Design and engineering of artificial metabolic cells for chemical manufacturing

Resumen

La biocatálisis industrial ha demostrado ser una alternativa más económica y limpia a la síntesis químicatradicional. Sin embargo, la baja estabilidad de las enzimas, el insuficiente reciclaje de moléculas y laslimitaciones de transferencia de masas aún dificultan su progreso. Para solucionar estos problemas, lapresente tesis doctoral propone un enfoque a micro-escala y un diseño racional de los biocatalizadoresheterogéneos. Para ello, se han ensamblado sistemas moleculares en materiales artificiales mimetizandola compartimentalización de las rutas metabólicas que existe de forma natural en el interior de las células.La estructura resultante es un biomaterial llamado célula metabólica artificial. La integración de todas lasmoléculas (enzimas y cofactores) en la fase sólida permite su reuso y reciclaje. Este sistema se haexpandido a la co-inmovilización de diferentes enzimas (alcohol deshidrogenasas, ketoreductasas,oxidasas y transaminasas) con sus respectivos cofactores (NAD(P)H, NAD+, FAD+, PLP), demostrandoel amplio rango de aplicación de esta estrategia. De forma paralela, se han desarrollado varias técnicas demejora de los biocatalizadores heterogéneos. En primer lugar, se ha desarrollado una estrategia debiología sintética para acelerar la optimización de la inmovilización de enzimas. En segundo lugar, se hautilizado la microscopía de fluorescencia para analizar estos biocatalizadores a nivel de una sola partículacon resolución espacio-temporal. Finalmente, estos biocatalizadores heterogéneos autosuficientes fueronincorporados a reactores de flujo continuo para la síntesis de aminas y alcoholes quirales.