W ramach projektu NCN "Wolframowa Oksydoreduktaza Aldehydów - nowa hydrogenaza. Badaniamechanizmu reakcji i potencjalnych zastosowań biokatalitycznych" możliwe jest wykonywanie pracy magisterskiej w MLBKE (w Instytucie Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN) pod opieją prof. dr hab. Macieja Szaleńca.
Na rok 2024/2025 przewidziano następujący temat pracy magisterskiej: "Kaskadowa redukcja kwasu wanilinowego do alkoholu waniliowego za pomocą enzymów i wodoru".
Jednym z ambitnych celów Unii Europejskiej jest transformacja przemysłu chemicznego do tzw. przemysłu o zerowej emisji netto. Do tego ambitnego celu prowadzi wiele dróg, z których jedną jest opracowywanie nowych metod syntezy chemicznej wykorzystujących odnawialne substraty oraz katalizatory. Proponowany temat badawczy ma na celu opracowanie właśnie takiej metody biokatalitycznej transformacji.
Rys. 1. Zasada działania kaskady AOR-BaDH.
W procesie substratem będą kwasy karboksylowe, które mogą być pozyskiwane z przeróbki biomasy (np. ligniny), oraz wodór cząsteczkowy, który można w zielony sposób pozyskiwać z elektrolizy wody (Rys. 1). Z kolei katalizatorami będą wolframowa oksydoreduktaza aldehydów (AOR) oraz dehydrogenaza alkoholu benzylowego (BaDH). Oba enzymy pochodzą z denitryfikującej bakterii A. aromatoleum i opracowana została metoda ich rekombinowanej produkcji w systemach bakteryjnych, co pozwala na ich łatwe oczyszczanie1. Chociaż AOR naturalnie katalizuje reakcję utleniania aldehydów do kwasów karboksylowych, niedawno odkryto, że w obecności wodoru jest w stanie katalizować również reakcję odwrotną2. Dzięki temu możliwe jest selektywne zredukowanie grupy karboksylowej do aldehydowej. Jednocześnie enzym jest w stanie utlenić wodór i redukować NAD+ do NADH co umożliwia czysty recykling tego cennego kofaktora. Jest to o tyle ważne, że w kolejnym etapie reakcji drugi enzym, BaDH, wykorzystuje NADH do redukcji aldehydu do alkoholu. Dzięki powstałej kaskadzie możliwe jest przeprowadzenie całego procesu pomimo trudnego termodynamicznie etapu redukcji kwasu do aldehydu.
Rys. 2. Redukcja kwasu waniliowego do alkoholu.
W proponowanym temacie badawczym celem będzie zoptymalizowanie warunków reakcji tak, aby oba enzymy były w stanie optymalnie i jak najdłużej katalizować redukcję, co doprowadzi do uzyskania wysokich wydajności reakcji. W procesie kwas wanilinowy zostanie zredukowany do aldehydu wanilinowego (wanilii) a następnie do alkoholu waniliowego (Rys. 2). Powstający w procesie produkt jest cennym dodatkiem do żywności i związkiem biologicznie aktywnym. Ponadto możliwe jest poszerzenie projektu badawczego o inne kwasy karboksylowe, które są efektywnie redukowane przez AOR oraz aldehydy, efektywnie redukowane przez BaDH.
Projekt pozwoli nauczyć się pracy z enzymami, w tym w warunkach beztlenowych z wykorzystaniem komory rękawicowej, hodowli bakterii i oczyszczania enzymów oraz zastosowania metod LC-MS/MS do monitorowania przebiegu reakcji kaskadowej.
Temat będzie realizowany przy wsparciu finansowym projektu OPUS (Narodowe Centrum Nauki) pt. „Wolframowa Oksydoreduktaza Aldehydów – nowa hydrogenaza. Badania mechanizmu reakcji i potencjalnych zastosowań biokatalitycznych” na terenie Międzyinstytutowego Laboratorium Biotechnologii i Katalizy Enzymatycznej w Instytucie Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN w Krakowie.
Literatura
1. Winiarska, A.; Ramírez-Amador, F.; Hege, D.; Gemmecker, Y.; Prinz, S.; Hochberg, G.; Heider, J.; Szaleniec, M.; Schuller, J. M., A bacterial tungsten-containing aldehyde oxidoreductase forms an enzymatic decorated protein nanowire. Science Advances 2023, 9 (22), eadg6689.
2. Winiarska, A.; Hege, D.; Gemmecker, Y.; Kryściak-Czerwenka, J.; Seubert, A.; Heider, J.; Szaleniec, M., Tungsten Enzyme Using Hydrogen as an Electron Donor to Reduce Carboxylic Acids and NAD+. ACS Catalysis 2022, 12 (14), 8707-8717.
Comentários