Post on 18-Oct-2018
BIOENGINYERIA IQS
Dr. Antoni PlanasDirector del Departament de Bioenginyeria
Biociències i biotecnologia a IQS
1908 – 1966 Institut Biològic de l’Ebre- 1916, trasllat a Sarrià (amb IQS)- embriologia, citologia, histologia. Dr. J.Pujiula- 1934: fermentacions industrials
1988 – 2007 Laboratoris BIO a IQS- 1988, Lab. Biotecnologia, Dept. Enginyeria Química- 1993, Lab. Bioquímica, Dept. Química Orgànica- 1999, Lab. Microbiologia, Dept. Química Analítica
2007- Departament Bioenginyeria- Edifici Bioenginyeria- 5 laboratoris de recerca
Dept.BIOENGINYERIA
DocenciaMàster en Bioenginyeria
Doctorat en BioenginyeriaGrau en Biotecnologia
Recerca en Biociències
Transferència detecnologia
DEPARTAMENT DE BIOENGINYERIA
Laboratoris:
Bioquímica
Bioprocessos
Microbiologia
Biomaterials
Enginyeria teixits
DEPARTAMENT DE BIOENGINYERIA
Què aportem i volem aportar a la indústria.
Sector d’activitat: biotecnologia industrial i biomedicina
Formació de professionals: Grau en biotecnologia (inici curs 2013-14)Postgrau: Màster i Doctorat en Bioenginyeria (des d e 2008)
Recerca contractada / Transferència de tecnologia
Formació de professionals
Graduats en Biotecnologia: - formació aplicada, habilitats experimentals, emprenedoria i gestió
- perfil: biotecnologia industrial / biotecnologia per a la salut
- 4 anys, 50% laboratoris pràctiques, pràctiques en empresa obligatòries
- participació de la indústria en el perfil formatiu. Borsa de treball
Màster en Bioenginyeria (des de 2008): - formació en I+D, excel·lència en l’ús d’eines biotecnològiques, tesi de màster
Doctorat en Bioenginyeria (des de 2008): - 24 doctorands. Mobilitat a l’extranger. Projectes competitius.
Recerca contractada / Transferència de tecnologia
• 2 models:
- projectes contractats per la indústria (serveis, recerca i desenvolupament)
- col·laboració per a la transferència de projectes propis(tesis doctorals, projectes conjunts)
• Principals camps d’activitat en Biotecnologia
- Plataforma de biocatàlisi: screening i desenvolupament de biocatalitzadors
- Biotecnologia amb microorganismesproducció metabòlits / revalorització subproductes
- Desenvolupament de biomaterials
3 EXEMPLES DE PROJECTES DE BIOCATÀLISI
1. GLYCOSYNTHASE technology: Artificial functional polysaccharides as biomateria ls
2. Biotechnological production of polyunsaturated fatt y acids
3. Biocatalysis platform: Biocatalyst screening and de velopment
FINE CHEMICALS FOOD CHEMISTRY ENVIRONMENT
1) GLYCOSYNTHASE technology: Artificial functional polysaccharides as biomateria ls
Chemical synthesis of oligosaccharides and polysach arides
Long synthetic schemes requiring protection/deprote ction steps
Enzymatic synthesis: regio- and stereo- selective
Glycosidases hydrolytic enzymes
Glycosynthases ENGINEERED glycosidases for glycoside bond formation
F
OR1
OHHO
OHR2 OH
OH
HO OHO O
R
OR1
OHHO
OHR2
O
OH
HOOH
OO
R+
R1= OH, R2= HR1= H, R2= OH
mutant
GLYCOSIDASES vs. GLYCOSYNTHASES
OHO
OHO
OHOHO
OH
OH
OO
OHO
OHHO
OHOHO
OH
OH
OOOH +wild type
F
CH3
OH
HOOH
HO O
F
O O O O
OH
HOOH
HO O
FCH3
O
OH
HOOH
O O
R
HO
OH
HOOH
HO O
R
O
OHHO
OH
O
nucleophile-less mutant
R-OH
-mutant lacking the catalytic nucleophile no hydrolase activityGlu →→→→ Ala, Ser, Gly
- αααα-glycosyl donor mimics the glycosyl-enzyme intermediate
nucleophile mutant
C. Malet and A. Planas,FEBS Letters 440 , 208-212, (1998)
Mackenzie, LF.; Wang, .; Warren, RAJ.; Withers, SG J. Am. Chem. Soc . 120, 5583-5584.(1998)
THE GLYCOSYNTHASE CONCEPT
n
OH
OH
HO OHO
OHO
OHO
OH
O
OH
HOOH
OO OH
O
OH
OH
HO
OH
OH
HO OHO
F
OHO
OHO
OH
OO
OHO
OHO O
O
R2OOH
O O
OH
HOOH
O
O
HOOH
O
OHO
HO
HO
OOH
OH
OH OHO
HO
HO
OH
n
OO
OHO
OHO O
O
R2OOH
O O
OH
HOOH
O
O
HOOH
OHO
HO
HO
O
OHOH
OH O
HOHO
HO
OH
A134
D136
E138
E134A
Biomaterials: Polysaccharide microstructures
glycosynthase
Plant cell wall biosynthesis. Xyloglucan oligosacch arides
Glycosynthase mechanism One-pot oligosaccharide enzymatic synthesis
3
OOH
HO
OOH
OH
OHHO
OTHPO HO
OHO
OHO
O
OHHO
OOH
F
4
E197A Cel7B
6
HO
OHO
OHO
HO
OHHO
OOH
F
OOH
HO
OOH F
OH
OHHO
Ooo
5 6 7 8 9pH
40
60
80
100
k cat/K
M (
%)
pKa1= 5.2
pKa2= 7.8
KineticsMolecular modellingSpecificity
39
36
44
22
34
49
49
08
29
62
53
95
24
76
58
81
19
89
63
67
68
53
73
39
15
02
78
25
83
11
87
97
92
81
10
75
8
97
70
10
25
4
XPJ247\0_F4\1\1SRef
0.0
0.5
1.0
1.5
4x10
Inte
ns.
[a.u
.]
2000 4000 6000 8000 10000
m/z
Malet, Planas FEBS Lett. 440, 208 (1998) Faijes, Pérez, Pérez, Planas, Biochemistry 42, 13304 (2003)
Faijes, Fairweather, Driguez, Planas, Chem.Eur.J. 7, 4651 (2001)
Fairweather, Faijes,Driguez, PlanasChemBioChem 3, 866 (2002)
Saura, Fauré, Piens, Brumer, Teeri, Cottaz, Driguez, Planas, Biochem. J. 395, 99 (2006)Fauré, Saura, Brumer, Planas, Cottaz, Driguez J. Org. Chem. 71, 5151(2006)Saura, Fauré, Brumer, Teeri, Cottaz, Driguez, Planas J. Biol. Chem. 283 , 21853 (2008)
Faijes, Imai, Bulone, Planas, Biochem.J. 380, 635 (2004)Pérez,Faijes, Planas, Biomacromolecules , 2011
Enzyme immobilization
E134A 1,3-1,4-ββββ-glucanase
5
OMeO
OHHO
OOH
HO
OH
OHHO
O
O
OR2R2O
OOR2
OR2
OR2
R2OO
R1
OMeO
OR2R2O
OOR2
O
OR2
OR2
R2OO
R2O
OR2
O
OR2O
O
OR2R2O
OOR2
GalααααF + Glcββββ3Glc
Galββββ4Glc ββββ3Glc
Faijes, Saura, Pérez, Conti, PlanasCarbohydr. Res . 341, 2055 (2006)
3
OOH
HO
OOH
OH
OHHO
OTHPO HO
OHO
OHO
O
OHHO
OOH
F
4
E197A Cel7B
6
HO
OHO
OHO
HO
OHHO
OOH
F
OOH
HO
OOH F
OH
OHHO
Ooo
MeONa/MeOHAc2O/py
HCl 1M 7 R1= THPO; R2= H
2 R1= OH; R2= H
8 R1= OAc; R2= Ac
E134A 1,3-1,4-ββββ-glucanase
5
OMeO
OHHO
OOH
HO
OH
OHHO
O
O
OR2R2O
OOR2
OR2
OR2R2O
OR1
OMeO
OR2R2O
OOR2
O
OR2
OR2
R2OO
R2O
OR2
O
OR2O
O
OR2R2O
OOR2
One- pot reactionby sequential addition of enzymesand acceptors
Overall yield: 80%
Chem.Eur.J. 7, 4651 (2001)
Tandem glycosynthases: one-pot synthesis
HEXASACCHARIDE36 steps by chemical synthesis
Artificial polysaccharides by glycosynthase-catalyzed polymerization
DIRECTED EVOLUTION of glycosynthases: Screening assay (patented)
Expression library
Growth & induction
Cell lysis
Glycosynthase reaction
Glycosyl fluoride
Fluoride sensor assay
MUTBS, 10%DMF
Fluorescence read outλex 365 nm; λem 460 nm
Saturation mutagenesis
Output: fluorescence → [fluoride ]
Engineer new specificities
Fluoride sensor
2) BIOTECHNOLOGICAL PRODUCTION OF POLYUNSATURATED FATTY ACIDS
7 % DHA
PUFAs as nutraceuticals
- Current sources: fish oil (95% market)
persistent pollutants / low DHA yield
photosynthetic microalgae (5% market)
- Our approach:production by heterotrophic MICROALGAE
BIOTECHNOLOGICAL PRODUCTION OF POLYUNSATURATED FATTY ACIDS
Crude glycerol
Thraustochytriaceae
A. limacinum
Docosahexaenoic
acid
(nutraceutics)
European Biodiesel BoardAbad 2011
Nevado et al. 2010
BIOTECHNOLOGICAL PRODUCTION OF POLYUNSATURATED FATTY ACIDS
Aurantiochytrium limacinum fermentation
- Biology of the microorganism:identify productive phase
- Growth medium optimization- DHA production optimization
- Microalgae growth kinetics
BIOTECHNOLOGICAL PRODUCTION OF POLYUNSATURATED FATTY ACIDS
Microorganisme Tipus de
cultiu
Productivitat
de DHA (mg
DHA/l-h)
Productivitat
de biomassa
(mg DCW/l-h)
Yp/x
Calculat
(mg/mg)
Referència Font de
Carboni
A. limacinum
SR21 Batch 129.2 500 0.26
Yaguchi et al 1997 Glucosa
S. limacinum
ATCC MYA-1381 Batch 154.2 625 0.25
Rosa et al 2010 Glucosa
A. limacinum
SR21 Batch 116.7 479 0.24
Perveen et al 2006 Glucosa
A. limacinum
mh0186 Batch 166.7 362 0.46
Nagano et al. 2009 Glucosa
A. limacinum
SR21 Erlenmeyer 34.6 292 0.12
Yokochi et al 1998
Glicerol
Pur
Aurantiochytrium
sp.T66 Fed-Batch 93.0 563 0.17
Jackobsen et al 2008
Glicerol
Pur
A. limacinum
SR21 Cont 21.8 145 0.15
Ethier et al 2011
Glicerol
de rebuig
A. limacinum
SR21 Batch 23.3 132 0.18 Chi et al 2009
Glicerol
de rebuig
A. limacinum
SR21 Fed-Batch 21.3 128 0.17 Chi et al 2007
Glicerol
de rebuig
A. limacinum
ATCC MYA-1381 Erlenmeyer 18.8 169 0.11
Pyle et al 2008
Glicerol
de rebuig
A. limacinum
ATCC MYA-1381 Batch 27.2 200 0.14
TFC Medi Estàndard
Glicerol
de rebuig
A. limacinum
ATCC MYA-1381 Batch 56.3 268 0.21
TFC Medi Optimitzat
Glicerol
de rebuig
A. limacinum
ATCC MYA-1381 Cont 39.7 309 0.13
TFC Medi Optimitzat
Glicerol
de rebuig
3) BIOCATALYSIS PLATFORM: Biocatalyst screening and development
By RequestActivity:DesaturasesHalogenases
BIOCATALYSIS TRANSFORMATIONS
Small moleculesHydrophobic & HydrophilicPro-chiral ketones
Small molecules Hydrophobic & HydrophilicPro-chiral ketones
Small moleculesHydrophobic & HydrophilicC-C bond formationPro-chiral ketones
Small moleculesHydrophobic
Glucose/formate/IPA as co-substrate
Middle moleculesMainly hydrophobic
Small molecules & polysaccharidesMainly hydrophilic
BIOCATALYSIS &
BIOTRANSFORMATION
PLATFORM
BBP
O
OH
HOHO
OH OH
R-OH O
OH
HOHO
OH OR
Transglycosidases/Glycosidases
BIOENGINYERIA IQS
Maig 2013
5è aniversari Departament Bioenginyeria