Immobilization of Burkholderia cepacia Lipase: Kinetic Resolution in Organic Solvents, Ionic Liquids and in Their Mixtures

Immobilization of Burkholderia cepacia Lipase: Kinetic Resolution in Organic Solvents, Ionic Liquids and in Their Mixtures Biocatalysis opens the door to green and sustainable processes in synthetic chemistry allowing the preparation of single enantiomers, since the enzymes are chiral and accordingly able to catalyze chemical reactions under mild conditions. Immobilization of enzymes enhances process robustness, often stabilizes and activates the enzyme, and enables reuse of the same enzyme preparation in multiple cycles. Although hundreds of variations of immobilization methods exist, there is no universal method to yield the highly active, selective and stable enzyme catalysts. Therefore, new methods need to be developed to obtain suitable catalysts for different substrates and reaction environments. Lipases are the most widely used enzymes in synthetic organic chemistry. The literature part together with the experimental part of this thesis discusses of the effects of immobilization methods mostly used to enhance lipase activity, stability and enantioselectivity. Moreover, the use of lipases in the kinetic resolution of secondary alcohols in organic solvents and in ionic liquids is discussed. The experimental work consists of the studies of immobilization of Burkholderia cepacia lipase (lipase PS) using three different methods: encapsulation in sol-gels, cross-linked enzyme aggregates (CLEAs) and supported ionic liquids enzyme catalysts (SILEs). In addition, adsorption of lipase PS on celite was studied to compare the results obtained with sol-gels, CLEAs and SILEs. The effects of immobilization on enzyme activity, enantioselectivity and hydrolysis side reactions were studied in kinetic resolution of three secondary alcohols in organic solvents, in ionic liquids (ILs), and in their mixtures. Lipase PS sol-gels were shown to be active and stable catalysts in organic solvents and solvent:IL mixtures. CLEAs and SILEs were highly active and enantioselective in organic solvents. Sol-gels and SILEs were reusable in several cycles. Hydrolysis side reaction was suppressed in the presence of sol-gels and CLEAs.

Lipase and omega-transaminase catalysis in preparation of alcohol and amine enantiomers

Enantiopure intermediates are of high value in drug synthesis. Biocatalysis alone or combined with chemical synthesis provides powerful tools to access enantiopure compounds. In biocatalysis, chemo-, regio- and enantioselectivity of enzymes are combined with their inherent environmentally benign nature. Enzymes can be applied in versatile chemical reactions with non-natural substrates under synthesis conditions. Immobilization of an enzyme is a crucial part of an efficient biocatalytic synthesis method. Successful immobilization enhances the catalytic performance of an enzyme and enables its reuse in successive reactions. This thesis demonstrates the feasibility of biocatalysis in the preparation of enantiopure secondary alcohols and primary amines. Viability and synthetic usability of the studied biocatalytic methods have been addressed throughout this thesis. Candida antarctica lipase B (CAL-B) catalyzed enantioselective O-acylation of racemic secondary alcohols was successfully incorporated with in situ racemization in the dynamic kinetic resolution, affording the (R)-esters in high yields and enantiopurities. Side reactions causing decrease in yield and enantiopurity were suppressed. CAL-B was also utilized in the solvent-free kinetic resolution of racemic primary amines. This method produced the enantiomers as (R)-amides and (S)-amines under ambient conditions. An in-house sol-gel entrapment increased the reusability of CAL-B. Arthrobacter sp. omega-transaminase was entrapped in sol-gel matrices to obtain a reusable catalyst for the preparation enantiopure primary amines in an aqueous medium. The obtained heterogeneous omega-transaminase catalyst enabled the enantiomeric enrichment of the racemic amines to their (S)-enantiomers. The synthetic usability of the sol-gel catalyst was demonstrated in five successive preparative kinetic resolutions.

Preparation, properties and applications of wheat gluten edible films

Selostus: Syötävien gluteenikalvojen valmistus, ominaisuudt ja eräät käyttösovellukset

Enzyme convertedstarch in pigment coating

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää entsyymikonvertoinnin mahdollisuudet vaikuttaa sideainetärkkelyksen toiminnallisiin ominaisuuksiin. Tärkein tehtävä oli etsiä vastaukset kysymykseen, kuinka paljon entsyymikonvertointia optimoimalla voidaan maksimoida tärkkelyksen positiivisia vaikutuksia. Tavoitteena oli myös tutkia, voiko lisäaineita käyttämällä ja tärkkelystä plastisoimalla säilyttää tärkkelyksen vaikutus paperin jäykkyyteen ja saada tärkkelysfilmille joustavuutta. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin tärkkelyksen entsyymikonvertointiin vaikuttavia tekijöitä, eri tärkkelysraaka-aineiden eroja, sekä konvertoinnissa käytettävien entsyymien ominaisuuksia. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin myöstärkkelyksen käyttöä sideaineena pigmenttipäällystyksessä. Kokeellisessa osassakeskityttiin selvittämään entsyymikonvertoinnin olosuhteiden, käytettävän raakatärkkelyksen ja entsyymin vaikutusta konvertoidun tärkkelyksen ominaisuuksiin. Konvertoiduista tärkkelyksistä valmistettiin päällystyspastat, ja tutkittiin niinpastan kuin päällystetyn paperin ominaisuuksia. Myös erilaisten pehmentimien vaikutusta niin päällystyspastaan, kuin paperin pinnalle tutkittiin. Havaittiin, että konvertoimalla tärkkelysketjua entsymaattisesti, voidaan tärkkelysketjun pituutta säädellä. Tarkoituksena oli konvertoida tärkkelystä niin, että tärkkelyksen molekyyliketjujakaumat sisältävät lyhyitä, keskipitkiä sekäpitkiä molekyylejä. Päällystämisen havaittiin olevan vaikeaa Helicoaterilla varsinkin pitkäketjuista tärkkelystä suuren määrän sisältävillä pastoilla. Myös tärkkelys/lateksi-suhde vaihteli eri pastoilla. Päällystyspastojen reologisia ominaisuuksia testattaessa huomattiin, että tärkkelysketjun pituuden kasvaessa pastanviskositeetti lisääntyy ja vesiretentio vähenee. Havaittiin vain muutamia teknisiä paperiominaisuuksia, jotka korreloivat hyvin tärkkelysketjun pituuden kanssa. Näitä olivat kiilto, Gurley-Hill huokoisuus, taivutusvastus, taivutuspituus sekä IGT pintalujuus. Pehmentimien ei havaittu vaikuttavan moneenkaan paperin eri tekniseen ominaisuuteen. Suurimmat erot huomattiin paperin taivutuspituudessa ja taivutusvastuksessa.

Angiotensin converting enzyme inhibitory peptides in Finnish cereals : a database survey

Selostus: Angiotensiini I -muuntavaa entsyymiä estävien peptidien aminohapposekvenssien esiintyminen viljan varastoproteiinien rakenteessa

Effects of Cytochrome P450 Enzyme Inhibitors on the Pharmacokinetics of Nonsteroidal Anti-inflammatory Drugs and Venlafaxine

Cytochrome P450 (CYP) enzymes play a pivotal role in the metabolism of many drugs. Inhibition of CYP enzymes usually increases the plasma concentrations of their substrate drugs and can thus alter the safety and efficacy of these drugs. The metabolism of many widely used nonsteroidal antiinflammatory drugs (NSAIDs) as well as the metabolism of the antidepressant venlafaxine is nown to be catalyzed by CYP enzymes. In the present studies, the effect of CYP inhibition on the armacokinetics and pharmacodynamics of NSAIDs and venlafaxine was studied in clinical trials with healthy volunteers and with a crossover design, by using different antifungal agents as CYP inhibitors. The results of these studies demonstrate that the inhibition of CYP enzymes leads to increased concentrations of NSAIDs. In most cases, the exposure to ibuprofen, diclofenac, etoricoxib, and meloxicam was increased 1.5to 2 fold when they were used concomitantly with antifungal agents. CYP2D6 inhibitor, terbinafine, substantially increased the concentration of parent venlafaxine, whereas the concentration of active moiety of venlafaxine (parent drug plus active metabolite) was only slightly increased. Voriconazole, an inhibitor of the minor metabolic pathway of venlafaxine, produced only minor changes in the pharmacokinetics of venlafaxine. These studies show that an evident increase in the concentrations of NSAIDs may be expected, if they are used concomitantly with CYP inhibitors. However, as NSAIDs are generally well tolerated, use of single doses of NSAIDs concomitantly with CYP inhibitors is not likely to adversely affect patient safety, whereas clinical relevance of longterm concomitant use of NSAIDs with CYP inhibitors needs further investigation. CYP2D6 inhibitors considerably affect the pharmacokinetics of venlafaxine, but the clinical significance of this interaction remains unclear.

Positron emission tomography in the diagnosis and staging of pancreatic and neuroendocrine tumors

Tutkimuksen tausta ja tavoitteet: Viimeaikaisesta perinteisten kuvantamismenetelmien kehityksestä huolimatta sekä haima- että neuroendokriinisten (NE) kasvaimien diagnostiikka on haastavaa. Uudentyyppinen kuvantamismenetelmä, fuusio positroniemissiotomografia-tietokonetomografia (PET/TT), on lupaava näiden kasvainten erotusdiagnostiikassa ja levinneisyyden arvioinnissa. Huolimatta alustavista lupaavista tutkimustuloksista, PET/TT:n rooli on toistaiseksi vielä epäselvä sekä haima- että NE-kasvaimissa eikä se näin ollen ole vakiintunut kliiniseen hoitokäytäntöön. Väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää PET/TT -menetelmän käyttökelpoisuutta haima- ja NE-kasvaimien diagnostiikassa. Kahden ensimmäisen osatyön prospektiivisessa tutkimuksessa potilaat, joilla epäiltiin haimakasvainta, kuvannettiin PET/TT:llä käyttäen merkkiaineena fluorideoxyglukoosia (¹⁸F-FDG) kasvaimen aineenvaihdunnan arvioimiseksi ja kasvaimen verenvirtausta arviointiin käyttäen merkkiaineena radiovettä (¹⁵O-H₂O). Kolmen muun osatyön tavoitteena oli selvittää dihydroxyfenylalaniini (18F-DOPA) PET -menetelmää erilaisten NE-kasvaimien diagnostiikassa ja levinneisyyden arvioinnissa. Tulokset: Haimakasvaimien ensivaiheen diagnostiikassa ¹⁸F-FDG-PET/TT:llä oli korkeampi diagnostinen tarkkuus verrattuna titokoneleike- (TT) ja magneettikuvantamiseen (MK) (89% vs. 76% ja 79%). Etenkin pahanlaatuiseksi epäillyn sappitiehytahtauman erotusdiagnostiikassa ¹⁸F-FDG-PET/TT:n positiivinen ennustearvo (92%) oli korkea. Haimasyövän levinneisyyden arvioinnissa ¹⁸F-FDG-PET/TT:n herkkyys oli huono (30%) paikallisen taudin osoittamisessa. Sen sijaan etäpesäkkeiden osoittamisessa ¹⁸F-FDG-PET/TT oli merkittävästi herkempi menetelmä verrattuna TT ja magneettikuvantamiseen (88% vs. 38%). Verrattaessa erilaisten haimakasvaimien ja normaalin haimakudoksen aineenvaihduntaa ja verenvirtausta, aineenvaihdunta/verenvirtaus suhde oli merkittävästi korkeampi pahanlaatuisissa haimakasvaimissa (P<0.05). Lisäksi kasvaimen korkea aineenvaihdunta/verenvirtaus suhde viittasi huonompaan taudin ennusteeseen. ¹⁸F-DOPA-PET löysi seitsemän kahdeksasta insulinoomasta ja oli positiivinen myös kahdella potilaalla, joilla todettiin haiman saarakesoluhyperplasia. Perustuen alustaviin tuloksiin, rutiinikäytössä oleva karbidopa esilääke ennen ¹⁸F-DOPA-PET kuvantamista peitti insulinooma löydöksen kahdella potilaalla kolmesta. NE-kasvaiminen diagnostiikassa 82 potilaan aineisto osoitti ¹⁸F-DOPA PET kuvantamisen tarkkuudeksi 90%. Etenkin feokromosytoomien ensivaiheen diagnostiikassa ja NE-kasvaimen uusiutumaa epäiltäessä menetelmän tarkkuus oli korkea. Kokonaisuudessaan 59%:lla aineiston potilaista ¹⁸F-DOPA-PET kuvantamisella oli vaikutusta kliinisiin hoitoratkaisuihin. Johtopäätökset: PET/TT käyttäen merkkiaineena ¹⁸F-FDG:tä ja radiovettä osoittautui käyttökelpoiseksi menetelmäksi haimakasvaimien erotusdiagnostiikassa. Lisäksi ¹⁸F-FDG-PET/TT oli hyödyllinen haimasyövän etäpesäkkeiden arvioinnissa. Tutkimus osoitti myös ¹⁸F-DOPA-PET kuvantamisen olevan luotettava menetelmä insulinoomien ja muiden vatsan alueen NE-kasvaimien ensivaiheen diagnostiikassa sekä levinneisyyden arvioinnissa, etenkin muiden kuvantamislöydösten ollessa ristiriitaisia. PET kuvantamisella oli merkittävä vaikutus potilaiden kliiniseen hoitokäytäntöön sekä haima- että NE-kasvaimissa.

Preparation of Polysulfone Membranes

As it is known, a huge part of all commercially available membranes are prepared by immersion precipitation. This way is the primary way to get flat membranes. The advantages of immersion precipitation are: wide field of the polymers, which can be used (polymer must be soluble in a solvent or a solvent mixture) and ease of performing. The literature part of this work deals with phase inversion membrane preparation methods and casting parameters affecting membrane performance. Also some membrane types and materials are discussed. In the experimental part of this work 73 membrane samples were made with different casting parameters (polymer concentration in the casting solution and precipitation time) and tested for the retention and permeability. The results of these experiments are collected and combined into the figures and tables which are presented in this thesis. This work showed and confirmed connection between membrane performance and casting parameters (concentration of polymer in the casting solution and precipitation time).

Membrane emulsification in preparation of single site catalyst

In the theory part the membrane emulsification was studied. Emulsions are used in many industrial areas. Traditionally emulsions are prepared by using high shear in rotor-stator systems or in high pressure homogenizer systems. In membrane emulsification two immiscible liquids are mixed by pressuring one liquid through the membrane into the other liquid. With this technique energy could be saved, more homogeneous droplets could be formed and the amount of surfactant could be decreased. Ziegler-Natta and single-site catalysts are used in olefin polymerization processes. Nowadays, these catalysts are prepared according to traditional mixing emulsification. More homogeneous catalyst particles that have narrower particle size distribution might be prepared with membrane emulsification. The aim of the experimental part was to examine the possibility to prepare single site polypropylene catalyst using membrane emulsification technique. Different membrane materials and solidification techniques of the emulsion were examined. Also the toluene-PFC phase diagram was successfully measured during this thesis work. This phase diagram was used for process optimization. The polytetrafluoroethylene membranes had the largest contact angles with toluene and also the biggest difference between the contact angles measured with PFC and toluene. Despite of the contact angle measurement results no significant difference was noticed between particles prepared using PTFE membrane or metal sinter. The particle size distributions of catalyst prepared in these tests were quite wide. This would probably be fixed by using a membrane with a more homogeneous pore size distribution. It is also possible that the solidification rate has an effect on the particle sizes and particle morphology. When polymeric membranes are compared PTFE is probably still the best material for the process as it had the best chemical durability.

Development of racemization catalysts for dynamic kinetic resolution

Preparation of optically active compounds is of high importance in modern medicinal chemistry. Despite recent advances in the field of asymmetric synthesis, resolution of racemates still remains the most utilized way for preparation of single enantiomers in industrial scale due to its cost-efficiency and simplicity. Enzymatic kinetic resolution (KR) of racemates is a classical method for separation of enantiomers. One of its drawbacks is the limitation of target enantiomer yield to 50%. Dynamic Kinetic Resolution (DKR) allows to reach yields up to 100% by in situ racemization of the less reactive enantiomer. In the first part of this thesis, a number of half-sandwich ruthenium complexes were prepared and evaluated as catalysts for racemization of optically active secondary alcohols. A leading catalyst, Bn5CpRu(CO)2Cl, was identified. The catalyst discovered was extensively characterized by its application for DKR of a broad range of secondary alcohols in a wide range of reaction loadings (1 mmol – 1 mol). Cost-efficient chromatography-free procedure for preparation of this catalyst was developed. Further, detailed kinetic and mechanistic studies of the racemization reactions were performed. Comparison of racemization rates in the presence of Bn5CpRu(CO)2Cl and Ph5CpRu(CO)2Cl catalysts reveals that the performance of the catalytic system can be adjusted by matching of the electronic properties of the catalysts and the substrates. Moreover, dependence of the rate-limiting step from the electronic properties of the reagents was observed. Important conclusions about reaction mechanism were made. Finally, an alternative approach to DKR of amines based on space separated vessels was addressed. This procedure allows the combination of thermolabile enzyme with racemization catalysts active only at high temperatures.