Orientador: José Augusto Rosário Rodrigues / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T08:42:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cazetta_Tarcila_D.pdf: 6322006 bytes, checksum: 7ade22d0f421a68d569efe2ff834bce5 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Nesse projeto de pesquisa foram estudadas metodologias visando o preparo de moléculas quirais por meio da utilização de micro-organismos. No Capítulo 1 foram empregados leveduras e fungos para o preparo de álcoois secundários e dióis enantiomericamente puros por meio de resolução cinética oxidativa e de desracemização por estereoinversão. O álcool (R)-1-(3-hidroxifenil)-etanol, um precursor no preparo da Rivastigmina, um medicamento utilizado no tratamento do mal de Alzheimer foi obtido por um processo de resolução cinética altamente eficiente e sua configuração absoluta foi determinada por meio da utilização da técnica de dicroísmo circular. O (R)-1-(3-piridinil)-etanol foi preparado via desracemização por estereoinversão mediada pelo fungo Geotrichum candidum. O mecanismo reacional foi estudado empregando os enantiômeros puros do substrato como material de partida, de forma que foi possível estabelecer uma proposta para o mecanismo de desracemização. O diol (S)-1-fenil-1,2-etanodiol foi preparado por um processo de desracemização por estereoinversão altamente eficiente, com rendimento de 90% e ee 99%, pela levedura Candida albicans. O mecanismo reacional foi estudado, bem como a influência de grupos doadores e retiradores de elétrons ligados ao anel aromático. Verificou-se que a natureza do grupo pode influenciar drasticamente uma das etapas da desracemização. No Capítulo 2 foram estudadas reações de redução de ligações C=C pela ação de enzimas enoato-redutases da levedura Pichia kluyveri. Metilenocetonas foram preparadas e o micro-organismo promoveu a redução da ligação C=C de maneira quimio e estereosseletiva, de modo que a carbonila da cetona permaneceu intacta. Foram obtidas ?-metilcetonas com excelentes rendimentos e excessos enantioméricos. Em particular, a (S)-1-fenil-2-metil-1-hexanona, um composto até então não relatado na literatura, foi preparada com excelentes rendimento (93%) e ee (99%), e sua configuração absoluta foi determinada empregando a técnica de dicroísmo circular / Abstract: In this research project were studied methodologies aimed at the preparation of chiral molecules using microorganisms. In Chapter 1, yeast and fungi were used for the preparation of enantiomerically pure alcohols and diols by kinetic resolution oxidative and desracemização by estereoinversão. The alcohol (R)-1-(3-hydroxyphenyl)ethanol, a precursor in the preparation of Rivastigmine, a drug used in the treatment of Alzheimer's disease was obtained by a process of highly efficient kinetic resolution and its absolute configuration was determined by using the technique of circular dichroism. The (R)-1-(3-pyridinyl)ethanol was obtained by desracemization mediated by fungus Geotrichum candidum. The reaction mechanism was studied using pure enantiomers as starting substrate material, so that it was possible to establish a mechanism for desracemização. The diol (S)-1-phenyl-1,2-ethanediol was prepared by a process of highly efficient estereoinversão by the yeast Candida albicans. The reaction mechanism has been studied, as well as the influence of donating and electron-withdrawing groups attached to the aromatic ring. It has been found that the nature of the group may dramatically influence of the steps of desracemization. In Chapter 2, reduction C=C bonds reactions were studied by the action of enoate-reductase enzymes from yeast Pichia kluyveri. Methyleneketones were prepared and the microorganism caused a reduction of the C=C bond chemotherapy and stereoselective manner, such that the carbonyl group of the ketone remained intact. Chiral ?-methyl ketones were obtained with excellent yields and enantiomeric excesses. In particular, (S)-2-methyl-1-phenylhexan-1-one, a hitherto not reported in literature compound was prepared in excellent yield (93%) and ee (99%) and its absolute configuration was determined using the technique of circular dichroism / Doutorado / Quimica Organica / Doutora em Ciências

Orientador: Anita Jocelyne Marsaioli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-19T01:24:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mantovani_SimoneMoraes_D.pdf: 4553084 bytes, checksum: 941c2cd131469cbd398d6bc132f763bd (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: A utilização de biocatalisadores em processos industriais permite a obtenção de produtos de alto valor agregado em sintonia com as demandas de caráter tecnológico e de preservação ambiental. De maneira geral, o desenvolvimento de um biocatalisador envolve inicialmente a triagem da atividade de interesse, seguida da análise das propriedades como seletividade (regio e estereosseletividade) ou estabilidade, que podem ser posteriormente otimizadas por evolução dirigida ou desenho racional até a obtenção de um biocatalisador ótimo. Dessa maneira, os objetivos desse trabalho de tese foram aplicar diferentes metodologias para obtenção de biocatalisadores eficientes, que serão descritos em três capítulos. No capítulo I foi descrita a exploração de novos biocatalisadores por triagem da atividade enzimática em formato miniaturizado de biblioteca metagenômica composta por 864 clones utilizando sondas fluorogênicas, e que levou à detecção de quatro clones ativos para a hidrólise de ésteres. Posteriormente esses clones foram avaliados frente a substratos não modificados permitindo identificar um clone expressando uma enzima de alta quimio e enantiosseletividade para resolução cinética de éster propiônico (E > 100).. No capítulo II foi descrito o mecanismo da desracemização de álcoois secundários por células íntegras de Candida albicans CCT 0776 que consiste em um processo cíclico de oxidação e redução. A primeira etapa é catalisada por uma enzima altamente (S)-seletiva dependente de NADP e O2, seguida de redução pouco seletiva dependente de NADH. Esse sistema foi aplicado para diferentes álcoois e dióis, e possibilitou a detecção dos enantiômeros anti-Prelog com conversões de moderadas a altas (60 a 99 %) e altos excessos enantioméricos (80 a 90%) entre períodos de 20 a 120 h. Por fim, no Capítulo III foi descrito o trabalho de engenharia do citocromo P450Bm3 por exploração combinatória de alanina e posterior evolução dirigida para desmetilação regiosseletiva de substratos volumosos. Essa etapa foi desenvolvida durante o estágio de doutorando em Catech (EUA) sob a supervisão da Profa. Frances Arnold e permitiu a obtenção de variantes capazes de catalisar N-desmetilação de alcalóides e hidroxilação de esteróides com rendimentos moderados (20-80%). Todos esses resultados mostram a variedade de técnicas que podem ser empregadas para o desenvolvimento e aplicações de biocatalisadores visando transformações regio e estereosseletivas eficientes / Abstract: Biocatalysts have been widely applied in recent decades for industrial processes yielding high value products under environmentally friendly reaction conditions. The development of biocatalysts often begins with screening to identify enzymes with suitable activities followed by characterization of the enzymes chemo-, regio- and stereoselectivity or stability. However, identification of new biocatalysts does not always yield enzymes suitable for a given synthetic problem. To overcome this limitation, biocatalysts can be optimized by protein engineering using rational design or directed evolution. In this context, this thesis describes different methodologies that can be explored to obtain efficient biocatalysts for selective transformations. In Chapter I, functional screening of an 864 member metagenomic library derived from soil using a miniaturized assay based on fluorogenic substrates is described. These assays identified four clones capable of ester hydrolysis. Upon further evaluation using high value substrates, one clone, B6, was shown to display high chemo- and enantioselectivity (E>100) for propionic ester hydrolysis. Chapter II describes the study and application of secondary alcohols deracemization using Candida albicans CCT 0776 whole cells. Monitoring the reaction using phenylethanol as a substrate revealed this system furnishes the (R)-enantiomer in high yield and enantiomeric excess mediated by a cyclic process of oxidation and reduction. In summary the first step is catalyzed by a high S- selective enzyme dependent on NADP and O2 followed by a non-selective reduction catalyzed by an NADH-dependent enzyme. This whole cell biocatalyst was applied to different sec-alcohols and diols allowing the detection of the anti-Prelog products in moderate to high conversions (60 and 99%) and high enantiomeric excess (80 and 90%) within 20 to 120 hour incubation times. Finally, in Charpter III the engineering of cytochrome P450Bm3 by alanine combinatorial scanning mutagenesis followed by directed evolution was used to identify enzymes with regioselective demethylation of bulky substrates. These libraries furnished variants capable of catalyzing regioselective N-demethylation of alkaloids and diastereoselective hydroxylation of steroids in moderate yields. Taken together these studies show the variety of techniques that can be applied for development and application of biocatalysts enabling selective and efficient transformations / Doutorado / Quimica Organica / Doutor em Ciências

Inspirados em reações catalisadas por enzimas a partir de micro-organismos encontrados em ambientes marinhos severos (psicrofílicos), em que a quantidade de oxigênio é restrita, observou-se que a Arthrobacter sp. CCT 7749 realizou diferentes transformações químicas mudando de condições reacionais anaeróbias para aeróbias. Dependendo da presença ou ausência de oxigênio, ambas desracemização de alcoóis ou redução de cetonas com seletividades enantiocomplementares foram realizadas pelo mesmo microorganismo. Estes conceitos foram aplicados tanto para desracemização quanto para redução enantiosseletiva de compostos contendo heteroátomos (silício, fósforo, estanho e boro). Visando a identificação molecular das enzimas responsáveis pelas reações de oxido-redução, buscou-se desenvolver uma metodologia de purificação enzimática usando diferentes técnicas. Inicialmente a lise celular da Arthrobacter sp. CCT 7749 empregando a liticase na presença de β-mercaptoetanol e usando ondas ultrassônicas produziu 28 mg/mL de proteínas. A purificação da oxidorredutase ocorreu através de colunas cromatográficas de troca iônica DEAE FF, seguida por ANX FF. O extrato protéico contendo a enzima parcialmente pura apresentou atividade específica de 4,23 U/mg na oxidação do (R,S)-1-(4-metilfenil)etanol à cetona correspondente. Através do uso das técnicas native-PAGE e zimografia detectou-se uma massa molecular da enzima de ≈240 kDa e que provavelmente se encontrava na forma hetero-hexamérica apresentando três subunidades em ~35 kDa e três em ~45 kDa. Observou-se que, surpreendentemente, a fração protéica parcialmente pura também foi capaz de reduzir a 4-metilacetofenona obtendo-se 17% do (S)-1-(4-metilfenil)etanol com excelente excesso enantiomérico >99%. / Inspired by enzyme-catalyzed reactions with microorganisms found in harsh marine environments (psychrophilic), in which the amount of oxygen is restrict, we have shown that Arthrobacter sp. CCT 7749 can perform different chemical transformations by switching from anaerobic to aerobic reaction conditions. Depending on the presence or absence of oxygen, either alcohol deracemization or ketone reduction with enantiocomplementary selectivities can be performed by the same microorganism. These concepts were applied for both deracemization and enantioselective reduction of heteroatom-containing molecules (silicon, phosphorus, tin and boron). Aiming Enzyme purification, different techniques were employed. Cell lysate of Arthrobacter sp. CCT 7749. Was prepared using lyticase and β-mercaptoethanol bu ultrasonication. Purification of this enzyme occurred through chromatographic columns of DEAE FF ion exchange, followed by ANX FF. The partially pure oxidoreductase presented specific activity of 4.23/mg in the oxidation (RS)-1-(4- methylphenyl)ethanol to the corresponding ketone. Native-PAGE and zymography have shown that the enzyme had ≈240 kDa molecular mass, probably in the form hetero-hexameric with 3 subunits ~35 kDa and three ~45 kDa. Surprisingly, the partially pure protein fraction was able to reduce the 4- methylacetophenone giving 17% of (S)-1-(4-methylphenyl)ethanol with excellent enantiomeric excess >99%.

Inspirados em reações catalisadas por enzimas a partir de micro-organismos encontrados em ambientes marinhos severos (psicrofílicos), em que a quantidade de oxigênio é restrita, observou-se que a Arthrobacter sp. CCT 7749 realizou diferentes transformações químicas mudando de condições reacionais anaeróbias para aeróbias. Dependendo da presença ou ausência de oxigênio, ambas desracemização de alcoóis ou redução de cetonas com seletividades enantiocomplementares foram realizadas pelo mesmo microorganismo. Estes conceitos foram aplicados tanto para desracemização quanto para redução enantiosseletiva de compostos contendo heteroátomos (silício, fósforo, estanho e boro). Visando a identificação molecular das enzimas responsáveis pelas reações de oxido-redução, buscou-se desenvolver uma metodologia de purificação enzimática usando diferentes técnicas. Inicialmente a lise celular da Arthrobacter sp. CCT 7749 empregando a liticase na presença de β-mercaptoetanol e usando ondas ultrassônicas produziu 28 mg/mL de proteínas. A purificação da oxidorredutase ocorreu através de colunas cromatográficas de troca iônica DEAE FF, seguida por ANX FF. O extrato protéico contendo a enzima parcialmente pura apresentou atividade específica de 4,23 U/mg na oxidação do (R,S)-1-(4-metilfenil)etanol à cetona correspondente. Através do uso das técnicas native-PAGE e zimografia detectou-se uma massa molecular da enzima de ≈240 kDa e que provavelmente se encontrava na forma hetero-hexamérica apresentando três subunidades em ~35 kDa e três em ~45 kDa. Observou-se que, surpreendentemente, a fração protéica parcialmente pura também foi capaz de reduzir a 4-metilacetofenona obtendo-se 17% do (S)-1-(4-metilfenil)etanol com excelente excesso enantiomérico >99%. / Inspired by enzyme-catalyzed reactions with microorganisms found in harsh marine environments (psychrophilic), in which the amount of oxygen is restrict, we have shown that Arthrobacter sp. CCT 7749 can perform different chemical transformations by switching from anaerobic to aerobic reaction conditions. Depending on the presence or absence of oxygen, either alcohol deracemization or ketone reduction with enantiocomplementary selectivities can be performed by the same microorganism. These concepts were applied for both deracemization and enantioselective reduction of heteroatom-containing molecules (silicon, phosphorus, tin and boron). Aiming Enzyme purification, different techniques were employed. Cell lysate of Arthrobacter sp. CCT 7749. Was prepared using lyticase and β-mercaptoethanol bu ultrasonication. Purification of this enzyme occurred through chromatographic columns of DEAE FF ion exchange, followed by ANX FF. The partially pure oxidoreductase presented specific activity of 4.23/mg in the oxidation (RS)-1-(4- methylphenyl)ethanol to the corresponding ketone. Native-PAGE and zymography have shown that the enzyme had ≈240 kDa molecular mass, probably in the form hetero-hexameric with 3 subunits ~35 kDa and three ~45 kDa. Surprisingly, the partially pure protein fraction was able to reduce the 4- methylacetophenone giving 17% of (S)-1-(4-methylphenyl)ethanol with excellent enantiomeric excess >99%.

Orientador: José Augusto Rosário Rodrigues / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-23T13:10:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nasario_FabioDomingues_M.pdf: 3028989 bytes, checksum: 95b2af06aacbc6c6c5e2ba6bc63d6acf (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A desracemização de alcoóis secundários por estereoinversão utilizando apenas um microrganismo é um processo ambientalmente compatível que se enquadra nos princípios da química verde, e apresenta grande interesse visto a utilização desses compostos enantiomericamente puros na síntese de fármacos e outras moléculas biologicamente ativas. Nesse estudo foram empregadas as leveduras S. cerevisiae e C. albicans CCT 5847/18804, separadamente para realizar a desracemização de alguns alcoóis secundários como 1-feniletanol, mandelato de etila, 3-fenil-3-hidroxipropanoato de etila, 4-fenil-2-hidroxibutirato de etila. Esse processo mostrou-se bastante eficiente para obtenção de alcoóis enantiomericamente enriquecidos, visto que dispensa a utilização de enzimas isoladas e uso de custosos cofatores. Foi possível obter (R)-1-feniletanol 90% rendimento cromatográfico ee 99% com desracemização do rac-1-feniletanol catalisada por C. albicans, e o outro enantiômero (S)-1-feniletanol a partir da redução de acetofenona com S. cerevisiae tipo II com 75% de conversão e 96% ee. A desracemização do 4-fenil-2-hidroxibutirato de etila foi possível com C. albicans e S. cerevisiae com apenas 2 horas de reação obteve-se o (S)-4-fenil-2-hidroxibutirato de etila com ee de 96% e rendimento de 99%. Foi possível obter o (S)-mandelato de etila ee de 96% e 90% de rendimento a partir da desracemização com C. albicans e o outro enantiômero com redução do respectivo ceto-ester com S. cerevisiae. O (S)-3-hidroxi-3-fenilpropionato de etila foi produzido a partir da desracemização de 3-hidroxi-3-fenilpropionato de etila com S cerevisiae tipo II após 2 dias de reação com 96% ee e 75% de rendimento. O processo de desracemização de alcoóis secundários utilizando um único microrganismo mostrou-se eficiente para obtenção de compostos quirais com alta economia de átomos e baixo fator de impacto ambiental para a maioria dos substratos estudados / Abstract: The deracemization of secondary alcohols by stereoinversion using only one microorganism is an environmentally compatible process that fits the principles of green chemistry and presents great interest since the use of these compounds in the synthesis of enantiomerically pure drugs and other biologically active molecules. In this study we employed the yeasts of S. cerevisiae and C. albicans CCT 5847/18804 separately to perform deracemization of some secondary alcohols such as 1-phenylethanol, ethyl mandelate, ethyl 3-hydroxy-3-phenylpropanoate, ethyl 2-hydroxy -4-phenylbutyrate. This process proved to be very efficient for obtaining enantiomerically enriched alcohols, since it eliminates the use of isolated enzymes and expensive cofactors. It was possible to perform a deracemization of 1-phenylethanol and obtain 90% of the (R)-1-phenylethanol in 99% ee by C. albicans, and the other enantiomer (S)-1-phenylethanol from the enatioselective reduction of acetophenone with S. cerevisiae with 75% conversion and 96% ee. The deracemization of ethyl 2-hydroxy -4-phenylbutyrate was possible to perform with C. albicans and S. cerevisiae with only 2 hours of reaction to obtain the (S)- ethyl 2-hydroxy -4-phenylbutyrate (ee of 96% and yield of 100%) , which is impressive, since the production of (S)- ethyl 2-hydroxy -4-phenylbutyrate may be performed in any chemistry laboratory, since S. cerevisiae type II is lyophilized and dispenses use of sterile materials and laminar flow hood. It was also possible to obtain (S)-ethyl mandelate (ee of 96% and yield of 90%) by deracemization of ethyl mandelate with C. albicans and other enantiomer by reduction of the corresponding ketone with S. cerevisiae. (S) ethyl 3-hydroxy-3-phenylpropionate (96% ee and 75% yield) was produced by deracemization of ethyl 3-hydroxy-3-phenylpropanoate with S cerevisiae Type II after 2 days of reaction. The deracemization of secondary alcohols using a single microorganism was effective for obtaining chiral compounds with high atomic efficiency and low environmental factor to most substrates studied / Mestrado / Quimica Organica / Mestre em Química