INTERfaces: Heterogeneous biocatalytic reaction sequences training network

Gli attuali processi per la produzione di sostanze chimiche richiedono un'intensa attività di isolamento e purificazione dei prodotti intermedi che richiede tempo, energia e spazio, con una notevole produzione di rifiuti. È necessario creare processi più puliti integrando le fasi di produzione nel rispetto dei criteri di sostenibilità. La natura utilizza una strategia sintetica elegante ed efficiente: Accoppiare gli enzimi in percorsi multi-step senza fasi intermedie di isolamento e purificazione con un preciso controllo spaziale della catalisi. La cellula è forse l'organizzazione multicompartimentale più importante, ma una miriade di altri sistemi come la compartimentazione in organelli o microcompartimenti, l'ancoraggio o l'assemblaggio di complessi multi-enzimatici su membrane biologiche o sintetiche e l'assemblaggio di mega-complessi enzimatici facilitano il controllo di complesse cascate di reazioni multi-catalitiche. La compartimentazione dei percorsi enzimatici consente di sopprimere le reazioni collaterali, di attenuare l'effetto delle specie reattive (ad esempio nella fotosintesi) e di evitare l'inibizione. Le reazioni a più fasi in sistemi privi di cellule sono meno complesse e più facili da manipolare, e quindi sono spesso l'opzione preferita rispetto agli approcci basati sulle cellule. La biocatalisi in vitro utilizza spesso l'immobilizzazione, soprattutto per facilitare l'elaborazione a valle e consentire il riutilizzo dei catalizzatori.La complessità delle cascate che utilizzano enzimi diversi con condizioni ottimali diverse, tuttavia, rende molto difficile l'immobilizzazione efficiente di vie enzimatiche artificiali.Tuttavia, se le condizioni ottimali non sono significativamente divergenti, la co-localizzazione degli enzimi fornirebbe substrati/prodotti tra ogni fase di reazione catalitica in modo efficiente grazie alla vicinanza spaziale. INTERfaces mira alla progettazione e all'implementazione tecnica di cascate (chemio)enzimatiche eterogenee.Con lo sviluppo di processi per la produzione di nuovi polimeri da molecole a base biologica, la rete esplora metodi per dirigere cascate senza cellule ad alta produttività per una produzione sostenibile.Per raggiungere questo obiettivo, faremo leva su competenze avanzate e complementari in scienza dei materiali, chimica delle superfici, ingegneria delle proteine, (bio)catalisi e ingegneria dei processi (Figura 1). L'attenzione si concentra sulla progettazione e sulla combinazione di (bio)catalizzatori eterogenei multifunzionali, migliorandone la robustezza, l'orientamento spaziale e soddisfacendo i requisiti di processo per i prodotti a valore aggiunto, ad esempio prodotti chimici fini, farmaceutici e sfusi. Reazioni biocatalitiche efficienti in vitro richiedono biocatalizzatori robusti, resistenti a condizioni di processo spesso severe e riciclabili in modo efficiente. Per la produzione di prodotti di base da più tonnellate, il tempo di funzionamento di un catalizzatore deve essere estremamente elevato per ridurre al minimo l'impatto sui costi.Pertanto, i piccoli miglioramenti ottenuti in questi processi producono significativi ritorni economici. Sebbene l'immobilizzazione di singoli catalizzatori sia stata sviluppata con successo per anni, l'assemblaggio di una reazione a cascata su materiali solidi deve affrontare l'immensa complessità delle cascate di reazioni.Nonostante alcuni incoraggianti esempi accademici, lo sviluppo e la messa in scala di cascate biocatalitiche eterogenee non possono basarsi su procedure consolidate, e questa lacuna deve essere colmata per un'ampia implementazione del concetto. INTERfaces formerà 14 ESR nello sviluppo di reazioni eterogenee (chemio)-enzimatiche multi-step con gli enzimi ottimizzati, le disposizioni spaziali, la robustezza e la produttività richieste. Per raggiungere questo obiettivo, riuniamo un consorzio interdisciplinare di grande esperienza per realizzare il primo esempio di “cascate di reazioni biocatalitiche eterogenee” altamente integrate e focalizzate su obiettivi chimici comuni: la trasformazione di blocchi di costruzione biobased selezionati in prodotti attraverso vie sintetiche artificiali. L'acido ferulico e i derivati dell'idrossistirene (HS) e l'idrossimetilfurfurale (HMF) sono i substrati modello a base biologica e altamente funzionalizzati (Figura 1) che saranno valorizzati in condizioni industrialmente rilevanti con l'aiuto della scienza dei materiali, dell'ingegneria delle proteine, della biocatalisi e dell'ingegneria di processo.La forte collaborazione tra le imprese biotecnologiche di ricerca e il settore accademico fornisce un ambiente intersettoriale stimolante per convertire le invenzioni in innovazioni.I 14 ESR saranno formati per diventare i “Leader del cambiamento” che creeranno un cambiamento radicale nella società verso gli obiettivi di sostenibilità e l'equilibrio di genere.

Current processes for the production of chemicals require material, energy, time and space-intensive isolation and purification of the intermediates, which cause significant waste generation . Cleaner processes must be established by integrating production steps in compliance with sustainability criteria . Nature uses an elegant and efficient synthetic strategy: Coupling enzymes in multi-step pathways without intermediate isolation and purification steps with a precise spatial control of catalysis. The cell is perhaps the most prominent multicompartmentalized organization, but a myriad of other systems like compartmentalization in organelles or micro-compartments, anchoring or assembling of multi-enzyme complexes at biological or synthetic membranes, and the assembly of mega-enzyme complexes facilitate the control of complex multi-catalytic reaction cascades. Compartmentalization of enzyme pathways allows to suppress side-reactions, alleviate the effect of reactive species (e.g. in photosynthesis) and avoid inhibition. Multi-step reactions in cell-free systems are less complex and easier to manipulate , and therefore they are often the preferred option over cell-based approaches. Biocatalysis in vitro often uses immobilization, mainly to facilitate down-stream processing and to allow the re-use of catalysts. The complexity of cascades using different enzymes with different optimal conditions, however, makes an efficient immobilization of artificial enzymatic pathways very challenging. However, if the optimal conditions are not significantly divergent, co-localization of enzymes would provide substrates/products between each catalytic reaction step efficiently due to the spatial proximity. INTERfaces aims at the design and technical implementation of heterogeneous (chemo)enzymatic cascades. With the development of processes for the production of novel polymers from bio-based molecules, the network explores methods to steer cell-free cascades with high productivity for sustainable manufacture. To meet this aim, we will leverage on advanced complementary expertise in material science, surface chemistry, protein engineering, (bio)catalysis and process engineering (Figure 1). Focus lies on designing and combining multi-functional heterogeneous (bio)catalysts while improving their robustness, spatial orientation, and meeting the process requirements for the value-added products e.g. fine-, pharma- and bulk chemicals. Efficient in vitro biocatalytic reactions require robust biocatalysts that are resistant to often severe process conditions and can be efficiently recycled. For multi-ton manufacturing of commodities, the operational time of a catalyst must be extremely high to minimize the cost impact. Hence, small improvements achieved in these processes yield significant economic returns. Although the immobilization of single catalysts has been successfully developed for years, the assembly of a cascade reaction on solid materials has to face the immense complexity of reaction cascades. Despite a few encouraging academic examples, development and up-scale of heterogeneous biocatalytic cascades cannot rely on established procedures, and that gap must be filled to a wide implementation of the concept. INTERfaces will train 14 ESRs in the development of heterogeneous (chemo)-enzymatic multi-step reactions with the required optimized enzymes, spatial arrangements, robustness and productivities. To achieve this goal, we bring together a highly experienced and interdisciplinary consortium to implement the first example of highly integrated “Heterogeneous Biocatalytic Reaction Cascades” focused on common chemical objectives: the transformation of selected bio-based building blocks to products through artificial synthetic routes. Ferulic acid and hydroxystyrene (HS) derivatives, and hydroxymethylfurfural (HMF) are the bio-based, highly functionalized model substrates (Figure 1) that will be valorized under industrially relevant conditions with the aid of material science, protein engineering, biocatalysis, and process engineering. The strong collaboration between researching biotech enterprises and academic sector provides a stimulating intersectoral environment to convert inventions into innovations. The 14 ESRs will be trained to be the “Leaders of Change” who will create a ground-breaking shift in society towards sustainability goals and gender balance