techniques used in industrial production process. A focus is made on the use of aqueous biphasic systems for the purification of biomolecules, which represents a real trend in the industry thanks to its low cost, scaling simplicity and especially the favorable environment that it provides to biomolecules. Thus, based on the advantages of these solvent systems known as Aqueous Two Phase Systems (ATPS), CPC could provide additional performances to purify proteins at lower cost. To respond to this industrial challenge, it is necessary to develop both innovative chromatographic methods and new devoted instruments. Indeed, current CPC instruments are not compatible with Good Manufacturing Practices due to the presence of Teflon seals which prevents the possibility of sterilizing the instruments. The manufacture of a new monobloc instrument entirely made of titanium was achieved thanks to the 3D printing technology. The purpose of this thesis is the evaluation of this new column performance in order to determine its applicability to biomolecules purification. A special attention is also provided to the injection of very small sample volumes in order to facilitate method development

En el presente trabajo de tesis se elabora un modelo matemático que predice el coeficiente de partición de proteínas en sistemas de dos fases acuosas (ATPS), a partir del efecto de hidrofobicidad de las proteínas y la diferencia de energía de solvatación electrostática entre las fases . Para esto, se utilizan los datos experimentales de partición de 11 proteínas, en los sistemas PEG+fosfato, PEG+sulfato, PEG+citrato y PEG+dextrano, cada uno con concentración alta (8.8% p/p), intermedia (0.6% p/p) y nula (0% p/p) de NaCl, definiendo un total de 12 sistemas de características diferentes. Se propusieron 26 modelos en el presente trabajo, obteniendo los mejores resultados con el modelo , el cual disminuye el error de predicción en 6 de los 12 sistemas estudiados, con respecto a los resultados obtenidos por Salgado et al. (2008), donde sólo se utiliza la hidrofobicidad de las proteínas como variable. Los sistemas más favorecidos con la inclusión simultánea de ambas variables corresponden a aquellos con alta (8.8% p/p) concentración de NaCl, donde disminuyó el error de predicción entre un 4.0% y un 34.1% con respecto a los resultados de Salgado et al. Por lo tanto, la adición de una alta concentración de NaCl constituye una fácil alternativa para aumentar la calidad predictiva del modelo, siempre que el diseño lo permita. Debido a que los fenómenos fisicoquímicos involucrados en la partición de proteínas en un sistema PEG+Dextrano (formado por dos polímeros) son distintos a los involucrados en los sistemas PEG+sal, se elaboró un modelo aplicable sólo al sistema PEG+Dextrano, con el cual disminuyó el error de predicción entre un 1.7% y un 29.5% con respecto al de Salgado et al. En este ATPS, no sólo se logró mejorar la predicción del coeficiente de partición para todas las concentraciones de NaCl consideradas, sino que fue posible disminuir el error de predicción con mayor frecuencia que en los demás ATPS, considerando los 26 modelos propuestos. La complejidad del fenómeno involucrado en la partición de proteínas en los sistemas PEG+sal, con la consecuente dificultad de mejorar modelos predictivos aplicados a estos sistemas, explica porqué los ATPS de soluciones poliméricas no han sido reemplazados a nivel industrial por los económicos sistemas salinos. El aporte del presente trabajo de tesis no sólo consiste en presentar una herramienta matemática para predecir el coeficiente de partición de proteínas en ATPS, sino que además, el modelo indica en qué proporción se debe modificar la hidrofobicidad de las proteínas y la diferencia de energía de solvatación electrostática para optimizar la separación.

A viabilidade da produção em escala industrial de produtos biotecnológicos de interesse comercial e terapêutico, como os fármacos, depende significativamente das técnicas de separação e purificação utilizadas. A aplicação do sistema de duas fases aquosas (SDFA) é proposta como alternativa para a purificação, pois permite a separação e análise de biomoléculas, de modo que estas não percam sua atividade ou propriedades desejadas. Esta técnica é interessante para a purificação em larga escala, pois permite partição seletiva, com potencial de obtenção de altos rendimentos, além de apresentar boa relação custo-benefício. O presente trabalho estudou a purificação por extração líquido-líquido do ácido clavulânico em SDFA utilizando um novo sistema polimérico aquoso, formado pelos polímeros polietileno glicol (PEG) e ácido poliacrílico (APA). Foram estudadas diferentes composições do sistema polimérico aquoso PEG/APA, empregando diferentes massas molares e concentrações para o PEG e utilizando a massa molar 8000g/mol para o APA. Com base nas informações obtidas o melhor ponto de extração para o ácido clavulânico na presença de Na2SO4 foi definido como MPEG=400 g/mol, CPEG=17,5% (m/m) e CNaPA=22,5% (m/m) com K= 19,14, ηT=91,21%, BM=101,69 e R=0,45. Enquanto que na presença de NaCl, o melhor ponto encontrado foi: MPEG=400 g/mol, CPEG=35% (m/m) e CNaPA=10% (m/m) com K=11,96 ηT=80,04%, BM=90,18 e R=0,66. No trabalho será avaliada, também, a influência da temperatura, pH e força iônica nesse sistema. Estabeleceram-se os melhores parâmetros de separação do ácido clavulânico presente em meio fermentado produzido por Streptomyces clavuligerus utilizando a metodologia de fermentação extrativa com SDFA PEG/APA. O efeito do ácido clavulânico no diagrama de fases do sistema PEG-APA, bem como sua partição na forma pura e na presença de homogeneizado celular, foi estudado principalmente através da determinação do coeficiente de partição e recuperação do respectivo fármaco. / The viability of industrial scale production of commercial and therapeutical biotechnological products, such as drugs, is significantly dependent on the separation and purification techniques applied. The use of two-aqueous phase systems (ATPS) is proposed as an alternative to purification because it allows the separation and analysis of biomolecules, so that they do not lose their activities or desired properties. This technique is interesting for large scale purification because it allows selective partition with high potential yield and good cost/benefit ratio. The present work studied the purification of clavulanic acid (CA) by liquid-liquid extraction in ATPS applying a new aqueous polymeric system composed of two polymers, namely polyethylene-glicol (PEG) and sodium polyacrylate (NaPA). Different compositions of the aqueous polymeric system (PEG/PAA) were utilized, employing different PEG molar masses (MPEG) and concentrations (CPEG) and a molar mass of PAA of 8000 g/mol. In the light of the results obtained, the best conditions for clavulanic acid extraction, in the presence of Na2SO4, were MPEG = 400 g/mol, CPEG = 17.5% (m/m) and CNaPA = 22.5% (m/m), which allowed obtaining a partition coefficient (K) of 19.14, a yield in the top phase (ηT) of 91.21%, a mass balance (MB) of 101.69 and a volume ratio (R) of 0.45. On the other hand, in the presence of NaCl, the best results (K = 11.96, ηT = 80.04%, MB = 90.18 and R = 0.66) were found at: MPEG = 400 g/mol, CPEG = 35% m/m and CNaPA = 10% m/m. The effect of clavulanic acid in the PEG-PAA system phase diagram and its partition either in its pure form or in the cell homogenate were studied mainly through both the determination of the partition coefficient and the recovery of the drug selected for this study.

A viabilidade da produção em escala industrial de produtos biotecnológicos de interesse comercial e terapêutico, como os fármacos, depende significativamente das técnicas de separação e purificação utilizadas. A aplicação do sistema de duas fases aquosas (SDFA) é proposta como alternativa para a purificação, pois permite a separação e análise de biomoléculas, de modo que estas não percam sua atividade ou propriedades desejadas. Esta técnica é interessante para a purificação em larga escala, pois permite partição seletiva, com potencial de obtenção de altos rendimentos, além de apresentar boa relação custo-benefício. O presente trabalho estudou a purificação por extração líquido-líquido do ácido clavulânico em SDFA utilizando um novo sistema polimérico aquoso, formado pelos polímeros polietileno glicol (PEG) e ácido poliacrílico (APA). Foram estudadas diferentes composições do sistema polimérico aquoso PEG/APA, empregando diferentes massas molares e concentrações para o PEG e utilizando a massa molar 8000g/mol para o APA. Com base nas informações obtidas o melhor ponto de extração para o ácido clavulânico na presença de Na2SO4 foi definido como MPEG=400 g/mol, CPEG=17,5% (m/m) e CNaPA=22,5% (m/m) com K= 19,14, ηT=91,21%, BM=101,69 e R=0,45. Enquanto que na presença de NaCl, o melhor ponto encontrado foi: MPEG=400 g/mol, CPEG=35% (m/m) e CNaPA=10% (m/m) com K=11,96 ηT=80,04%, BM=90,18 e R=0,66. No trabalho será avaliada, também, a influência da temperatura, pH e força iônica nesse sistema. Estabeleceram-se os melhores parâmetros de separação do ácido clavulânico presente em meio fermentado produzido por Streptomyces clavuligerus utilizando a metodologia de fermentação extrativa com SDFA PEG/APA. O efeito do ácido clavulânico no diagrama de fases do sistema PEG-APA, bem como sua partição na forma pura e na presença de homogeneizado celular, foi estudado principalmente através da determinação do coeficiente de partição e recuperação do respectivo fármaco. / The viability of industrial scale production of commercial and therapeutical biotechnological products, such as drugs, is significantly dependent on the separation and purification techniques applied. The use of two-aqueous phase systems (ATPS) is proposed as an alternative to purification because it allows the separation and analysis of biomolecules, so that they do not lose their activities or desired properties. This technique is interesting for large scale purification because it allows selective partition with high potential yield and good cost/benefit ratio. The present work studied the purification of clavulanic acid (CA) by liquid-liquid extraction in ATPS applying a new aqueous polymeric system composed of two polymers, namely polyethylene-glicol (PEG) and sodium polyacrylate (NaPA). Different compositions of the aqueous polymeric system (PEG/PAA) were utilized, employing different PEG molar masses (MPEG) and concentrations (CPEG) and a molar mass of PAA of 8000 g/mol. In the light of the results obtained, the best conditions for clavulanic acid extraction, in the presence of Na2SO4, were MPEG = 400 g/mol, CPEG = 17.5% (m/m) and CNaPA = 22.5% (m/m), which allowed obtaining a partition coefficient (K) of 19.14, a yield in the top phase (ηT) of 91.21%, a mass balance (MB) of 101.69 and a volume ratio (R) of 0.45. On the other hand, in the presence of NaCl, the best results (K = 11.96, ηT = 80.04%, MB = 90.18 and R = 0.66) were found at: MPEG = 400 g/mol, CPEG = 35% m/m and CNaPA = 10% m/m. The effect of clavulanic acid in the PEG-PAA system phase diagram and its partition either in its pure form or in the cell homogenate were studied mainly through both the determination of the partition coefficient and the recovery of the drug selected for this study.

Data de aprova??o retirada da vers?o impressa do trabalho. / Submitted by Jos? Henrique Henrique (jose.neves@ufvjm.edu.br) on 2018-01-04T19:50:32Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) edgard_ronny_delgado_huamani.pdf: 5898825 bytes, checksum: 78eee370de5fed297b3181e82d98f63d (MD5) / Approved for entry into archive by Rodrigo Martins Cruz (rodrigo.cruz@ufvjm.edu.br) on 2018-01-17T18:40:25Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) edgard_ronny_delgado_huamani.pdf: 5898825 bytes, checksum: 78eee370de5fed297b3181e82d98f63d (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-17T18:40:25Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) edgard_ronny_delgado_huamani.pdf: 5898825 bytes, checksum: 78eee370de5fed297b3181e82d98f63d (MD5) Previous issue date: 2017 / Neste trabalho, Carbon Dots (CD) oxidados foram preparados a partir de rea??es de desidrata??o/oxida??o ?cida da celulose, e posteriormente desoxigenados em meio alcalino e rea??o com sulfato de hidrazina. As caracteriza??es dos CD foram feitas com Microscopia eletr?nica de Transmiss?o, FTIR, titula??o potenciom?trica, Resson?ncia Magn?tica Nuclear de 13C e espectroscopia UV-Vis e fluoresc?ncia. Os resultados obtidos com estas caracteriza??es mostraram que a amostra oxidada apresenta um tamanho m?dio aproximadamente de 2,7 nm com uma significativa quantidade de grupos funcionais oxigenados ?cidos, dos quais 63% s?o ?cidos carbox?licos. Ap?s as rea??es de modifica??o superficial foi verificado que em meio alcalino ocorre somente uma elimina??o de nanoestruturas mais oxidadas, enquanto que na rea??o com hidrazina ocorre a redu??o de alguns grupos carbox?licos e ep?xidos com forma??o de grupos funcionais hidrazonas. Como consequ?ncia da modifica??o superficial, as propriedades ?pticas dos CD s?o alteradas significativamente. Com a redu??o, o band gap diminui e a energia da emiss?o aumenta, deslocando-se para a regi?o azul do espectro eletromagn?tico. Uma vez caracterizados, a parti??o de todos os CD preparados foi investigada em diferentes Sistemas Aquosos Bif?sicos (SAB), nos quais foram avaliados os efeitos dos c?tions e ?nions dos sais, dos pol?meros e do pH inicial do sistema no coeficiente de parti??o (K). Em adi??o foi avaliado o efeito da modifica??o superficial das nanopart?culas. A rela??o do K com comprimento da linha de amarra??o (CLA), o par?metro termodin?mico dos SAB foi estudado para todos os sistemas. Os resultados obtidos mostraram que a melhor separa??o ocorreu com o sistema PEO1500+sulfato de l?tio+?gua em pH=3 e usando os Carbon Dots reduzidos com hidrazina. O valor do K para este sistema foi de 64,4. Por outro lado, o menor valor de K foi 0,79, foi obtido para o sistema PEG1500+tartarato de s?dio+?gua em pH=6 e usando Carbon Dots oxidados. As an?lises detalhadas das fases superior e inferior de alguns destes sistemas com espectroscopia de fluoresc?ncia mostraram que os SAB s?o capazes, al?m de particionar, separar as nanopart?culas com diferentes propriedades ?pticas, as quais est?o diretamente associadas ?s propriedades superficiais e tamanho de part?culas. Por fim, n?s avaliamos a atividade catal?tica foto-Fentom dos CD na degrada??o do corante ani?nico ?ndigo de carmim e os resultados mostraram que os CD apresentam atividade fotocatal?tica neste sistema. Devido ? alta parti??o verificada para o sistema PEG1500+ sulfato de l?tio+?gua, este foi usado para avaliar a potencialidade de seu uso em cat?lise de transfer?ncia de fase usando CD como fotocatalisador e o corante ?ndigo de carmim como mol?cula modelo. Apesar da complexidade e da dificuldade de caracteriza??o dos produtos da foto-oxida??o no SAB, os resultados obtidos indicam que o sistema testado pode ser usado em rea??es de transfer?ncia de fase fotocatalisadas. Como conclus?o final, acredita-se que os resultados apresentados, em especial, a parti??o/sele??o das nanopart?culas com distintas propriedades ?pticas s?o de extrema import?ncia para o desenvolvimento de novas e eficazes aplica??es dos CD. / Disserta??o (Mestrado) ? Programa de P?s-Gradua??o em Qu?mica, Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri, 2017. / In this work, oxidized Carbon Dots (CD) were prepared by a dehydration/oxidation reaction of cellulose and subsequently deoxygenated in alkaline medium and reaction with hydrazine sulfate. The CD characterizations were made with Transmission Electron Microscopy, FTIR, potentiometric titration. 13C Nuclear Magnetic Resonance, UV-Vis and fluorescence spectroscopy. The results obtained with these characterizations showed that the oxidized sample has an average size of 2.7 nm with a significant amount of acid oxygenated functional groups, of which 63% are carboxylic acids. After the superficial modification reactions, it was verified that in alkaline conditions only one elimination of more oxidized nanostructures occurs, whereas in the reaction with hydrazine the reduction of some carboxylic groups and epoxides with formation of hydrazones functional groups. As a consequence of the surface modification, the optical properties of the CD are significantly changed. The band gap decreases and the emission energy increases, shifting to the blue region of the electromagnetic spectrum. Once characterized, the partitioning of all CD prepared was investigated in differente Aqueous two-phase systems (ATPS), in which the effects of the cations and anions of salts, of the polymers and the initial pH of the system in the partition coefficient (K) were evaluated. In addition, the surface modification effect of the nanoparticles was evaluated. The relationship of K with Tie Line Length (TLL), the thermodynamic parameter of the ATPS was studied for all systems. The results showed that the best separation occurred with the system PEO1500 + lithium sulfate + water at pH = 3 and using the reduced carbon dots with hydrazine. The K value for this system was 64,4. On the other hand, the lowest K value was 0,79, it was obtained for the system PEG1500 + sodium tartrate + water at pH = 6 and using oxidized carbon dots. The detailed analysis of the upper and lower phases of some of these systems with fluorescence spectroscopy showed that the ATPS are capable, in addition to partition, to separate the nanoparticles with different optical properties, which are associated directly to the surface properties and particle size. Finally, we evaluated the photo-Fentom catalytic activity of the CD in the degradation of the anionic anion dye indigo carmine and the results showed that the CD present photocatalytic activity in this system. Due to the high partition found for the PEG1500 + lithium + water sulfate system, it was used to evaluate the potentiality of its use in phase transfer catalysis using CD as a photocatalyst and the indigo carmine dye as a model molecule. Despite the complexity and difficulty of characterizing the photo-oxidation products in ATPS the results indicate that the system tested can be used in photocatalysed phase transfer reactions. As a final conclusion, we believe that the results presented, in particular, the partitioning / selection of nanoparticles with different optical properties are of extreme importance for the new and effective applications of CD.