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