Desarrollo y aplicación de métodos quimiométricos multidimensionales al estudio de sistemas enzimáticos

Abstract

El objetivo de la tesis doctoral es la aplicación de metodologías quimiométricas multidimensionales al análisis de reacciones enzimáticas. Las reacciones enzimáticas estudiadas tienen aplicación en los campos del análisis químico en matrices biológicas y en los procesos de fermentación a escala industrial. En concreto:<br/>1) Estudio del mecanismo de reacción en matrices biológicas y cálculo de las constantes enzimáticas en reacciones complejas. Se estudia la catálisis de mezclas de hipoxantina, xantina y ácido úrico con xantina oxidasa; en un medio controlado y en orina humana. Además, se determina cuantitativamente los analitos anteriormente mencionados en orina humana. Los perfiles cinéticos se registraron usando un espectrofotómetro Ultravioleta-Visible equipado con un detector de diodos. A este espectrofotómetro se acopló un sistema de flujo interrumpido stopped-flow. Para mantener la temperatura constante se usó un módulo "Peltier".<br/>2) Establecimiento de una metodología para el control en tiempo real de bioprocesos. El sistema estudiado es la producción de enzimas lipasas por el microorganismo Pichia pastoris. Las medidas de fluorescencia se realizaron con un sensor de fluorescencia multidimensional conectado al bioreactor a través de una ventana de cuarzo.<br/>3) Un objetivo no relacionado con la monitorización de reacciones enzimáticas, es el desarrollo de una práctica de laboratorio dirigida a estudiantes de cursos superiores de la licenciatura de Ciencias Químicas para la introducción a los métodos de resolución de curvas y a la quimiometría en general.<br/>Se han obtenido las siguientes conclusiones generales:<br/>1) La introducción de la restricción del modelo cinético del sistema estudiado en el algoritmo MCR-ALS ha dado lugar a una nueva metodología de trabajo, denominada HS-MCR-ALS. Su aplicación al sistema cinético enzimático ha hecho posible:<br/>· El estudio del sistema enzimático en presencia de interferentes espectrales.<br/>· La elucidación del modelo cinético, ya que el anteriormente descrito en la bibliografía no contemplaba la degradación del ácido úrico.<br/>· La determinación de las constantes cinéticas del modelo postulado, tanto en un medio tamponado de composición conocida como en orina.<br/>2) Se han aplicado y comparado diferentes métodos, bi o tridimensionales, de análisis multivariable cuantitativo para la determinación de xantina, hipoxantina y ácido úrico en mezclas sintéticas y en orina humana dopada. Los resultados obtenidos en la aplicación cuantitativa del HS-MCR-ALS son comparables a los resultados obtenidos mediante otros algoritmos tridimensionales, 3W-PLS1 y 3W-PLS2, y a los algoritmos bidimensionales clásicos, PLS1 y PLS2, con una mínima cantidad de muestras patrón.<br/>3) Se ha establecido una nueva metodología de trabajo para el control en tiempo real de procesos monitorizados por fluorescencia. Se basa en el seguimiento no invasivo de la reacción mediante una sonda de fluorescencia multidimensional y en el tratamiento de la señal registrada mediante el algoritmo PARAFAC. A partir del modelo PARAFAC, aplicado a bioprocesos desarrollados en condiciones normales, se obtiene una estimación de los perfiles espectrales de los fluoróforos y de la evolución de su señal. El análisis de residuales de este modelo permite establecer límites de control (criterio Q). A partir de esa información, se monitorizó y controló en tiempo real un nuevo lote del bioproceso, siendo posible determinar el punto final de la producción de lipasas y metabolización total de sustrato sin necesidad de medidas off-line de los analitos de interés.<br/>4) Se ha estudiado la evolución espectrofotométrica del ácido 8-hidroxiquinolina-5-sulfónico con el pH como una práctica de laboratorio para la introducción del algoritmo MCR-ALS a estudiantes de cursos superiores de la licenciatura de Químicas. Esta práctica contiene instrucciones de cómo utilizar los datos obtenidos en la valoración para poder aplicar MCR-ALS de una manera sencilla y didáctica.

The main objective of this dissertation is the application of multidimensional chemometric methodologies to the kinetic analysis of enzymatic reactions. These enzymatic reactions have importance in analytical chemistry and in fermentation processes at industrial scale. This principal objective may be split into several partial objectives:<br/>1) The study of reactions related with the catalysis of mixtures of hypoxanthine, xanthine and uric acid with xanthine oxidase with the aim of studying the reaction mechanism in biological matrices and to calculate the enzymatic constants in complex reactions. In addition, the influence of the reaction media in the enzymatic mechanism will be studied in a controlled media and in human urine. Another objective is the quantitative determination of the above mentioned analytes in urine samples by means of their catalytic reaction with xanthine oxidase. In this work different algorithms will be applied and their advantages and disadvantages will be compared.<br/>2) Establishment of a methodology for the real time control of fermentation processes. In this sense, multidimensional tensor models will be applied to multidimensional spectrofluorimetry. The studied system will be the production of enzymes lipases throughout the microorganism Pichia pastoris.<br/>3) Another objective linked to this thesis is the divulgation of curve resolution methods. As an example of their use, a laboratory experiment directed to students of the last courses of Chemistry Degree is presented. Multivariate curve resolution with alternating least squares (MCR-ALS) will be applied to the spectrophotometric titration of 8-hydroxyquinoline-5-sulfonic acid and the evolution of the system will be discussed.<br/>The following conclusions have been obtained:<br/>1) The introduction in the algorithm of a restriction related with the kinetic model of the system gives raise to a new method, combining hard-modelling and soft-modelling in the HS-MCR-ALS algorithm. The following results have been obtained:<br/>· The study of the enzymatic mechanism in presence of a spectral interference.<br/>· The correct elucidation of the kinetic model.<br/>· The determination of the enzymatic constants of the proposed kinetic model in presence and absence of the interference of urine.<br/>2) Several methods have been applied to the quantitation of hypoxanthine, xanthine and uric acid in synthetic samples and urine and their results compared. The obtained results with HS-MCR-ALS were compared with those obtained by other three-way methodologies (3W-PLS1 and 3W-PLS2) and by the classical two-way methodologies (PLS1 and PLS2). The HS-MCR-ALS algorithm shows clear advantages, such as the small amount of standards needed (one or two standard samples are enough) and the fact that they can be prepared in aqueous solution, with no need to know or include the interferences present in the samples. Furthermore, the kinetic profiles and the spectra of the compounds involved are obtained. <br/>3) A new working methodology applied to the control and fault diagnosis of fermentation processes in real time is presented. Multidimensional fluorescence collects a great amount of information in a short period of time, so the variability related with the fluorophores is recorded. From the PARAFAC model, built with bioprocesses in normal operating conditions, an estimation of the spectral profiles of the fluorophores and the evolution of their signal is obtained. Residual analysis of the model allows establishing control limits (using Q criterion). From this information, a new batch of the culture was monitored in real-time without needing reference off-line measurements.<br/>4) A laboratory experiment has been proposed to introduce the algorithm MCR-ALS to the upper-level students of the Chemistry Degree. The experiment includes a laboratory session were the spectrophotometric evolution of 8-hydroxyquinolin-5-sulfonic acid with pH is recorded, and other session were the students apply the MCR-ALS algorithm to the recorded data. This experiment contains instructions in how to use the obtained data using MCR-ALS in a simple and didactic manner.