Natural polymers systems as carriers for bioactive compounds

Abstract

Biocatalysis refers to the use of natural catalysts, called biocatalysts, to accelerate chemicalr eactions. One fascinating class of biocatalysts is derived from natural polymers, which can be a promising scaffold for enzymes. Natural polymers are abundant in nature and exhibit diverse properties that make them excellent candidates for biocatalysis. Biocatalysts offer several advantages over traditional chemical catalysts, including high selectivity, specificity, and efficiency, as well as biodegradability and compatibility with the environment. Polysaccharides, as natural polymers, contribute to the biocatalytic landscape. For example, cellulose, a polysaccharide found in plant cell walls, can be converted into amodified cellulose derivative such as (hydroxypropyl)methyl cellulose, which is watersoluble. Chitosan, a derivative of chitin, is another natural polymer that exhibits biocompatible and biodegradable properties. Chitosan and its derivatives have been used as an enzyme carrier in various organic transformations due to their unique structure. These polymers serve as feedstocks for the formation of natural biocatalyst, when the enzyme is incorporated in the matrix. They have been applied in processes such asenzymatic synthesis and asymmetric catalysis, among others. This study focuses on two main aspects. Firstly, the aim of the present study was to create an easily operative carrier for the immobilization of bioactive compounds, such as enzymes, and secondly to analyze these carriers structurally. Two main biopolymers, (hydroxypropyl)methyl cellulose and chitosan, were used to form the carriers and were studied with the immobilized enzyme. A structural study of (hydroxypropyl)methylcellulose microemulsion-based gels, used for lipase immobilization, was conducted. The study delves into the characterization of the gels, focusing on their composition and morphology. Techniques such as EPR (Electro Paramagnetic Resonance) SEM (ScanningElectron Microscopy) and SAXS (Small Angle X-ray Scattering) were performed in order to explore the structural properties. This research contributes to understanding the excessive performance, investigated in previous studies, of (hydroxypropyl)methylcellulose microemulsion-based gels as matrices for lipase immobilization. Next, the use of (hydroxypropyl)methyl cellulose and chitosan film as a matrix for lipase immobilization was investigated. The combination of the two biopolymers was used to form films where the enzyme, lipase from Mucor miehei, was trapped and performed as a biocatalyst for the model reaction of esterification, which was monitored with GasChromatography. Its morphology and composition were examined using AFM (Atomicforce Microscopy), shedding light on its potential as an effective matrix for enzymeimmobilization. After optimizing the composition of the biocatalyst, the operational and morphological aspects of (hydroxypropyl)methyl cellulose-chitosan film for lipaseim mobilization, was investigated. The study explores the practical implications of using these films, including enzyme activity and stability, as well as the physical characteristics of the film. By investigating the operational and morphological aspects, with SEM, optical microscopy and profilometry measurements, FTIR (Fourier transform infrared) and SAXS several valuable insights were provided into the application of (hydroxypropyl)methylcellulose-chitosan films as matrices for lipase immobilization. In summary, this study focuses on (hydroxypropyl)methyl cellulose microemulsion-based gels and (hydroxypropyl)methyl cellulose-chitosan films as matrices for lipaseimmobilization, aiming to contribute to the understanding of the structural properties, operational characteristics, and potential applications of these matrices in various enzymatic processes.

Η βιοκατάλυση αναφέρεται στη χρήση φυσικών καταλυτών, που ονομάζονται βιοκαταλύτες, για την επιτάχυνση των χημικών αντιδράσεων. Μια ενδιαφέρουσα κατηγορία βιοκαταλυτών προέρχεται από φυσικά πολυμερή, τα οποία μπορεί να διαμορφώσουν ένα πολλά υποσχόμενο ικρίωμα για ένζυμα. Τα φυσικά πολυμερή είναι άφθονα στη φύση και παρουσιάζουν ποικίλες ιδιότητες που τα καθιστούν εξαιρετικούς υποψηφίους για βιοκατάλυση. Οι βιοκαταλύτες προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τους παραδοσιακούς χημικούς καταλύτες, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής επιλεκτικότητας, εξειδίκευσης και αποτελεσματικότητας, καθώς και βιοδιασπασιμότητας και συμβατότητας με το περιβάλλον. Οι πολυσακχαρίτες, ως φυσικά πολυμερή, συμβάλλουν στο πεδίο της βιοκατάλυσης. Για παράδειγμα, η κυτταρίνη, ένας πολυσακχαρίτης που βρίσκεται στα κυτταρικά τοιχώματα των φυτών, μπορεί να μετατραπεί σε ένα τροποποιημένο παράγωγό της, όπως η (υδροξυπροπυλ)μεθυλοκυτταρίνη, η οποία είναι υδατοδιαλυτή. Η χιτοζάνη, ένα παράγωγο της χιτίνης, είναι ένα άλλο φυσικό πολυμερές βιοσυμβατό και βιοδιασπώμενο. Η χιτοζάνη και τα παράγωγά της έχουν χρησιμοποιηθεί ως φορέας ακινητοποίησης ενζύμων σε διάφορους οργανικούς μετασχηματισμούς λόγω της μοναδικής δομής τους. Αυτά τα πολυμερή χρησιμεύουν ως πρώτες ύλες για το σχηματισμό φυσικού βιοκαταλύτη, όταν το ένζυμο ενσωματώνεται στη μήτρα. Έχουν βρει εφαρμογές σε διαδικασίες όπως η ενζυμική σύνθεση και η ασύμμετρη κατάλυση, μεταξύ άλλων. Η παρούσα μελέτη εστιάζει σε δύο βασικές πτυχές. Πρώτον, στόχος της παρούσας μελέτης ήταν η δημιουργία ενός εύκολα λειτουργικού φορέα για την ακινητοποίηση βιοδραστικών ενώσεων, όπως τα ένζυμα, και δεύτερον η δομική ανάλυση αυτών των φορέων. Δύο κύρια βιοπολυμερή, η(υδροξυπροπυλ)μεθυλοκυτταρίνη και η χιτοζάνη, χρησιμοποιήθηκαν για τον σχηματισμό των φορέων και μελετήθηκαν παρουσία και απουσία του ακινητοποιημένου ενζύμου. Διεξήχθη μια δομική μελέτη πηκτωμάτων υδροξυπροπυλ)μεθυλοκυτταρίνης σε συνδιασμό με μικρογαλάκτωμα, που χρησιμοποιούνται για ακινητοποίηση λιπάσης. Η μελέτη εμβαθύνει στον χαρακτηρισμό των πηκτωμάτων, εστιάζοντας στη σύνθεση και τη μορφολογία τους. Εφαρμόστηκαν τεχνικές όπως EPR (Φασματοσκοπία Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού) , SEM (Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης) και SAXS (Σκέδαση ακτίνων Χ υπό μικρή γωνία) προκειμένου να διερευνηθεί η δομή τους. Αυτή η έρευνα συμβάλλει στην κατανόηση της εξαιρετικής απόδοσης, που διερευνήθηκε σε προηγούμενες μελέτες, των πηκτωμάτων υδροξυπροπυλ)μεθυλοκυτταρίνης που συνδυάζονται με μικρογαλάκτωμα, ως φορέας για ακινητοποίηση λιπάσης. Στη συνέχεια, διερευνήθηκε η χρήση (υδροξυπροπυλ)μεθυλοκυτταρίνης και χιτοζάνης σε φιλμ ως μήτρα για ακινητοποίηση λιπάσης. Ο συνδυασμός των δύο βιοπολυμερών χρησιμοποιήθηκε για το σχηματισμό μεμβρανών όπου το ένζυμο, ηλιπάση από το Mucor miehei, ακινητοποιήθηκε και λειτούργησε ως βιοκαταλύτης για πρότυπη αντίδραση εστεροποίησης, η οποία παρατηρήθηκε μέσω αέριας χρωματογραφίας. Η μορφολογία και η σύνθεσή του εξετάστηκαν χρησιμοποιώντας AFM (Atomic Force Microscopy), ρίχνοντας φως στη δυνατότητά του ως αποτελεσματική μήτρα για την ακινητοποίηση των ενζύμων. Μετά τη βελτιστοποίηση της σύνθεσης του βιοκαταλύτη, διερευνήθηκαν οι λειτουργικές και μορφολογικές πτυχές του φιλμ (υδροξυπροπυλ)μεθυλοκυτταρίνης-χιτοζάνης για ακινητοποίηση λιπάσης. Η μελέτη διερευνά τις πρακτικές συνέπειες της χρήσης αυτών των μεμβρανών, συμπεριλαμβανομένης της ενζυμικής δραστηριότητας και σταθερότητας, καθώς και τα φυσικά χαρακτηριστικά του φιλμ. Με τη διερεύνηση των λειτουργικών και μορφολογικών πτυχών, με FTIR (Φασματοσκοπία υπέρυθρου με μετασχηματισμό Fourier), SEM, οπτική μικροσκοπία, μετρήσεις προφιλομετρίας και SAXS δόθηκαν πολλές πολύτιμες γνώσεις σχετικά με την εφαρμογή μεμβρανών (υδροξυπροπυλο)μεθυλοκυτταρίνης-χιτοζάνης ως μήτρες για ακινητοποίηση λιπάσης. Συνοπτικά, αυτή η μελέτη επικεντρώνεται σε πηκτώματα (υδροξυπροπυλ)μεθυλοκυτταρίνης με μικρογαλάκτωμα και μεμβράνες (υδροξυπροπυλ)μεθυλοκυτταρίνης-χιτοζάνης ως μήτρες για ακινητοποίηση λιπάσης, με στόχο να συμβάλει στην κατανόηση των δομικών ιδιοτήτων, των λειτουργικών χαρακτηριστικών και των πιθανών εφαρμογών αυτών των μέσων σε διάφορες ενζυμικές διεργασίες.