Understanding immobilised enzymes by NMR spectroscopy

Enzyme immobilisation is the conversion of a soluble enzyme molecule into a solid particle form. This allows the recovery of the enzyme catalyst for its re-use and avoids protein contamination of the product streams. A better understanding of immobilised enzymes is necessary for their rational development. A more rational design can help enormously in the applicability of these systems in different areas, from biosensors to chemical industry. Immobilised enzymes are challenging systems to study and very little information is given by conventional biochemical analysis such as catalytic activity and amount of protein. Here, solid-state NMR has been applied as the main technique to study these systems and evaluate them more precisely. Various approaches are presented for a better understanding of immobilised enzymes, which is the aim of this thesis. Firstly, the requirements of a model system of study will be discussed. The selected systems will be comprehensibly characterised by a variety of techniques but mainly by solid-state NMR. The chosen system will essentially be the enzyme α-chymotrypsin covalently immobilised on two functionalised inorganic supports – epoxide silica and epoxide alumina – and an organic support – Eupergit®. The study of interactions of immobilised enzymes with other species is vital for understanding the macromolecular function and for predicting and engineering protein behaviour. The study of water, ions and inhibitors interacting with various immobilised enzyme systems is covered here. The interactions of water and sodium ions were studied by 17O and 23Na multiple-quantum techniques, respectively. Various pore sizes of the supports were studied for the immobilised enzyme in the presence of labelled water and sodium cations. Finally, interactions between two fluorinated inhibitors and the active site of the enzyme will be explored using 19F NMR, offering a unique approach to evaluate catalytic behaviour. These interactions will be explored by solution-state NMR firstly, then by solid-state NMR. NMR has the potential to give information about the state of the protein in the solid support, but the precise molecular interpretation is a difficult task.

Aplicação de peroxidase para degradação de deoxinivalenol

Deoxinivalenol (DON), uma das principais micotoxinas encontradas em matrizes alimentares, é um composto químico que possui em sua estrutura um anel epóxido que lhe confere alto grau de toxicidade. A aplicação de enzimas em processos de degradação de DON vem se destacando, pela estabilidade durante o processo reacional e baixo custo de produção. O objetivo desse trabalho foi estudar o potencial de peroxidase proveniente de farelo de arroz (FA) e farelo de soja (FS) para degradar DON. As condições de obtenção da PO a partir de FA foram definidas por planejamento experimental DCCR 23 , sendo extraída de 5 g de farelo com 50 mL de tampão fosfato 0,04 mol L-1 pH 5, agitados orbitalmente durante 60 min a 100 rpm, e para a PO obtida de FS as condições diferenciaram somente quanto a solução extratora, tampão fosfato 0,01 mol L-1 pH 4,7. A técnica que apresentou melhores índices de purificação para a enzima foi a partição trifásica apresentando fator de purificação e recuperação de 5,6 e 50 % para a obtida de FA e 13,61 e 50 % para FS. A PO de FA apresentou maior atividade em tampão fosfato 5 mmol L-1 pH 5,5 para as formas bruta e pura, diferindo na temperatura de reação de 25 °C e 10 °C, KM de 0,15 e 0,06 mmol L-1 e Vmáx de 769 e 667 U mg-1 , respectivamente. A PO de FS as condições foram: tampão fosfato 5 mmol L-1 pH 5, reação a 35 e 30 °C durante 10 e 5 min, KM de 0,17 e 0,05 mmol L-1 e Vmáx de 196 e 182 U mg-1 , respectivamente. A PO de FA demonstrou maior estabilidade em pH 5 enquanto que a de FS em pH 6, ambas enzimas apresentaram maior estabilidade térmica a 0 °C, as massas moleculares encontradas por eletroforese foram 41 e 34 kDa, respectivamente. Ao final das etapas de obtenção, purificação e caracterização obteve-se uma atividade específica de 116 e 794 U.mg-1 , e 4363 e 17453 U g-1 , respectivamente para PO de FA e FS. A determinação de DON e De-DON foi realizada por HPLC-DAD e LC-ESI-MS/MS para avaliação dos ensaios de degradação. A enzima comercial HRP, mostrou maior potencial de redução sobre DON (55% após 1 h de reação), no entanto em 3 h de reação, a concentração inicial da micotoxina DON foi verificada, o que evidencia que a redução pode ocorrer por adsorção ou por formação de um composto de degradação que apresente a mesma massa molecular. O emprego da enzima PO obtida de FA e FS na degradação necessita de uma avaliação cinética micotoxicologica para definição das condições de redução significativa dos níveis de DON.

Towards the total synthesis of amphidinolides C and F

The amphidinolides are marine macrolides extracted from dinoflagellates of the genus Amphidinium. To date, 37 amphidinolides have been isolated and identified, most of them possessing cytotoxicity against human cancer cell lines. Among these, amphidinolides C, F, C2 and C3 represent synthetic targets of interest owing to their scarcity, structural complexity and promising biological activities. This thesis describes the work realised towards the total synthesis of amphidinolides C and F, with a focus on the different strategies investigated and the key fragments synthesised. In the first approach, the C18−C29 fragment of amphidinolide F was prepared using an intramolecular etherification of an epoxide under acidic catalysis to produce the 2,5-trans-disubstituted tetrahydrofuran ring featured in the natural product. Unfortunately, dithiane alkylation with the C1−C17 iodide counterpart generated the desired coupling product in low yield. A second approach proposing to build the C17−C18 bond by a silicon-tethered RCM proved unsuccessful, because the requisite diene could not be obtained. It was then envisioned to form the C18−C19 bond by displacement of a triflate with an alkyne and install the ketone at C18 by a protoborylation/oxidation sequence. To this end, the C19−C29 triflate precursor was synthesised. Displeasingly, the C1−C18 alkyne counterpart (work by Dr Filippo Romiti) could not be prepared and coupling of the two fragments was not attempted. In the latest approach, the C10−C29 fragment of amphidinolide F was obtained employing a boron-mediated aldol condensation and a dithiane alkylation to form the C13−C14 and C18−C19 bonds. Several endgame strategies were examined including the successful Yamaguchi esterification of the C13-epi C10−C29 fragment and the C1−C9 acid. A challenging Stille crosscoupling was then effected to close the macrocycle but only yielded the desired macrolactone in trace amounts after global desilylation.

Síntese e estudo de polioxotungstatos do tipo Keggin com interesse catalítico

O objectivo principal deste trabalho foi estudar as propriedades e comportamento de polioxotungstatos (POM) do tipo Keggin com interesse em catálise oxidativa. Os estudos efectuados centraram-se no comportamento electroquímico dos aniões em meio não aquoso, na estabilidade das suas estruturas em diferentes meios, na sua capacidade de catalisar a oxidação de diferentes substratos orgânicos e na sua eficácia em oxidar, de forma selectiva, um modelo não fenólico da lenhina. Efectuou-se, igualmente, o estudo estrutural de diversos aniões pela técnica de EXAFS. Neste trabalho, prepararam-se e caracterizaram-se alguns dos sais de tetra-n-butilamónio (TBA) dos polioxotungstatos estudados: compostos de Keggin, TBAx[XW12O40], lacunares, TBAxHy[XW11O39], mono-substituídos, TBAxHy[XW11M(H2O)O39]·nH2O, com X= P e Si e M = CoII, NiII, ZnII, CuIl, RuIII, MnIII e FeIII e os compostos com mistura de átomos adenda TBAx[XW11VO40]·nH2O (X = P e Si). Seleccionou-se este conjunto de polioxotungstatos de forma a efectuar-se um estudo comparativo da influência da natureza do heteroátomo central (P e Si) e dos metais de transição M nas propriedades estudadas. O conjunto de sais de TBA dos silicotungstatos estudados mostraram ser isoestruturais, apresentando a mesma estrutura dos fosfotungstatos análogos. O comportamento electroquímico dos polioxotungstatos foi estudado em soluções de acetonitrilo por voltametria cíclica e electrólise a potencial controlado. Verificou-se a ocorrência de vários processos mono-electrónicos de oxi-redução, reversíveis ou quasi-reversíveis, associados aos átomos de WVI/V e a alguns dos metais de transição. Os metais em estado de oxidação +3 reduziram-se mais facilmente do que os átomos de WVI. O metal CuII apresentou um comportamento diferente dos outros metais de transição. Este metal, na estrutura do POM, reduziu-se a CuI, proporcionando a observação do anião [PW11CuIO39]6- pela primeira vez. A redução posterior do CuI conduziu à formação de Cu0, que se depositou na superfície do eléctrodo. A re-oxidação do cobre a CuII conduziu à reconstituição da estrutura do POM, nas condições estudadas. Constatou-se que a ocorrência de protões na fórmula molecular dos POMs influenciou o seu comportamento electroquímico. Para os compostos que apresentam protões, a redução dos átomos de tungsténio ocorreu a potenciais menos negativos do que para aqueles que não apresentam protões na sua fórmula. Para os primeiros observou-se a transferência global de um maior número de electrões no mesmo intervalo de potencial, originando soluções fortemente azuladas. Quando os catiões tetra-n-butilamónio foram substituídos por catiões de menor dimensão, como Li+ e Na+, ocorreu a formação de pares iónicos com os polianiões [PW12O40]3- e [SiW11VO40]5-, originando um aumento do potencial de redução. Não houve evidência da formação de pares iónicos com os catiões TBA+. Este foi o primeiro estudo sistemático do comportamento electroquímico dos aniões lacunares e mono-substituídos em meio não aquoso. Estudou-se a estrutura dos polioxotungstatos em sais de TBA e em soluções de acetonitrilo. A aplicação da técnica de EXAFS ao estudo deste tipo de compostos em solução foi realizada pela primeira vez. Pela análise estrutural nos sólidos verificou-se que, a natureza do metal de transição M e do átomo central X, na estrutura do POM, influenciam o tamanho dos vários octaedros que o constituem. Não se observaram diferenças significativas nas estruturas dos polianiões em solução. A estabilidade da estrutura dos polioxometalatos na presença de um excesso de H2O2, em soluções de acetonitrilo/H2O foi analisada por espectroscopia de absorção de EXAFS, RMN de 31P, IV e espectrofotometria de absorção no UV-Vis. De uma forma geral, os POMs em que o átomo central da estrutura é o Si apresentaram maior estabilidade do que os POMs correspondentes com átomo de P no centro. Em solução de acetonitrilo, na ausência de H2O2, todos os aniões mostraram ser estáveis durante vários dias. Em solução, na presença de H2O2 em excesso (H2O2/POM = 1300), o anião lacunar [PW11O39]7- não é estável, transformando-se no anião de Venturello, {PO4[W(O)(O2)2]4}3-, após a formação de [PW12O40]3-, como produto intermediário. Em relação aos aniões substituídos [PW11M(H2O)O39]p-, M = MnIII, RuIII, FeIII, CoII e ZnII, verificou-se o seguinte na presença de H2O2: os aniões com MnIII e CoII transformaram-se no anião de Keggin, [PW12O40]3-. Os aniões de RuIII e FeIII mantiveram as suas estruturas e o anião de ZnII decompôs-se em {HPO4[W(O)(O2)2]2}2- e fosfato. Para estes casos de não estabilidade estrutural, o processo de decomposição foi mais rápido na presença de maiores conteúdos de água. Pela análise de EXAFS, na presença de um menor excesso de H2O2 (H2O2/POM = 70) e apenas 8% de parte aquosa, verificou-se que os aniões substituídos por MnIII mantiveram a sua estrutura, embora o ligando H2O, coordenado ao Mn, tivesse sido substituído por um grupo oxo no polianião [SiW11Mn(H2O)O39]5-, e por um grupo peroxo no polianião [PW11Mn(H2O)O39]4-. O anião com RuIII, nestas condições, também mostrou substituir o seu ligando H2O por um grupo peroxo ou hidrogenoperoxo. Os polioxotungstatos mono-substituídos e lacunares mostraram ser catalisadores eficientes para a oxidação de cis-cicloocteno, geraniol e ciclooctano com H2O2. A maior novidade deste trabalho residiu na actividade catalítica apresentada pelos silicotungstatos estudados, contrariando o que é referido na literatura. Outro aspecto inovador foi o elevado valor de conversão obtido para a oxidação de ciclooctano. Este substrato foi oxidado com 74% de conversão, após 2h de reacção e com 80% de selectividade para o hidroperóxido de ciclooctilo, na presença do anião [PW11Fe(H2O)O39]4-. Os restantes produtos de reacção foram o ciclooctanol e a ciclooctanona. Os silicotungstatos apresentaram maior selectividade para o hidroperóxido de ciclooctilo do que os fosfotungstatos. O geraniol foi completamente oxidado após 3h de reacção, com 82% de selectividade para o 2,3-epoxigeraniol, na presença do anião [PW11Mn(H2O)O39]4-. O cis-cicloocteno foi oxidado ao seu epóxido, com 92% de conversão ao fim de 5h de reacção, na presença do anião lacunar [PW11O39]7-. O estudo da capacidade oxidativa do anião [SiW11VO40]5- foi analisada utilizando-se um modelo não fenólico da lenhina, a anisoína. Estudaram-se as condições favoráveis à obtenção de uma reacção selectiva para o anisilo, de forma a poder estudar-se a cinética da reacção. A estequiometria da reacção mostrou ser de 1:2 anisoína/POM. As ordens de reacção foram determinadas pelo método das velocidades iniciais e, a partir destes resultados, conheceu-se que o POM não estava envolvido no passo que limita a velocidade da reacção, sendo esta limitada pela transformação da anisoína. O estudo realizado sobre o efeito isotópico sugeriu que o passo que limitou a velocidade de reacção correspondeu à enolação da anisoína. Desta forma, observou-se pela primeira vez, que o POM oxida um modelo não fenólico da lenhina por via de enolação.

Síntese estereosseletiva da naftotectona

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, 2016.

MOLECULAR MODELING OF EPON 862-DETDA / CARBON COMPOSITES

The thermoset epoxy resin EPON 862, coupled with the DETDA hardening agent, are utilized as the polymer matrix component in many graphite (carbon fiber) composites. Because it is difficult to experimentally characterize the interfacial region, computational molecular modeling is a necessary tool for understanding the influence of the interfacial molecular structure on bulk-level material properties. The purpose of this research is to investigate the many possible variables that may influence the interfacial structure and the effect they will have on the mechanical behavior of the bulk level composite. Molecular models are established for EPON 862-DETDA polymer in the presence of a graphite surface. Material characteristics such as polymer mass-density, residual stresses, and molecular potential energy are investigated near the polymer/fiber interface. Because the exact degree of crosslinking in these thermoset systems is not known, many different crosslink densities (degrees of curing) are investigated. It is determined that a region exists near the carbon fiber surface in which the polymer mass density is different than that of the bulk mass density. These surface effects extend ~10 Å into the polymer from the center of the outermost graphite layer. Early simulations predict polymer residual stress levels to be higher near the graphite surface. It is also seen that the molecular potential energy in polymer atoms decreases with increasing crosslink density. New models are then established in order to investigate the interface between EPON 862-DETDA polymer and graphene nanoplatelets (GNPs) of various atomic thicknesses. Mechanical properties are extracted from the models using Molecular Dynamics techniques. These properties are then implemented into micromechanics software that utilizes the generalized method of cells to create representations of macro-scale composites. Micromechanics models are created representing GNP doped epoxy with varying number of graphene layers and interfacial polymer crosslink densities. The initial micromechanics results for the GNP doped epoxy are then taken to represent the matrix component and are re-run through the micromechanics software with the addition of a carbon fiber to simulate a GNP doped epoxy/carbon fiber composite. Micromechanics results agree well with experimental data, and indicate GNPs of 1 to 2 atomic layers to be highly favorable. The effect of oxygen bonded to the surface of the GNPs is lastly investigated. Molecular Models are created for systems with varying graphene atomic thickness, along with different amounts of oxygen species attached to them. Models are created for graphene containing hydroxyl groups only, epoxide groups only, and a combination of epoxide and hydroxyl groups. Results show models of oxidized graphene to decrease in both tensile and shear modulus. Attaching only epoxide groups gives the best results for mechanical properties, though pristine graphene is still favored.

Covalent Protein Adduction by Drugs of Abuse

Recreational abuse of the drugs cocaine, methamphetamine, and morphine continues to be prevalent in the United States of America and around the world. While numerous methods of detection exist for each drug, they are generally limited by the lifetime of the parent drug and its metabolites in the body. However, the covalent modification of endogenous proteins by these drugs of abuse may act as biomarkers of exposure and allow for extension of detection windows for these drugs beyond the lifetime of parent molecules or metabolites in the free fraction. Additionally, existence of covalently bound molecules arising from drug ingestion can offer insight into downstream toxicities associated with each of these drugs. This research investigated the metabolism of cocaine, methamphetamine, and morphine in common in vitro assay systems, specifically focusing on the generation of reactive intermediates and metabolites that have the potential to form covalent protein adducts. Results demonstrated the formation of covalent adduction products between biological cysteine thiols and reactive moieties on cocaine and morphine metabolites. Rigorous mass spectrometric analysis in conjunction with in vitro metabolic activation, pharmacogenetic reaction phenotyping, and computational modeling were utilized to characterize structures and mechanisms of formation for each resultant thiol adduction product. For cocaine, data collected demonstrated the formation of adduction products from a reactive arene epoxide intermediate, designating a novel metabolic pathway for cocaine. In the case of morphine, data expanded on known adduct-forming pathways using sensitive and selective analysis techniques, following the known reactive metabolite, morphinone, and a proposed novel metabolite, morphine quinone methide. Data collected in this study describe novel metabolic events for multiple important drugs of abuse, culminating in detection methods and mechanistic descriptors useful to both medical and forensic investigators when examining the toxicology associated with cocaine, methamphetamine, and morphine.

Niobium-based heterogeneous catalysts synthesised in supercritical carbon dioxide for selective olefin epoxidation

In this work, two different protocols for the synthesis of Nb2O5-SiO2 with a sol-gel route in which supercritical carbon dioxide was used as solvent have been developed. The tailored design of the reactor allowed the reactants to come into contact only when supercritical CO2 is present, and the high-throughput experimentation scCO2 unit allowed the screening of synthetic parameters, that led to a Nb2O5 incorporation into the silica matrix of 2.5 wt%. N2-physisorption revealed high surface areas and the presence of meso- and micropores. XRD allowed to demonstrate the amorphous character of these materials. SEM-EDX proved the excellent dispersion of Nb2O5 into the silica matrix. These materials were tested in the epoxidation of cyclooctene with hydrogen peroxide, which is considered an environmentally friendly oxidant. The catalysts were virtually inactive in an organic, polar, aprotic solvent (1,4-dioxane). However, the most active scCO2 Nb2O5-SiO2 catalyst achieved a cyclooctene conversion of 44% with a selectivity of 88% towards the epoxide when tested in ethanol. Catalytic tests on cyclohexene revealed the presence of the epoxide, which is remarkable, considering that this substrate is easily oxidised to the diol. The behaviour in protic and aprotic solvents is compared to that of TS-1.