FKKT

Opis projekta

Razvoj encimsko kataliziranih kaskadnih procesov je zaradi nekaterih specifičnih prednosti, predvsem ni potrebe po zapleteni in dragi izolaciji intermediatov, v izrazitem vzponu. Ta celostna večstopenjska metodologija bioprocesov je izrazito pozornost pritegnila v zadnjih letih, kar je razvidno iz uglednih znanstveno raziskovalnih objav, kot tudi aktivnosti evropskih raziskovalcev, združenih v COST Action CM1303 "Sistemska biokataliza".1-3
V okviru projekta je predviden razvoj mikroraktorskih sistemov z imobiliziranim encimom za kaskadni bioprocess, ki vključuje MIO encime, fenilalanin amoniak-liaze (PAL) in fenilalanin 2,3-aminomutases (PAM), kot tudi dodatne encime, npr. co-transaminaze (TA), cinamata dekarboksilaza (CD), hidrolaze ali fenilalanin N-acetiltransferazne (PAT) (Slika 1).

Slika 1. Prototip večceličnega magnetnega mikroreaktorja z imobiliziranimi encimi na magnetnih nanodelcih za vodenje encimsko kataliziranih biotransformacij z “in-line” UV-Vis detekcijo.3

Predmet predlaganih raziskav obsega tudi razvoj in uporabo večnivojskega modeliranja (multyscale modeling, Slika 2.) biokatalitskih procesov na mikro nivoju. Intenzivni razvoj mikroreaktorske tehnologije je omogočil nova znanstvena odkritja in tehnološke izboljšave na najrazličnejših področjih kot so biokataliza, tehnologija gorivnih celic, kataliza na nanodelcih, fotokataliza, razvoj mikrobiosenzorjev, analiza procesov v celicah itd.  Izredno visoko razmerje med površino in prostornino mikrofluidnih naprav je ključna prednost v primerjavi s konvencionalnimi reaktorskimi sistemi, ki omogoča izrazito povečanje učinkovitosti prenosa toplote in snovi in nadzirane tokovne oblike večvaznih tokov.4-6

Slika 2. The example of the different time and space scales encountered the hierarchical multiscale modeling (Ab initio and Atomistic methods: model complete molecular structure - density functional theory (DFT), molecular dynamics (MD), Monte Carlo methods (MCM); Particle-based methods: particles represent clusters of molecules or fluid pockets - dissipative particle dynamics (DPD), Lattice Gas Cellular Automata (LGCA, Lattice Boltzman Method (LBM); Methods based on discretization of continuous form of transport equations: Finite difference/volume/element (FD/FV/FE).5

Intenzifikacija procesov z uporabo mikroreaktorske tehnologije omogoča optimizacijo obstoječih (bio)kemijskih procesov, kot tudi razvoj novih in okolju prijaznih tehnologij. V tem projektu bomo razvili nove metode in algoritme, ki bodo temeljile na efektivnem reakcijskem preseku, ki lahko pravilno opiše dinamiko procesov s pomočjo lattice Boltzmannove metode, Monte Carlo simulacije ter dissipativne dinamike delcev (DPD). Teoretične opise biokemijskih procesov na mikro skali bomo validirali z meritvami, da bomo določili mejo uporabe omenjenih metod. Če povzamemo, bomo uporabili LBM in DPD za opis in modeliranje difuzijsko-reakcijskih procesov  različnih sistemov.

Faze projekta

Preliminarni rezultati kažejo, da metoda dobro deluje za nizka Pecletova števila, metodo pa moramo razširiti za opis sistemov z visokimi števili, ker metoda trenutno ne deluje v doglednem računskem času. LBM in DPD bomo v nadaljevanju uporabili za opis encimsko kataliziranih biotransformacij z uporabo novo razvite encimske mikrokinetike. Sledila bo prilagoditev in uporaba LBM in DPD za nanosisteme, da bomo testirali primernost metod.V primeru, da metodi ne bosta delovali, bomo za opis teh sistemov uporabili kinetično Monte Carlo metodo in molekulsko dinamiko prilagojeno za opis procesov.

Reference

1.    Poppe L, Novák L. Selective Biocatalysis: A Synthetic Approach. Weinheim-New York: VCH; 1992.
2.    COST Action CM 1303: Memorandum of understanding
3.    Poppe L, Rétey J. Properties and synthetic applications of ammonia-lyases. Curr. Org. Chem. 2003, 7, 1297-1315.
4.    Ungerbock B, et al., Online oxygen measurements inside a microreactor with modeling of transport phenomena, Microfluid Nanofluid 2013, 14, 565–574.
5.    Lubej M, Novak U, Liu M, Martelanc M, Franko M, Plazl I. Microfluidic droplet-based liquid-liquid extraction: online model validation, Lab Chip, 2015, 15, 2233-2239.
6.    Wohlgemuth R, Plazl I, Žnidaršič Plazl P, Gernaey KV, Woodley JM. Microscale technology and biocatalytic processes: opportunities and challenges for synthesis. Trends Biotechnol., 2015, Volume 33, 302–314.