As enzimas desempenham papel fisiológico fundamental nos organismos, seja em condições normais e patológicas, o que as tornam atrativos alvos para intervenções terapêuticas. Pequenas moléculas capazes de inibir enzimas alvos são utilizadas para o tratamento de diversas doenças inflamatórias, câncer, AIDS, entre outras. Contudo, a identificação de pequenas moléculas inibidores ainda é uma etapa limitante no desenvolvimento de fármacos. Nesse contexto, o aprimoramento e novos ensaios robustos e confiáveis para acelerar a descoberta e a caracterização de novos inibidores é de extrema relevância. Nesta tese apresentamos o desenvolvimento de apropriados métodos para a quantificação direta da atividade das enzimas alvos Nucleosídeo Difosfato Quinase B (NDKb), humana (NME2) e de Leishmania major (LmNDKb), livres em solução ou imobilizadas em colunas capilares (ICER). A separação dos produtos e substratos da reação foi realizada por cromatografia de par iônico, que possibilitou a quantificação direta da atividade enzimática da NDKb livre em solução, método 1D-LC-UV. Já para a quantificação da atividade das enzimas imobilizadas foi elaborado um método on-line ICER-LC-UV, no qual a reação enzimática do ICER foi transferida à coluna analítica, permitindo a separação e quantificação da atividade de fosfotransferência. Utilizando esses métodos foi possível determinar o pH ótimo e os parâmetros cinéticos das enzimas livres e imobilizadas. Inibidores de NDKb de diferentes potências e mecanismos de ação foram utilizados para modulação do sistema ICER-LC-UV como ensaio de triagem de inibidores. O (-)-Epicatequina galato (ECG) foi utilizado como prova de conceito, para validar a aplicação do método on-line ICER-LC-UV na identificação e caracterização de inibidores para as enzimas alvo NME2 e LmNDKb. Em suma, a quantificação direta associada ao uso de enzimas imobilizadas representa um grande avanço aos métodos consolidados para o monitoramento da atividade enzimática e triagem de inibidores das enzimas alvo. / Enzymes play a key physiological role in organisms, either under normal and pathological conditions, which make them attractive targets for therapeutic interventions. Small molecules capable to inhibit specific target enzymes are used for the treatment of several inflammatory diseases, cancer, AIDS, among others. However, to identify small inhibitory molecules is still a limiting step in drugs discovery. In this context, the improvement and development of robust and reliable novel assays to accelerate the discovery and characterization of new inhibitors have become extremely relevant. This study describes an appropriate direct method to quantify the enzymatic activity of Nucleoside Diphosphate Kinase B (NDKb) from human (NME2) and Leishmania major (LmNDKb). It can be applied to free enzyme in solution or immobilized enzyme into silica capillary (ICER). The separation of both the substrates and products was achieved using ion-pair chromatography, it can be applied to direct quantification of free NDKb activity, method 1D-LC-UV. In order to quantify the activity of the immobilized enzymes, an on-line ICER-LC-UV method was developed. Initially, the enzymatic catalysis occurred into the ICER. Sequentially, the reaction mixture was transferred to an analytical column, where analytes were separated. From this method, it was possible to determine the optimum pH and kinetic parameters for the immobilized enzymes. Well stablished NDKb inhibitors with different strenght and mechanisms of action were used to modulate the on-line ICER-LC-UV method as an inhibitor screening assay. (-)-Epicatechin gallate was used as proof of concept in order to validate the application of the on-line ICER-LC-UV method to identify and characterize the target\'s enzymes NME2 and LmNDKb inhibitors. In summary, the direct quantification method coupled to the immobilized enzymes increases the likelihood of identifying the enzymatic activity and screening of inhibitors of the target enzymes when compared methods well described in the literature.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Immobilized enzymes provide many advantages when compared to the usage of their free forms. Among these ones, remarkable advantages are the possibility of the biocatalyst reusability, easy separation at the end of the process, its usage in continuous way and the enhancement of its stability. This work was performed aiming the immobilization of the α-galactosidase enzyme from Aspergillus niger in ion exchange resin and the evaluation of its catalytic activity. Firstly, tests were performed in five different resins: Amberlite 252-Na, Dowex Marathon A, Dowex Marathon C, Duolite A-568 e Duolite S-761. According to the results, Duolite A-568 was chosen as the best support. Therefore, studies were done aiming the optimization of the immobilization process in this resin. Glutaraldehyde 1% (v/v) was used before the enzyme adsorption process and it enhanced the operational stability of the immobilized enzyme. Preliminary tests did not showed difference for the immobilization process at the temperatures of 25 and 40°C. A full factorial design and a central composite design were performed to study the best immobilization conditions varying the pH, the α-galactosidase concentration and the immobilization time. The results led to use the following immobilization conditions: pH 4.5; 15 g/L of α-galactosidase and 3 hours of immobilization. The temperature of maximum activity occurred at 60°C for both free and immobilized enzyme. The activation energy calculated by linear adjustment of Arrhenius equation was 5.66 kcal/mol for soluble α-galactosidase and 4.48 kcal/mol for immobilized α-galactosidase. The optimum pH range obtained for free enzyme was 4.0-5.0 and for immobilized enzyme it was 3.0-6.0. The immobilization process improved the α-galactosidase activity in alkaline pHs. Analysis of pH stability showed that both forms of enzyme were resistant for the pH ranges studied (3.5 to 7.5 for free and 3.0 to 8.0 for immobilized). However, the thermal stability of the biocatalyst immobilized in the support decreased. The kinetic studies without inhibition showed closed values of maximum speed (Vmax) for both enzyme forms (194.5 U for free and 187.7 U for immobilized). Although, the Michaelis-Menten constant (Km) of immobilized enzyme was higher than the free one (18.8 and 12.5 g/L, respectively). The hydrolysis reaction of raffinose was inhibited by the addition of the reaction products, sucrose and galactose, and the results of inhibition by galactose pointed for the competitive inhibition type. Then, storage tests of immobilized α-galactosidase showed that the enzyme maintained its activity even after 145 days when kept at the temperature of 4°C. / O uso de enzimas imobilizadas proporciona muitas vantagens em relação ao seu uso na forma livre. Dentre estas vantagens se destacam a possibilidade de reutilização do biocatalisador, a sua fácil separação ao final do processo, a utilização em modo contínuo e o aumento de sua estabilidade. Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de imobilizar a enzima α-galactosidase de Aspergillus niger em resina de troca iônica e avaliar a sua atividade catalítica. Inicialmente, foram feitos testes preliminares de imobilização em 5 tipos de resinas: Amberlite 252-Na, Dowex Marathon A, Dowex Marathon C, Duolite A-568 e Duolite S-761. Pelos resultados obtidos, Duolite A-568 foi selecionada como melhor suporte e, portanto, estudos foram feitos para a otimização do processo de imobilização nesta resina. Glutaraldeído na concentração de 1% (v/v) foi utilizado anteriormente ao processo de adsorção da enzima e melhorou a estabilidade operacional da α-galactosidase imobilizada. Testes preliminares não indicaram diferença do processo de imobilização para temperaturas de 25 e 40°C. Realizou-se um planejamento fatorial completo e um planejamento composto central para estudar as melhores condições de imobilização variando-se o pH, concentração de α-galactosidase e tempo de imobilização. Os resultados obtidos levaram a utilizar as seguintes condições de imobilização: pH 4,5, concentração de α-galactosidase de 15 g/L e tempo de imobilização de 3 horas. A temperatura de máxima atividade enzimática foi 60°C tanto para a enzima livre quanto imobilizada. O valor da energia de ativação encontrado pelo ajuste linear da equação de Arrhenius foi de 5,66 kcal/mol para α-galactosidase solúvel e 4,48 kcal/mol para α-galactosidase imobilizada. A faixa de pH ótimo obtido para a enzima livre foi 4,0-6,0 e para a enzima imobilizada foi 3,0-6,0. O processo de imobilização melhorou a atividade da α-galactosidase para pHs mais alcalinos. A análise de resistência ao pH mostrou que ambas as formas da enzima foram resistentes para as faixas estudadas (3,5 a 7,5 para livre e 3,0 a 8,0 para imobilizada). No entanto, a resistência térmica do biocatalisador retido no suporte foi menor. O estudo cinético sem inibição apresentou valores de velocidade máxima (Vmáx) próximos para as duas formas da α-galactosidase (194,5 U para livre e 187,7 U para imobilizada), porém o Km da forma imobilizada foi maior que o da livre (18,8 g/L e 12, 5 g/L de rafinose, respectivamente). A reação de hidrólise da rafinose foi inibida pela adição dos produtos da reação, sacarose e galactose, sendo que os resultados de inibição por galactose apontam para o tipo de inibição competitiva Por fim, testes de estocagem da α-galactosidase imobilizada mostraram que a enzima manteve sua atividade mesmo após 145 dias mantida a temperatura de 4°C. / Mestre em Engenharia Química

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:02:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5706.pdf: 7869131 bytes, checksum: 3a35e736b3418ca357ef4fc2e657c0af (MD5) Previous issue date: 2013-10-16 / Universidade Federal de Minas Gerais / Enzymes are potent catalysts, but operationally fragile, expensive and soluble. Industrial applications of enzymes, often, are possible only using immobilized enzyme. Nowadays, various studies have been performed aiming to immobilize enzymes onto magnetic carriers, which allow the selective recovery of the derivative by applying an external magnetic field even in complex reaction media containing other suspended solids. There are many studies using magnetic carriers in enzymes immobilization procedures, however there are no commercially available enzymes immobilized onto magnetic materials. In these studies usually are used carriers with not ideal characteristics for applications in industrial processes. The present study aimed to develop new magnetic carriers and methods for immobilization of enzymes in these carriers, penicillin G acylase (PGA) and cellulases have been used as model enzymes. The thesis was divided into five parts, in the first part (Chapter 1) the state-of-art is presented. The second part (Chapter 2) describes the synthesis of magnetic carriers robust, cheap and with good characteristics for applications in bioprocesses. For this purpose were tested the synthesis of silica magnetic microparticles (SMMps) in water-in-oil micro-emulsion using sodium silicate as silica source and superparamagnetic iron oxide nanoparticles as magnetic core. Materials with good magnetic properties, high surface area and mesoporous structure were obtained. SMMps structure was characterized, it was possible to control the final structure of the material according to the synthesis conditions. In the third part of this study (Chapter 3) was evaluated a new concept in enzymes immobilization using magnetic materials. Magnetic tags were co-aggregated with PGA and cross-linked with glutaraldehyde, producing magnetic cross-linked enzymes aggregates (M-CLEAs). Several reaction conditions were tested producing M-CLEAs with different characteristics and strong response to external magnetic fields. Derivatives with good recovered activity and increased thermal and methanol 50% (v/v) stabilities were obtained. M-CLEAs presented superior performance, in comparison with the free enzyme, in penicillin G hydrolysis experiments, being reused for three reaction cycles without loss of activity. In the fourth part of this study (Chapter 4) the immobilization of the Trichoderma reesei cellulolytic complex onto 17 carriers using 60 different immobilization conditions was evaluated. Covalent methods to cellulases immobilization resulted in total loss of the enzymatic activity. The immobilization by adsorption allowed preserving a portion of the enzymatic activity, however, the enzyme was desorbed from the carrier with the increase in the ionic strength. The best results were achieved for adsorption in MANAE-agarose followed by cross-linking with glutaraldehyde. Hydrolysis experiments using insoluble substrates showed that it is possible to hydrolyze such substrates even using immobilized enzyme onto porous carriers. The derivative was reused for ten reaction cycles (hydrolysis of filter paper) saving more than 90% of its activity. Finally, in Chapter 5, the T. reesei cellulolytic complex was immobilized by adsorption onto SMMp activated with amino groups followed by glutaraldehyde cross-linking achieving good results in terms of recovered activity. / Enzimas são potentes catalisadores, porém frágeis operacionalmente, caras e solúveis. Aplicações industriais desses catalisadores, muitas vezes, são possíveis apenas com o uso de enzima imobilizada. Estudos indicam que o uso de suportes magnéticos para imobilizar enzimas pode permitir a recuperação seletiva do derivado através da aplicação de um campo magnético externo mesmo em meios complexos contendo outros sólidos em suspensão. Apesar de existirem muitos estudos empregando suportes magnéticos para imobilização de enzimas, não existem enzimas imobilizadas em materiais magnéticos disponíveis comercialmente. Nestes estudos geralmente são utilizados suportes magnéticos com características não ideais para aplicações em bioprocessos. O presente estudo teve como principal objetivo o desenvolvimento de novos suportes magnéticos e métodos para imobilização de enzimas nestes suportes, a enzima penicilina G acilase (PGA) e celulases foram utilizadas como modelo. O estudo foi dividido em cinco partes, no Capítulo 1 é apresentada uma introdução indicando o estado da arte. O Capítulo 2 apresenta o preparo de novos suportes magnéticos robustos, baratos e com características ótimas para aplicações em bioprocessos. Nesta etapa foi testada a síntese de micro-partículas magnéticas de sílica (SMMps) em micro-emulsão água-em-óleo, empregando silicato de sódio como fonte de sílica e nanopartículas superparamagnéticas de óxido de ferro como núcleo magnético. Os materiais obtidos apresentaram excelentes propriedades magnéticas, alta área de superfície e estrutura mesoporosa. A partir da caracterização físico-química e morfológica das SMMps foi possível controlar a estrutura final do material de acordo com as condições de síntese. No Capítulo 3 foi avaliado um novo conceito em imobilização de enzimas empregando materiais magnéticos. Neste estudo etiquetas magnéticas foram co-agregadas com PGA e entrecruzadas com glutaraldeído, gerando agregados enzimáticos entrecruzados com propriedades magnéticas (M-CLEAs). Várias condições reacionais foram testadas rendendo M-CLEAs com diferentes características e com resposta robusta a campos magnéticos externos. Derivados imobilizados com boa atividade recuperada e incremento na estabilidade térmica e frente a metanol 50% (v/v) foram obtidos. M-CLEAs apresentaram desempenho superior ao observado para a enzima livre em experimentos de hidrólise de penicilina G, sendo reutilizados por três ciclos reacionais sem perda de atividade. No Capítulo 4 foi avaliada a imobilização do complexo celulolítico de Trichoderma reesei em 17 suportes, empregando 60 diferentes condições de imobilização. Os experimentos de imobilização realizados empregando técnicas de imobilização por união covalente ocasionaram perda total de atividade enquanto métodos de imobilização por adsorção permitiram conservar boa atividade enzimática, porém a enzima dessorveu do suporte com o aumento na força iônica do meio. Os melhores resultados foram alcançados para adsorção em MANAE-agarose seguido de entrecruzamento com glutaraldeído. Experimentos de hidrólise de substratos insolúveis mostraram que é possível hidrolisar este tipo de substrato mesmo com enzima imobilizada em suportes porosos. O derivado foi reutilizado por dez ciclos (hidrólise de papel filtro) conservando mais de 90% de sua atividade. Por fim, no Capítulo 5, o complexo celulolítico de T. reesei foi imobilizado por adsorção em SMMp ativado com grupos amino seguido de entrecruzamento com glutaraldeído apresentando bons resultados em termos de atividade recuperada.

Made available in DSpace on 2017-07-10T18:08:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jamal Abd Awadallak.pdf: 7067148 bytes, checksum: 8e321c5aa3d2b9b3eeaafb2fd17b9d47 (MD5) Previous issue date: 2012-02-15 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Diacylglycerol rich oils have its organoleptic characteristics very similar to those of conventional edible oils, but these oils do not tend to accumulate in the body, even when consumed in high quantities, making them a great resource in the fight against obesity. Palm oil ranks first the world production of edible oils mainly due to its low cost. This work aimed to propose a new technology for enzyme production using diacylglycerol lipase Lipozyme RM IM and ultrasound to promote water in oil emulsions, which increases the interfacial area of the system leading to higher reaction rates compared to conventional enzymatic processes. . The reactions were carried out at 55 °C with two different methods. First, the reaction system was exposed to ultrasonic waves for the whole reaction time, which led to enzymatic inactivation and water evaporation. Ultrasound was then used to promote emulsification of the water/oil system before the hydrolysis reaction, avoiding contact between the probe and the enzymes. Achieved conversions were superior to the conventional method further hydrolysis rate when the ultrasound is employed for emulsion formation was significantly greater. For 12 hours of reaction the conversion was 85% higher than the conventional method and 15% higher for a period of 24 hours of reaction. . An experimental design was used to optimize the ultrasound-related parameters and maximize the hydrolysis rate, and in these conditions, with a change in equilibrium, DAG production was evaluated.Better reaction conditions were achieved for the second method: 11.20 wt% (water+oil mass) water content, 1.36 wt% (water+oil mass) enzyme load, 12 h of reaction time, 1.2 min and 200 W of exposure to ultrasound. In these conditions diacylglycerol yield was 37.69 wt%. / Óleos enriquecidos com diacilglicerol possuem características organolépticas muito semelhantes às dos óleos comestíveis convencionais, porém, estes óleos não tendem a se acumular no organismo, mesmo quando consumidos em altas quantidades, tornando-os um grande recurso no combate à obesidade. O óleo de palma está no topo da produção mundial de óleos comestíveis principalmente devido ao seu baixo custo. Este trabalho teve como objetivo propor uma nova tecnologia para a produção enzimática de diacilglicerol empregando a lipase Lipozyme RM IM e utilizando ultrassom como gerador de emulsões de água em óleo, o que aumenta a área interfacial do sistema conduzindo a maiores taxas de reação em relação aos processos enzimáticos convencionais. A hidrólise parcial do óleo de palma foi realizada em meio livre de solventes a 55 °C em duas etapas distintas e comparadas com reações em condições semelhantes sem o uso do ultrassom. Primeiramente o sistema reacional foi exposto às ondas ultrassônicas, o que levou a taxas iniciais de reação elevadas, porém, as conversões obtidas foram baixas, em função da desativação enzimática e da evaporação de água, pelo longo período de exposição ao ultrassom. Posteriormente, utilizou-se o ultrassom para gerar emulsões antes a etapa reacional, não permitindo seu contato com o sistema contendo a enzima. As conversões obtidas foram superiores ao método convencional, além disso, taxa de hidrólise quando se empregou o ultrassom para a formação de emulsões foi significativamente maior. Para 12 horas de reação a conversão foi 85% superior ao método convencional e de 15% superior para um período de 24 horas de reação. Foi desenvolvido um planejamento fatorial, o delineamento central composto rotacional para avaliar os efeitos das variáveis tempo de exposição ao ultrassom, potência do ultrassom e razão água/óleo na conversão em ácidos graxos livres da reação, sendo que a razão água/óleo e o produto tempo x potência apresentaram os maiores efeitos. Nas melhores condições, foi produzido um óleo concentrado com 37,69% de DAG em de 12h de reação, exposto ao ultrassom por 1,2min à 200W.