Engineering and Characterization of Cytochrome P450 Enzymes for Nitrogen-Atom Transfer Reactions

The creation of novel enzyme activity is a great challenge to protein engineers, but nature has done so repeatedly throughout the process of natural selection. I begin by outlining the multitude of distinct reactions catalyzed by a single enzyme class, cytochrome P450 monooxygenases. I discuss the ability of cytochrome P450 to generate reactive intermediates capable of diverse reactivity, suggesting this enzyme can also be used to generate novel reactive intermediates in the form of metal-carbenoid and nitrenoid species. I then show that cytochrome P450 from Bacillus megaterium (P450_BM3) and its isolated cofactor can catalyze metal-nitrenoid transfer in the form of intramolecular C–H bond amination. Mutations to the protein sequence can enhance the reactivity and selectivity of this transformation significantly beyond that of the free cofactor. Next, I demonstrate an intermolecular nitrene transfer reaction catalyzed by P450_BM3 in the form of sulfide imidation. Understanding that sulfur heteroatoms are strong nucleophiles, I show that increasing the sulfide nucleophilicity through substituents on the aryl sulfide ring can dramatically increase reaction productivity. To explore engineering nitrenoid transfer in P450BM3, active site mutagenesis is employed to tune the regioselectivity intramolecular C–H amination catalysts. The solution of the crystal structure of a highly selective variant demonstrates that hydrophobic residues in the active site strongly modulate reactivity and regioselectivity. Finally, I use a similar strategy to develop P450-based catalysts for intermolecular olefin aziridination, demonstrating that active site mutagenesis can greatly enhance this nitrene transfer reaction. The resulting variant can catalyze intermolecular aziridination with more than 1000 total turnovers and enantioselectivity of up to 99% ee.

Estudios sobre la distribución de recubrimientos NSR y SCR en catalizadores monolíticos de doble capa para la eliminación de NOx

Título: Estudios sobre la distribución de recubrimientos NSR y SCR en catalizadores monolíticos de doble capa para la eliminación de NOx. Resumen: el desarrollo tecnológico, la necesidad inherente del transporte y el crecimiento exponencial de la población en los últimos 50 años han incrementado el número de vehículos motorizados de forma masiva. Como consecuencia, la contaminación del aire cada vez más evidente se ha convertido en un problema crítico a nivel global que es necesario remediar. La principal problemática de los vehículos diesel es el incremento de las emisiones de NOx debido a sus condiciones de operación (atmosfera oxidante). Para el control de las emisiones de NOx y el cumplimiento de la normativa Euro 6 que está por llegar, se han desarrollado tecnologías como la basada en el almacenamiento y reducción de NOx (NSR) o la reducción catalítica selectiva (urea – SCR). Sin embargo, la tecnología NSR no es capaz de cumplir los estándares establecidos debido a la producción de NH3 nocivo como subproducto y la tecnología SCR requiere de un costoso y voluminoso tanque de urea difícil de incorporar en el sistema. Una alternativa para lidiar con ambos problemas es la combinación de ambas tecnologías a través de catalizadores monolíticos de doble capa NSR – SCR. Esta combinación es capaz de aprovechar el NH3 generado en el catalizador aguas abajo NSR para reducir una cantidad de NOx adicional en el catalizador aguas arriba SCR sin la necesidad de incorporar un sofisticado sistema de alimentación de urea para la completa eliminación. El objetivo principal de este trabajo es estudiar el mecanismo de eliminación de NOx en esta clase de catalizadores combinados.

Estudo de catalisadores modelo à base de CeO2-ZrO2 dopado com cobre para controle de emissões de NOx

Convencionalmente, metais nobres são empregados como metais ativos em catalisadores automotivos, mas o uso de cobre vem sendo estudado pelo fato de promover sítios ativos para adsorção química e redução de NOx. Diante deste contexto, esta dissertação visa testar novas formulações de catalisadores, com foco em seu desempenho na reação de redução do NO pelo CO e sua seletividade a N2. Foram avaliados o método de adição de cobre no preparo e os teores de cobre utilizados na preparação. Os métodos de adição utilizados foram impregnação a seco (IS), reação em estado sólido (RS) e coprecipitação (CO). Os teores de cobre estudados ficaram entre 0,36 e 6,9% (m/m). Além disso, foi estudado o impacto no desempenho do catalisador após envelhecimento térmico a 950C por 12h. Foram empregadas as seguintes técnicas de caracterização textural e físico-química como espectrometria de absorção atômica, fisissorção de N2, difração de raios X, espectroscopia Raman e redução a temperatura programada. Os catalisadores também foram avaliados na reação de redução do NO pelo CO. A análise textural indicou que o método de coprecipitação levou a características texturais diferentes dos outros catalisadores. Análises de DRX mostraram a formação de CuO cristalino para teores iguais ou superiores a 3,3% (m/m) de cobre. As análises de Redução a Temperatura Programada (RTP) indicaram que ocorreu uma forte interação na interface entre o suporte e as espécies de cobre dispersas, acompanhada da diminuição da temperatura de redução do CuO e da redução parcial da céria em temperaturas mais baixas. Os testes catalíticos mostraram um melhor desempenho dos catalisadores (IS) que apresentaram conversões mais elevadas em menores temperaturas. Com relação ao envelhecimento, observou-se uma diminuição significativa da eficiência dos catalisadores. Uma comparação com catalisadores à base de metal nobre mostrou um bom desempenho dos catalisadores à base de cobre, com a vantagem destes apresentarem emissão de N2O restrita a baixas temperaturas

Research on operating conditions at the catalytic reactor for the combined removal of NOx and PCDD/PCDFs from MWI plants

The management of municipal solid waste (MSW), particularly the role of incineration, is currently a subject of public debate. Incineration shows to be a good alternative of reducing the volume of waste and eliminating certain infectious components. Moreover, Municipal Waste Incinerators (MWI), are reported to be highly hygienic and apart from that MWIs are immediately effective in terms of transport (incinerators can be built close to the waste sources) and incineration's nature. Nevertheless, the emissions of many hazardous substances make the Municipal Waste Incineration (MWI) plants to be unpopular. Metals (especially lead, manganese, cadmium, chromium and mercury) are concentrated in fly and bottom ashes. Furthermore, incomplete combustion produces a wide variety of potentially hazardous organic compounds, such as aldehydes, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), chlorinated hydrocarbons including polychlorinated dibenzodioxins (PCDD) and dibenzofurans (PCDF), and even acid gases, including NOx. Many of these hazardous substances are carcinogenic and some have direct systemic toxicity.

Efeito do extrato de Euterpe oleracea Mart.(Açaí) sobre a disfunção endotelial, estresse oxidativo e alterações vasculares e renais associados à hipertensão renovascular dois rins, 1 clip (2R,1C)

Estudos recentes mostram que o açaí é rico em polifenóis e uma dieta rica em polifenóis pode estar envolvida na proteção contra o risco cardiovascular. O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito do tratamento crônico de animais hipertensos 2R,1C com extrato hidroalcoólico do caroço do açaí (ASE) sobre o desenvolvimento da hipertensão e disfunção endotelial; estresse oxidativo e sobre as alterações vasculares e renais. Ratos Wistar machos foram utilizados para obtenção da hipertensão renovascular 2R,1C e ratos controles 2R (sham) foram somente submetidos à laparotomia e receberam tratamento diário com veículo ou ASE (200 mg/Kg/dia) durante 40 dias. A pressão arterial sistólica (PAS) foi aferida por pletismografia de cauda e os efeitos vasodilatadores da acetilcolina (ACh) e nitroglicerina (NG) foram estudados em leito arterial mesentérico (LAM) perfundido e pré-contraído com norepinefrina. A atividade das enzimas SOD, CAT, GPx, os níveis de MDA, a carbonilação de proteínas e os níveis de nitrito foram avaliados por espectrofotometria. As expressões de enzimas pró e antioxidantes foram avaliadas por western blot. A atividade de MMP-2 foi avaliada por zimografia. Os níveis séricos de creatinina foram avaliados através de kit, por espectrofotometria. As alterações vasculares e renais foram avaliadas por microscopia de luz. A PAS foi maior nos animais 2R,1C, e o tratamento com ASE preveniu o desenvolvimento da hipertensão. O efeito vasodilatador reduzido da ACh em animais 2R,1C foi recuperado pelo ASE. O efeito vasodilatador da NG não foi diferente entre os grupos. O dano oxidativo avaliado pela peroxidação lipídica e carbonilação de proteínas foi maior nos animais 2R,1C, e reduzido pelo tratamento com ASE. As atividades da SOD, CAT e GPx foram menores em amostras de mesentério, plasma, rim e coração de animais 2R,1C e o tratamento com ASE aumentou estas atividades. A produção de NO foi menor no plasma, mesentério e rim dos animais 2R,1C, e o tratamento com ASE aumentou a produção de NO somente no rim e mesentério destes animais. A expressão de SOD-1, 2, eNOS e TIMP-1 foram menores nos animais 2R,1C e o tratamento com ASE aumentou a expressão destas enzimas. A expressão de NOX-4 e MMP-2 e a atividade de MMP-2 foram maiores nos animais 2R,1C e o tratamento com ASE reduziu a expressão destas enzimas e a atividade de MMP-2. Os animais 2R,1C apresentaram um aumento na espessura da camada média da aorta e artéria mesentérica e um aumento na relação média/lúmen da aorta, e estas alterações foram prevenidas pelo ASE. Os níveis séricos aumentados de creatinina nos animais 2R,1C foram reduzidos por ASE. As alterações morfológicas renais nos animais 2R,1C foram prevenidas pelo ASE. Portanto, o tratamento com ASE previne o desenvolvimento da hipertensão, melhora a disfunção endotelial e previne as alterações vasculares e renais em ratos 2R,1C. A redução da atividade antioxidante e o aumento na peroxidação lipídica e carbonilação de proteínas sugerem o envolvimento de um mecanismo deficiente da defesa antioxidante e de um dano oxidativo aumentado, os quais foram revertidos pelo ASE.

Studies on phenolase enzymes in prawns. Pt. 1. The distribution and physical properties of phenolases in Penaeid prawns

The distribution of phenolases in certain species of Penaeid prawns has been studied. Attempts were made to locate the regions of maximum enzyme activity in the prawns. The relative dopase activity has been examined in extracts from head, tail, shell with cuticles and muscle. The head juice and tail extracts were found to register very high order of enzyme activity. Metapenaeus affinis, Metapenaeus monoceros and Penaeus indicus record comparatively higher enzyme activity than Parapenaeopsis stylifera and Metapenaeus dobsoni, no definite relationship has been found between the relative activity of the enzyme and size grade at least in one species examined. Experiments were done to determine the pH optima of the enzyme and the influence of pH on its deactivation. Exposure to higher temperatures up to 55°c was shown to activate the crude enzyme considerably. The possible implications of the observations have been discussed.