Explorando o uso de AOx para síntese orgânica e biocélula de combustível

Orientador: Antonio Riul Júnior, Frank HollmannTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos e TU DelftResumo: O capítulo 1 mostra uma apresentação geral sobre catalisadores. O capítulo 2 apresenta um sistema em cascata com a álcool oxidase com a enzima benzaldeídoliase. O projeto foi bem sucedido na obtenção do produto desejado, de duas etapas, usando apenas um frasco. Nesse processo, primeiro o álcool foi convertido em aldeído pela enzima álcool oxidase e, posteriormente, o aldeído foi convertido no composto de interesse. No produto final, temos a formação de cristais de fundo que tornaram simples e eficaz a remoção do material de interesse. No capítulo 3, usamos novamente a álcool oxidase, mas para esse projeto foi usado uma outra variante, nesse caso a aril-álcool oxidase, para a conversão de álcool em aldeído usando um sistema de fluxo. Como as oxidases utilizam oxigênio como aceptor de elétrons, isso acaba sendo um fator limitante no sistema devido à baixa solubilidade do O2 na solução tampão. Esse fato torna o sistema em fluxo interessante, pois pode ser usado para superar essa limitação, melhorando o sistema de transporte de massa de oxigênio na solução devido ao aumento da área de contato entre os dois fluidos. É necessária uma agitação vigorosa para obter resultados semelhantes em um sistema padrão, que normalmente compromete a estrutura enzimática devido ao estresse mecânico gerado pela força da aeração. O comprometimento esperado da estrutura terciária enzimática não foi observado para a enzima aril-álcool oxidase. A partir das descobertas no capítulo 3 de que a enzima aril-álcool oxidase possui resistência mecânica à agitação vigorosa, fomos motivados a aumentar o sistema de 50mL para 1L, apresentado no capítulo 4. Nessa nova configuração, foi possível obter altos valores de frequência catalítica, mas outro desafio surgiu: a baixa solubilidade de ambos, substrato e produto, em meio aquoso. Esse desafio foi superado pelo sistema líquido bifásico composto pela fase orgânica na porção superior e pelo tampão na parte inferior da solução. Neste sistema, a fase aquosa é alimentada com o substrato pela fase orgânica o tempo todo e, por sua vez, o produto formado é removido para a fase orgânica. Os resultados mostraram que a aril-álcool oxidase é uma forte candidata para aplicações industriais. No capítulo 5 avaliamos compostos de carbono em eletrodos para produção local de peróxido de hidrogênio para peroxidases, a fim de obter a halogenação de um composto modelo pela combinação de técnicas catalíticas e eletroquímicas. Aqui, o eletrodo de difusão de gás usado foi recoberto com nanotubos de carbono oxidados, com a variação da tensão ou corrente nos eletrodos usados para o controle fino na formação de peróxido de hidrogênio. Como a enzima CiVCPO (vanadium cloroperoxidase da Curvularia inaequalis) aplicada neste projeto necessita de peróxido de hidrogênio, o sistema é interessante, pois podemos acompanhar de maneira precisa a produção desse composto, fazendo com que a reação enzimática funcione sempre em seu nível máximo. Finalmente, o capítulo 6 mostra uma síntese de materiais à base de carbono para apoiar a imobilização enzimática em eletrodos, trazendo uma nova possibilidade de uso dessas enzimas em sensores de terceira geração e/ou biocélulas combustíveis. Os novos materiais sintetizados foram capazes de retirar ou doar elétrons diretamente do centro ativo da enzima glicose oxidase sem a necessidade de um mediador, abrindo caminho para projetos de dispositivos com respostas mais rápidas. Para ilustrar, no caso das biocélulas combustíveis esse tipo de pesquisa pode implicar na futura redução da perda de energia consumida pelos mediadoresAbstract: Chapter 1 shows a general presentation of catalysts. Chapter 2 presents a cascade system for alcohol oxidase with the enzyme benzaldehyde lyase. The project was successful in producing in one container only a two-step compound; first, alcohol was converted into aldehyde by alcohol oxidase and, sequentially, the aldehyde converted into the compounds of interest. Background crystals are formed in the final product, turning the removal of the material of interest simpler and more effective. In Chapter 3, alcohol oxidase was converted into aldehyde in a flow system, but now using the enzyme aryl alcohol oxidase. As oxidase requires oxygen as an electron acceptor, this is a limiting factor due to the low solubility of O2 in the buffer solution. A flow system becomes more interesting as it can overcome this limitation by improving the oxygen mass transport in buffer solution due to the increased contact area between two fluids. Vigorous agitation is required to achieve similar results in a standard system, which normally compromises the enzymatic structure due to mechanical stress generated by aeration strength. The expected impairment of the structured tertiary enzyme was not observed for the aryl alcohol oxidase enzyme. The findings in Chapter 3 about the mechanical resistance of aryl alcohol oxidase under vigorous motivated us to scale up the system from 50mL to 1L, presented in Chapter 4. It was possible to obtain high catalytic frequency values in this new configuration, but another challenge appeared: the low solubility of both substrate and product in an aqueous medium. This challenge was overcome by the biphasic liquid system composed the organic phase in the upper portion and the buffer in the lower part of the solution. In this system, the aqueous phase was fed with the substrate by the organic phase at all times, and the product removed. The encouraging results showed that aryl alcohol oxidase is a strong candidate for industrial applications. In Chapter 5, we have evaluated carbon compounds deposited on electrodes to produce locally hydrogen peroxide for peroxidase; the idea is getting the halogenation of a model compound by combining catalytic and electrochemical techniques. Here, a fine tune of the voltage or current on a gas diffusion electrode covered with carbon nanotubes enabled the hydrogen peroxide formation. Since the CiVCPO (vanadium chloroperoxidase from Curvularia inaequalis) enzyme used in this project needs hydrogen peroxide, the system is interesting to make the enzymatic reaction always working at its maximum efficiency. Finally, Chapter 6 shows a synthesis of carbon-based materials to support the enzyme immobilization on electrodes, bringing a new possibility of using some of the enzymes studied here in biofuel cells and third-generation biosensors. The main idea is to work with enzymes without mediators using these carbon-based materials to sequester electrons from the enzymes to the electrodes. Higher currents were achieved with the newly synthesized carbon-based materials and glucose oxidase, paving the way to design devices having faster electrochemical responsesDoutoradoBioenergiaDoutor em Ciência