inmovilización de células dr. j.v. sinisterra grupo de...

28
Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de Biotransformaciones Universidad Complutense de Madrid Facultad de Farmacia www.biotransformaciones.com

Upload: others

Post on 02-Jan-2020

16 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

Inmovilización de células

Dr. J.V. Sinisterra

Grupo de BiotransformacionesUniversidad Complutense de Madrid

Facultad de Farmaciawww.biotransformaciones.com

Page 2: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

• Optimización de los Biocatalizadores

- Células en fermentación

- Células en reposo

-Células liofilizadas

- Células inmovilizadas

Page 3: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

Resultados obtenidos en la oxidación de ciclohexanol utilizando células en fermentación, células en reposo o células liofilizadas

Oxidación del ciclohexanol (% conversión)

W. californica

W.saturnus

P.tannophilus

C.velutina

Condiciones de fermentación (1x) 92 71 91 31

Células en reposo (1x) 74 50 73 20

Células liofilizadas (100 mg) 12 15 13 9

Page 4: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

Tabla.- Ventajas e Inconvenientes del uso de Enzimas aisladas frente a Células Enteras.

Biocatalizador Forma Ventajas Inconvenientes

En general

Dispositivo de trabajo simpleMayor productividad debido a

la elevada tolerancia a la concentración de sustrato

Necesario el reciclaje de la coenzima.

Disueltas en agua Elevadas actividades catalíticas

Posibles reacciones colaterales. Los sustratos lipófilos son

insolubles enAgua y se requiere un proceso

de extracciónSuspendi

das en disolvent

es orgánicos

Fácil de realizar, Los sustratos lipófilos son solubles.

Recuperación de la enzimaActividades reducidas

Inmovilizadas Fácil recuperación de la enzima Pérdida de actividad durante la

inmovilización.

Enzimas aisladas

Page 5: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

Biocatalizador Forma Ventajas Inconvenientes

En general

No es necesario el reciclaje

de la coenzima

Equipamiento caro. Proceso tedioso debido

a los elevados volúmenes. Baja

productividad debido a la menor tolerancia a la

concentración, baja tolerancia a los

disolventes orgánicos, reacciones colaterales

debidas al metabolismo incontrolado.

Cultivo en

crecimiento

Elevadas actividades

Elevada cantidad de biomasa, mayor

cantidad de subproductos, difícil control del proceso

Células en

Reposo

Trabajo más fácil. Menor cantidad de

subproductos al estar el metabolismo controlado

Menores actividades

Inmovilizadas

Posible reutilización de las células

inmovilizadasMenores actividades

Células enteras

Page 6: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

• Inmovilización de células

Células (Enzimas) Soporte

Propiedades Bioquímicas

Tipo de reacción y Cinética

Características químicas

Propiedades mecánicas

Rendimiento del método de inmovilización

Productividad del derivado inmovilizado

Page 7: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

Introducción• Técnicas de inmovilización

Hay cuatro tipos fundamentales de inmovilización:

i) Adsorción sobre una superficie porosaii) Atrapamiento en una matriziii) Unión covalente a superficiesiv) Reactores de membrana

Matrices para inmovilización por atrapamiento:

i) hidrogeles: alginatos (Mofidi y cols, 2000; Pátková y cols, 2000), carragenano, quitosano, etc.

ii) termogeles: agar, agarosa, celulosa, gelatina (Armisen, 2001).

iii) polímeros: poliacrilamida, poliuretano, alcohol polivinílico

El atrapamiento en una matriz de origen biológico como agar, geles de alginato o carragenano (Unemura y cols, 1984) se usa frecuentemente para las células enteras. Los principales inconvenientes de las matrices de origen biológico son su inestabilidad frente a los cambios de temperatura, pH, alteraciones del entorno iónico y también su baja estabilidad mecánica.

Page 8: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

• Técnicas de inmovilización

Hay cuatro tipos fundamentales de inmovilización:

i) Adsorción sobre una superficie porosaii) Atrapamiento en una matriziii) Unión covalente a superficiesiv) Reactores de membrana

Matrices para inmovilización por atrapamiento:

i) hidrogeles: alginatos (Mofidi y cols, 2000; Pátková y cols, 2000), carragenano, quitosano, etc.

ii) termogeles: agar, agarosa, celulosa, gelatina (Armisen, 2001).

iii) polímeros: poliacrilamida, poliuretano, alcohol polivinílico

El atrapamiento en una matriz de origen biológico como agar, geles de alginato o carragenano (Unemura y cols, 1984) se usa frecuentemente para las células enteras. Los principales inconvenientes de las matrices de origen biológico son su inestabilidad frente a los cambios de temperatura, pH, alteraciones del entorno iónico y también su baja estabilidad mecánica.

Page 9: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

• Inmovilización por atrapamiento

Alginato Cálcico

OO O

COOHOH

OH

OO

COOH

OH

OH

8,7 Å Glucurónico-Glucurónico

O

O

OCOOH

HOOCOH

OO

HO

OHHO

10.3 Å

Manurónico-Manurónico

OOO

COH

OH

OO

C

OH

OH

Ca+2

O-O

O O-

O-O

O Cadena A

Cadena B

Cadena C

Page 10: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

Carargeenanstructure

Page 11: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

AGAR.- Ficocolide descrito en en Japon en 1658.

El agar es un ficocoloide formado por una heterogénea familia de polisacáridos (galactanas lineales), obtenido de las paredes celulares de las algas agarofitas, las cuales pertenecen a la Clase Rodofíceas.

Especie: Gelidium, Gelidiella, Pterocladia, Gracilaria, Ahnfeltia

Tanto en las algas carragenofitas como en las agarofitas se produce el un proceso enzimático de desulfatación, que en el caso de los carragenanostransforma el 6- sulfato de la D-galactosa en 3,6 anhidro-D-galactosa mientras en el agar se produce una transformación del 6- sulfato deL-galactosa en 3,6 anhidro-L-galactosa.

En la Industria, este proceso es reemplazado por una hidrólisis alcalinade sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible para obtener agaresde Gracilaria de buena calidad.La presencia de unidades de 3-6 anhidro (D ó L) galactosa, tiene unadecisiva influencia en las características reológicas tanto del agar como de los carragenanos, y por tanto influye en gran medida en estos productos.

Page 12: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

O

O

OH

CH2OH

OH

O

CH2OOH O

O

OH

CH2OH

OH

O

CH2OOHOO

O

Estructure of agarose

OCH2OHHO

OOH

OO

O

OH O

OCH2HO

OOH

OO

O

OH O

O

O

OHH3CO

HOH2C OH

OCH2O

OOH

OO

O

OH O

O

CH3

HOH2C

OCH2OCH3

O2SO

OOH

OO

O

OH O

OCH2OH

HO

OOH

OO

OHCH2OH

OH

OCH2OHHO

OOH

OO

OHCH2OS2

OH

O

O

OCH2OMeHO

OOH

OO

O

OH O

OCH2OHHO

OOH

OO

O

OMe O

OO2SO

OOH

OO

O

OMe O

CH2OH

OO2SO

OOH

OO

O

OH O

CH2OH

OO2SO

OOH

OO

O

OH O

CH2OSO3

(1)

(3)

(5)

(8)

(10)

(2)

(4)

(6)

(7)

(9)

(11)

Page 13: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

Gelificación de la agarosa

Page 14: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

S. marcenses in agar from Pterocladia

Page 15: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

In table 2 we compare the catalytic activity of some immobilized bacteria - N-2’-deoxyribisyltransferase producers- in the synthesis of 2’-deoxyadenosine from 2’-deoxyuroidine and adenine (Fernandez-Lucas et al. 2007). The cells - harvested in stationary growing conditions – were entrapped in different matrixes. Calcium pectate and calcium alginate were the most interesting matrixes for immobilization.

The first matrix produced softer microbeads than calcium alginate. This affirmation is explained by the low temperature scanning microscopy microphotographs of B. coagulans immobilized in calcium alginate and in calcium pectate (Figure 4) that show a more rigid structure for the calcium alginate matrix than for calcium pectate matrix.

Page 16: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

Table 3.- Internal and external mass transference parameters. Conditions:[Adenine] = [2’-deoxyuridine] =5 mM, T=57 ºC.

v0(mM min-1)

Ωa ηib φc Φd DAc * 107

(cm2 s-1)e

Bacillus coagulansFree cellsImmobilizedCalcium alginate Calcium pectate

0.1820.0820.100

0.05940.041

0.450.54

1.81.5

1.461.21

8.319.1

B. psychrosaccharolyticusFree cellsImmobilized Calcium alginate Calcium pectate

0.2340.0440.099

0.0320.041

0.190.42

6.31.9

7.411.52

0.887.7

Lactobacillus spFree cellsImmobilizedCalcium alginate

0.0770.047

0.034 0.61 1.3 1.03 6.4

Psychrobacter immobilisFree cellsImmobilizedCalcium alginateCalcium pectate

0.1430.0470.140

0.0320.058

0.330.97

2.70.28

2.410.08

2.8420

a Observable Ω module for external mass transferb Internal effectiveness factor ηi = v0, obs /v*0 : v0, obs the reaction rate for the immobilized biocatalysts, v*o the reaction rate for free cells c Thiele module; d Weisz module ; e Effectiveness diffusivity

Page 17: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

M. kaoliang libre e Inmovilizada en Agar

0123456789

10

0 20 40 60 80 100 120 140

h

cicl

ohex

anol

[ m

M ]

Libre Agar 2,5 % Agar 3,75 %

Comparación de la actividad de la actividad de M. kaoliang libre e inmovilizada en agar en la reducción de ciclohexanona. Crecimiento del hongo 7 días.[ciclohexanona]=10mM, T=28ºC; 200rpm., V= 100ml tampón fosfato pH 6,5

O OH

Page 18: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

G. candidun in agarose

Page 19: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

OO O

O2 + NADPH/H+

H2O + NADP+

Tabla IV.9. Velocidades iniciales de reacción de la cepa de G. candidumlibre e inmovilizada en diferentes soportes. Monooxigenación de la ciclopentanona 5.0mM, 36ºC

Catalizador Vo (mmoles/ml.h)a

Células libres 1,27

Células libres 2º Ciclo 0,71

Inmov. Agar A28/03 1,27

Inmov. Agar A28/03 2º Ciclo 1,17

Inmov. Agar A27/03 1,31

Inmov. Agar A27/03 2º Ciclo 1,13

Inmov. Agar A-90 1,10

Inmov. Agar A-90 2º Ciclo 0,83

Inmov. Agarosa D5 0,82

Inmov. Agarosa D5 2º Ciclo 0,35a error de replicación < 10%

Page 20: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

Tiempo en horas

Con

ersi

ón (%

)

(1R)-furil-etanol/P.tannophilus (1R)-furil-etanol/W. californica

(1S)-furil-etanol/P.tannophilus (1S)-furil-etanol/W. californica

•Oxidación del (1R)-(2-furil)-etanol y el (1S)-(2-furil)-etanol empleando las cepas W. californica y P. tannophilus inmovilizadas en agar 28/03 al 2%. La reacción se llevó a cabo utilizando concentraciones de sustrato de 2.5 mM. Temperatura de reacción 28ºC. Agitación 100 rpm. García Burgos C, Quezada A. & Sinisterra J.V.

OCH3

OH

OCH3

OH

OCH3

O

R S

(1R)-1-(2-furil)-etanol (1S)-1-(2-furil)-etanol2-Acetilfurano

Page 21: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

Williopsips californica in agarose from Pterocladia

Not used 1000inc reused 5 times 2000inc

Page 22: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

M. kaoliang (libre)

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20 25 30 35 40

h

cicl

ohex

anol

[mM

]

1º ciclo 2º ciclo 3º ciclo 5º ciclo 7º ciclo

Reutilización de las hifas de M. kaoliang

Page 23: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

M. kaoliang libre e Inmovilizada en Agar

0123456789

10

0 20 40 60 80 100 120 140

h

cicl

ohex

anol

[ m

M ]

Libre Agar 2,5 % Agar 3,75 %

M. Kaoliang inmovilizado en agar

M. Kaoliang inmovilizado en espumas de poliuretano

Influencia de la Inmovilización de M. kaoliang

0123456789

10

0 20 40 60 80 100 120 140

horas

cicl

ohex

anol

[ m

M ]

Libre agar 2,5% agar 3,75% espuma poliuretano

La inmovilización con Resina Lewatit y Poliacrilamida fue deficiente.

Page 24: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

Tind Xmax Tmax W cat Prod. x 102

h % h g mM / (h-1. g cat)

Libre 0 90 22 6,89 5,90

Agar A27/03 2,5 % 2 84 113 64,09 0,12

Agar A27/03 3,75 % 4 79 93 63,24 0,13

Espuma glu (0,5 %) 0 94 21 23,86 1,90

Microfotografías de M. kaoliang inmovilizado en espumas

Influencia del Proceso de Inmovilización de M. kaoliang

Page 25: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

Difusión Ciclohexanona en Pterocladia 3,75 %

0123456789

10

0 20 40 60 80 100 120 140

t ( min )C

once

ntra

ción

mM

Difusión Ciclohexanona en Pterocladia 2,5 %

0123456789

10

0 20 40 60 80 100 120 140

t ( min )

Conc

entra

ción

mM

Difusión de Ciclohexanona en Espumas de poliuretano

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

0 20 40 60 80 100 120

min

Con

cent

raci

ón m

M

kssustrato Soportecm / min

agar 3,75% 0,01395ciclohexanona agar 2,5% 0,01915

Espuma 0,03444agar 3,75% 0,00998

ciclohexanol agar 2,5% 0,01888Espuma 0,03372

Ensayos de Difusión

Page 26: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

Reutilizaciones de D. grovesii en diferentes soportes

0102030405060708090

100

1º 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º 10º

11º

12º

13º

14º

15º

16º

17º

18º

19º

20º

21º

ciclos

conv

ersi

on a

cic

lohe

xano

l (%

)

agar 2,5% agar 3,75% espuma de poliuretano

Page 27: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

Reutilizaciones de M. kaoliang inmovilizada en espumas con diferentes cosustratos

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1º 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º 10º 11º 12º 13º 14º 15º 16º 17º

ciclos

conv

ersi

ón e

n ci

cloh

exan

ol (

% )

Espuma (glu- 0,5%) Espuma (sac- 0,5%) Espuma (isop-0,5%)

Page 28: Inmovilización de células Dr. J.V. Sinisterra Grupo de …webs.ucm.es/info/btg/personales/jvsgago/incel.pdf · 2008-02-19 · de sulfatos y que en el caso del agar es imprescindible

Desactivación con isopropanol 1%

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

horas

a / a

o

Desactivación con glucosa 1%

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0 500 1000 1500 2000 2500

horas

a / a

o

Desactivación de Biocatalizadores de células enteras

Desmoronamiento de la red que forma el hongo dentro de la espuma