Materiały konferencyjne - bioorg

Transkrypt

BioOrg
I Wielkopolskie Sympozjum
Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów
05.12.2015
Wydział Technologii Chemicznej
Politechnika Poznańska
Materiały konferencyjne
Poznań 2015
BioOrg 2015
I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów
Poznań, 5 grudnia 2015 r.
Recenzenci:
prof. dr hab. inż. Teofil Jesionowski
dr hab. inż. Ewa Kaczorek
dr hab. inż. Karolina Wieszczycka
dr hab. inż. Agnieszka Zgoła-Grześkowiak
Redakcja techniczna i skład:
mgr inż. Wojciech Smułek
ISBN 978-83-916087-1-5
2
BioOrg 2015
Patronat honorowy
3
BioOrg 2015
Spis treści
Sekcja Biomateriały................................................................................................................................8
Komunikaty.......................................................................................................................................13
Postery ..............................................................................................................................................27
Sekcja Chemii Bioorganicznej.............................................................................................................117
Komunikaty ....................................................................................................................................118
Postery ............................................................................................................................................144
Sekcja Chemii Organicznej..................................................................................................................292
Komunikaty .....................................................................................................................................295
Postery .............................................................................................................................................313
4
BioOrg 2015
WYKŁAD PLENARNY
NIESTEROIDOWE LEKI PRZECIWZAPALNE - BIOAKTYWNE
ZANIECZYSZCZENIA ORGANICZNE
Danuta Wojcieszyńska
Katedra Biochemii, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Śląski w Katowicach,
ul. Jagiellońska 28; 40-032 Katowice
e-mail: [email protected]
W latach 90 XX wieku, rozpoczęły się badania monitorujące zawartość farmaceutyków w
wodach powierzchniowych i ściekach [1]. Pionierem tych badań był Ternes, który w roku 1998
opublikował pracę, w której wykazał obecność 32 leków i ich metabolitów w niemieckich rzekach i
strumieniach [2]. Obecnie w wielu ośrodkach naukowych prowadzi się monitoring stanu wód pod kątem
obecności farmaceutyków, zarówno w wodach powierzchniowych jak również w odpływach z
oczyszczalni ścieków. Wykazano, że zawartość leków w ściekach, zarówno surowych jaki i
oczyszczonych, waha się w zakresie od ng/dm3 do kilkuset μg/dm3 [3]. Ze względu na powszechność
stosowania dużą grupę farmaceutyków identyfikowaną w wodach i ściekach stanowią niesteroidowe leki
przeciwzapalne (NLPZ), w tym sprzedawane bez recepty: kwas acetylosalicylowy, paracetamol,
ibuprofen, naproksen czy diklofenak. Głównym źródłem zanieczyszczeń środowiska tymi lekami są
gospodarstwa domowe, szpitale, jednostki diagnostyczne, zakłady farmaceutyczne, czy farmy zwierząt
hodowlanych [4]. Problem zanieczyszczenia środowiska niesteroidowymi lekami przeciwzapalnymi
narasta ze względu na wzrastającą konsumpcję tych bioaktywnych substancji.
Niesteroidowe leki przeciwzapalne są bardzo zróżnicowane pod względem chemicznym. Do
najpopularniejszych zalicza się pochodne kwasu salicylowego, pochodne pirazolonu (fenazon,
propyfenazon), para-aminofenonu (fenacetyna, paracetamol), kwasu fenylooctowego (diklofenak) i
propionowego (ibuprofen, ketoprofen, naproksen) [1].
Mechanizm działania niesteroidowych leków przeciwzapalnych związany jest z ich hamującym
wpływem na cyklooksygenazę, enzym odpowiedzialny za utlenianie naturalnych lipidów wchodzących w
skład błon komórkowych do tzw. cyklicznych nadtlenków, które z kolei ulegają dalszym przemianom,
dając trzy grupy aktywnych związków: prostaglandyny, prostacykliny i tromboksan [1,5].
Stosowane farmaceutyki ulegają w organizmie tzw. przemianom I i II fazy biotransformacji, a
następnie są wydalane z organizmu w postaci macierzystej lub powstałych metabolitów. W fazie I
najczęściej zachodzą: utlenienie, redukcja lub hydroliza w wyniku czego powstają związki bardziej
hydrofilne z grupami aktywnymi, do których mogą się przyłączać w fazie II (tzw. fazie sprzęgania) kwas
5
BioOrg 2015
glukuronowy, siarczany lub aminokwasy.
W wyniku tych przemian często dochodzi do zmian
fizykochemicznych właściwości leku, co wpływa na losy tych związków w środowisku [1, 6].
Wykazano, że niesteroidowe leki przeciwzapalne jako substancje biologicznie czynne mogą
wywierać negatywny wpływ na organizmy wodne. Stwierdzono, iż nawet uznawany za bezpieczny
i szybko rozkładany kwas acetylosalicylowy może zaburzać procesy rozrodcze rozwielitki i wioślarki.
Zaobserwowano, że najbardziej toksyczny spośród tej grupy leków - diklofenak może wywoływać ostrą
hepatotoksyczność, zmiany patologiczne w nerkach i skrzelach organizmów wodnych [7].
Ze względu na obserwowaną toksyczność na organizmy żywe niesteroidowych leków
przeciwzapalnych obecnych w środowisku w niskich stężeniach, coraz więcej uwagi poświęca się
metodom rozkładu tych związków. Metodami pozwalającymi na trwałe usuwanie NLPZ są procesy
fotokatalitycznego utleniania (fotodegradacji), chlorynacji, chloraminacji i ozonowania [8]. W większości
mechanizm tych procesów jest wolnorodnikowy i polega na generowaniu wysoce reaktywnych
i jednocześnie mało selektywnych rodników hydroksylowych (HO•). Jako katalizatory powszechnie
stosuje się TiO2, ZnO, SnO2, ZnS, CdS, z których największe zastosowanie ma TiO2. Dla zwiększenia
wydajności procesów utleniania NLPZ często dochodzi do kompilacji metod. Przykładem może być
degradacja paracetamolu w procesie ozonowania wspomaganego promieniowaniem UV. W układzie
takim obserwowano pojawianie się 2-hydroksychinonu, acetamidu, benzochinonu i kwasów
alifatycznych jako produktów rozkładu paracetamolu [1].
Ze względu na wysokie koszty i niską selektywność reakcji coraz więcej uwagi poświęca się
metodom
biologicznego oczyszczania środowisk z NLPZ. W tym celu podejmuje sie próby
pozyskiwania mikroorganizmów o zwiększonych zdolnościach degradacyjnych. Już w latach 70. XX
wieku opisano szczep Pseudomonas putida R1 zdolny do rozkładu salicylanów poprzez katechol lub
kwas gentyzynowy. Od tej pory opisano wiele szczepów, zarówno grzybów jaki i bakterii, zdolnych do
rozkładu tych związków [1]. Natomiast izolacja szczepów degradujących inne NLPZ ciągle natrafia na
duże trudności. Jest to związane z tym, iż w odróżnieniu od salicylanów, pozostałe związki nie występują
w przyrodzie.
Dotychczas opisano jedynie kilka mikroorganizmów, głównie grzybów, zdolnych do
transformacji bądź degradacji pochodnych kwasu antranilowego, heterocyklicznych i arylowych
pochodnych kwasu octowego lub kwasu propionowego oraz pochodnych kwasów enolowych [1, 9, 10].
Spośród szczepów bakterii opisano jedynie szczepy rozkładające ibuprofen (Nocardia sp. NRRL 5646,
Sphingomonas Ibu-2, Variovorax Ibu-1), paracetamol (Rhodococcus, Burkholderia sp. AK-4) oraz
naproksen (Stenotrophomonas maltophilia KB2, Planococcus sp. S5) [11-13].
Analiza z wykorzystaniem spektroskopii masowej produktów pośrednich rozkładu ibuprofenu
wykazała, że rozkład tego związku przebiega poprzez hydroksylację do pochodnych katecholu, które
następnie ulegają rozkładowi poprzez rozszczepienie meta pierścienia aromatycznego. Natomiast
6
BioOrg 2015
paracetamol najczęściej ulega mikrobiologicznemu przekształceniu do 4-aminofenolu, a następnie do
hydrochinonu, który ulega rozszczepieniu do kwasów alifatycznych [11]. Badaniami nad rozkładem
naproksenu zajął się zespół Katedry Biochemii Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.
Głównym celem badań była analiza enzymów zaangażowanych w rozkład tego związku.
Otrzymane wyniki wskazują, że kluczowym enzymem rozkładu naproksenu jest 1,2-dioksygenaza
hydroksychinonowa, a rozkład naproksenu poprzedzony jest hydroksylacją z udziałem dioksygenazy
naftalenowej i monooksygenazy fenolowej. Badania te pozwoliły na zaproponowanie szlaku degradacji
naproksenu [12, 13].
Pomimo licznych prac nad biodegradacją NLPZ, problem tych związków w środowisku nadal
jest nierozwiązany. Nie udało się pozyskać mikroorganizmów zdolnych do rozkładu tych związków
z dużą wydajnością, a wzrastająca konsumpcja tych leków przy jednocześnie braku skutecznych metod
utylizacji skutkuje pojawianiem się NLPZ w wypływach oczyszczalni i w konsekwencji w ekosystemie.
Być może rozwiązaniem byłoby zastosowanie zintegrowanych procesów chemicznego i biologicznego
utleniania, jednak możliwe będzie to dopiero po pełnym poznaniu mechanizmów zarówno biologicznego
jaki i chemicznego rozkładu NLPZ.
Projekt finansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki (2013/09/B/NZ9/00244)
Literatura:
[1] U. Guzik i wsp. (2014) Mikrobiologiczna degradacja niesteroidowych leków przeciwzapalnych, Postępy Mikrobiologii
53(1):61-69
[2] T. Ternes (1998) Occurence of drugs in German sewage treatment plants and rivers, Water Research 32:3245-3260 (1998)
[3] A. Nikolaou i wsp. (2007) Occurrence patterns of pharmaceuticals in water and wastewater environments, Analytical and
Bioanalytical Chemistry 387:1225-1234
[4] T. Kosjek i wsp. (2007) Removal of pharmaceutical residues in a pilot wastewater treatment plant, Analytical and
Bioanalytical Chemistry 387:1379-1387
[5] R. Międzybrodzki (2004) Kierunki poszukiwań i zastosowanie niesteroidowych leków przeciwzapalnych, Postępy Higieny i
Medycyny Doświadczalnej 58:438-448
[6] U. Guzik i wsp. (2013) Biotransformacja wybranych niesteroidowych leków przeciwzapalnych w środowisku,
Bromatologia i Chemia Toksykologiczna 46:105-112
[7] A. Marchlewicz i wsp. (2015) Ibuprofen w środowisku - źródła, zagrożenia, biodegradacja, Ochrona Środowiska 37:65-70
[8] A. Veach i wsp. (2012) The influence of six pharmaceuticals on freshwater sediment microbial growth incubated at
different temperatures and UV exposures, Biodegradation 23:497-507
[9] L. Lloret i wsp. (2010) Laccase-catalyzed degradation of anti-inflammatories and estrogens, Biochemical Engineering
Journal 51:124-131
[10] A.I. Rodarte-Morales i wsp. (2011) Degradation of selected pharmaceutical and personal care products (PPCPs) by
white-rot fungi, World Journal of Microbiology and Biotechnology 27:1839-1849
[11] A. Marchlewicz i wsp. (2015) Over-the-counter monocyclic non–steroidal anti–inflammatory drugs in environment sources, risks, biodegradation, Water, Air and Soil Pollution DOI 10.1007/s11270-015-2622-0
[12] D. Wojcieszyńska i wsp. (2014) Bacterial degradation of naproxen – undisclosed pollutant in the environment, Journal of
Environmental Management 145:157-161
[13] D. Domaradzka i wsp. (2015) Cometabolic degradation of naproxen by Planococcus sp.strain S5,Water, Air and Soil
Pollution 226:297, DOI 10.1007/s11270-015-2564-6
7
BioOrg 2015
BIOMATERIAŁY
8
BioOrg 2015
WYKŁAD SEKCYJNY
TWORZYWA SZTUCZNE W ŚWIETLE OCHRONY ŚRODOWISKA
Dominik Paukszta
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska
60-965 Poznań, ul. Berdychowo 4
* e-mail: [email protected]
Tworzywa sztuczne odgrywają w naszym życiu bardzo istotną rolę. Można zadać pytanie: czy
dziś możemy się obejść bez tworzyw sztucznych? W budownictwie, w motoryzacji, w opakowalnictwie,
w tekstyliach, w sportach wyczynowych, w przemyśle militarnym, w codziennym życiu? Odpowiedź jest
jednoznaczna, wyroby z tworzyw sztucznych na trwałe stały się obecne w naszym życiu.
Tworzywa w swej znacznej większości są tworzywami pochodzącymi ze źródeł nieodnawialnych
i są materiałami nie ulegającymi biodegradacji. Czy to źle, czy za wszelką cenę należy dążyć do
uzyskiwania materiałów biodegradowalnych pochodzących z odnawialnych źródeł?
Bardzo często na temat tworzyw sztucznych i ich wpływu na środowisko wypowiadają się
dziennikarze, także niektóre grupy tzw. "ekologów" mają własne zdanie na ten temat. Co gorsza, także
naukowcy reprezentujący odmienne dziedziny nauki, nie mający dostatecznej wiedzy, formułują tezy
bardzo negatywne na temat tworzyw sztucznych i nie oparte na danych naukowych. Do społeczeństwa
kierowane są kłamliwe informacje, na przykład takie jak:
•
tworzywa sztuczne są największym zagrożeniem naszego wieku;
•
grozi nam zalew tworzyw, „utoniemy” w śmieciach z plastiku;
•
PVC wycofano z opakowań produktów spożywczych z uwagi na możliwość przedostawania się
toksycznych związków do żywności;
•
plastikowe śmieci trafiają do żołądków ssaków, ptaków i ryb zbierając śmiertelne żniwo;
•
produkuje się olbrzymie ilości tworzyw sztucznych nie znając metod ich recyklingu i odzysku.
Rolą naukowców pracujących w dziedzinie tworzyw sztucznych jest wyrażanie braku zgody na takie i
podobne kłamstwa "ekowojowników".
Jednymi z "najgoręcej" podejmowanych tematów są kwestie jednorazowych worków foliowych
oraz zastosowania polimerów biodegradowalnych do produkcji opakowań. Warto zauważyć, że
największą ilość tworzyw sztucznych, bo aż 40%, zużytkowuje przemysł opakowaniowy.
Opakowania foliowe będące opakowaniami jednorazowymi, produkowane są z trzech rodzajów
materiałów: z polietylenu, z polimerów zawierających związki powodujące degradację oraz z polimerów
biodegradowalnych. Pierwszy rodzaj opakowań nadaje się do ponownego wykorzystania metodami
recyklingu materiałowego. Folie drugiego rodzaju, nazywane są oksy-degradowalnymi lub oksy-
9
BioOrg 2015
biodegradowalnymi. Są to tworzywa z dodatkami zwanymi prodegradantami, dodawanymi w celu
przyspieszenia degradacji tworzyw po ich użyciu. Prodegradanty najczęściej są solami (stearynianami,
ditiokarbaminainami) metali przejściowych zdolnych do zmiany stopnia utlenienia (Fe, Co, Mn i inne).
Torebki foliowe z tymi związkami są oznaczone d2w lub TPDA (Totally Degradable Polymers
Additives). Mankamentem tego typu tworzyw jest ich mała przydatność do dalszego przetwarzania.
Trzeci rodzaj opakowań może znaleźć specjalne zastosowanie, na przykład do produkcji worków na
odpady zielone. Takie opakowania wraz z biodegradowalną zawartością mogą zostać poddane
bezpiecznemu składowaniu i kompostowaniu.
Wśród naukowców i producentów tworzyw trwają dyskusje, czy stosowanie tworzyw
biodegradowalnych do produkcji opakowań jest właściwym rozwiązaniem. Oczywiście, nie można w
żaden sposób negować faktu, że te tworzywa stały się wręcz niezbędne w medycynie czy w wielu
zastosowaniach bioinżynierii i inżynierii materiałowej. Można się jednak zastanowić, czy powinny stać
się podstawowymi materiałami opakowaniowymi?
Tworzywa biodegradowalne stosowane w
opakowalnictwie, choćby takie jak PLA czy Mater Bi są dużo droższe od takich polimerów jak PP, PS
lub PET. Ponadto, nawet ich nieznaczna ilość przy recyklingu polimerów niebiodegradowalnych wpływa
bardzo niekorzystnie na właściwości recyklatów. Czas kompostowania tworzyw biodegradowlanych jest
znacznie dłuższy niż biodegradacja biomasy, a do ich wytwarzania używa się znacznej ilości energii,
najczęściej nie pochodzącej ze źródeł odnawialnych.
Ocenę wpływu danych wyrobów (nie tylko materiałów opakowaniowych) na środowisko
przeprowadza się poprzez sporządzenie „całkowitego cyklu życia" (z ang. Life Cycle Assessment).
Zbilansowanie kosztów ekologicznych przeprowadza się najczęściej w sześciu grupach:
- całkowity nakład energii z uwzględnieniem zapotrzebowania na ropę, wiąże się bezpośrednio z emisją
substancji szkodliwych emitowanych do powietrza podczas wytworzenia energii,
- całkowita emisja substancji szkodliwych do atmosfery,
- całkowite obciążenie chemiczne ścieków,
- całkowita ilość stałych nie utylizowanych odpadów,
- całkowite zużycie surowców (bez ropy),
- całkowite zużycie czystej wody.
Z ekobilansów jednoznacznie wynika, że tworzywa sztuczne wymagają znacznie mniejszego zużycia
energii w porównaniu z materiałami klasycznymi (oszczędność ropy), a także w nieporównanie
mniejszym stopniu zanieczyszczają powietrze i wodę.
Świadomemu podejściu do użytkowania i przetwarzania wyrobów z tworzyw sztucznych powinna
przyświecać zasada "4R". Należy zauważyć, że tym samym zasadom podlegają nie tylko wyroby z
tworzyw sztucznych, ale także wyroby z kompozytów, na przykład polimerów termoplastycznych
napełnianych materiałami lignocelulozowymi.
10
BioOrg 2015
Reduce –
REDUKUJ – oznacza oszczędność energii i zmniejszenie emisji CO2, podczas fazy
użytkowania wyrobów z tworzyw, a także ograniczanie ilości odpadów i strat, dzięki rozwiązaniom
zmniejszającym ilość zużywanego surowca i energii przy produkcji wyrobu (lżejsze butelki, cieńsze
folie) – z zachowaniem wszystkich jego założonych funkcji.
Reuse – UŻYWAJ POWTÓRNIE – liczne wyroby z tworzyw sztucznych są używane powtórnie, a nawet
wielokrotnie: butelki, torby, pojemniki.
Recycle – PODDAWAJ RECYKLINGOWI – oznacza recykling materiałowy zużytych wyrobów do
produkcji nowych wyrobów. Recykling materiałowy, w najprostszym ujęciu, polega na ponownym
przetworzeniu odzyskanych tworzyw do gotowych produktów. Nie ma tu miejsca ingerencja w budowę
chemiczną polimeru, jednakże wszelkie procesy przetwórcze są powiązane z większą lub mniejszą
degradacją tworzywa.
Recover – ODZYSKUJ – oznacza odzysk surowców oraz odzysk energii poprzez współspalanie w
instalacjach produkujących energię (ciepło lub prąd) lub poprzez produkcję paliw alternatywnych z
odpadów. Odzysk surowców polega na rozłożeniu łańcuchów polimerowych na frakcje o mniejszej masie
cząsteczkowej, które mogą być użyte ponownie jako surowce petrochemiczne, monomery lub surowce
dla innych produktów chemicznych. Wiele emocji towarzyszy zagadnieniom spalania odpadów, w tym
tworzyw sztucznych, przy okazji "straszeni" jesteśmy emisją dioksyn, Trzeba wiedzieć, że dioksyny
powstają podczas spalania przy niedoborze tlenu w temperaturach poniżej 800 °C. Z tego powodu w
spalarniach odpadów dioksyny nie powstają; istotne jest także szybkie obniżenie temperatury popiołów.
Tworzyw nie można przekształcać metodami recyklingu materiałowego nieskończoną ilość razy, ponadto
tworzywa mogą być zabrudzone, trudne do segregacji (na przykład folie wielowarstwowe), w takich
przypadkach spalanie odpadów jest doskonałą drogą ich unicestwienia.
Aby system recyklingu i odzysku w skali globalnej funkcjonował sprawnie, należy zapewnić:
- uregulowania prawne, normy i przepisy dopuszczające do użytkowania wyroby pochodzące z
recyklingu,
- ciągłą i wystarczającą dostawę surowców dzięki zorganizowanej sieci gromadzenia i sortowania
odpadów,
- technologie i niezbędną aparaturę do recyklingu,
- rynki zbytu dla produktów.
- ekonomiczność recyklingu.
Najgorszą drogą pozbywania się odpadów, w tym także tworzyw sztucznych jest składowanie.
Prognozowany wzrost cen pobieranych za składowanie może być dodatkowym argumentem
przemawiającym za recyklingiem lub odzyskiem. Programem docelowym jest minimalizacja strumienia
odpadów przeznaczonych do składowania. Tworzywa sztuczne podczas składowania na ogół nie
11
BioOrg 2015
wytwarzają szkodliwych substancji. Są jednak zbyt cenne, by trafiały na składowiska. Problemem
pozostaje zajmowana objętość oraz fakt braku degradacji w skali dziesiątków lat.
Okazało się, że przy dużej świadomości społecznej popartej odpowiednimi regulacjami prawnymi,
możliwe jest zminimalizowanie ilości odpadów kierowanych na składowiska, aż do zaprzestania budowy
nowych.
Należy mieć nadzieję, że pomimo wielu problemów zwiększać się będzie świadomość społeczna
dotycząca użytkowania tworzyw oraz segregowania odpadów, że coraz rzadsze będą przypadki
stosowania odpadów do spalania w domowych instalacjach grzewczych lub ich wyrzucania w lasach czy
nad brzegami rzek i jezior. Także nowo powstające spalarnie odpadów komunalnych w znacznym
stopniu poprawią gospodarkę w tej dziedzinie i wpłyną na stopniowe zmniejszanie się ilości odpadów
kierowanych na składowiska.
Praca finansowana z projektu: 03/32/DSPB/0503
Literatura:
A. K. Błędzki (1997) Recykling materiałów polimerowych, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa
A. K. Błędzki, A. Jaszkiewicz (2009) Polimery biodegradowalne - teoria i praktyka, Materiały Konferencyjne: Recykling i
odzysk materiałów polimerowych, w: Materiały - Technologie - Utylizacja, Wydawnictwo Uczelniane Zachodniopomorskiego
Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie 15-19
S. Borysiak, D. Paukszta (2013) The influence of processing and polymorphism of lignocellulosic fillers on the structure
and properties of composite materials – a review Materials 6, 2747-2767
N. Czaja-Jagielska, K. Pawlak-Lemańska, D. Paukszta, A. Wielicka-Regulska (2011) Hydro-biodegradable packagings for
food products - a review, Polish Journal of Commodity Science, 1(26):80-89
Martínez-Romo, R. González-Mota, J. J. Soto-Bernal, I. Rosales-Candelas (2015) Investigating the Degradability of
HDPE, LDPE, PE-BIO, and PE-OXO Films under UV-B Radiation, Journal of Spectroscopy Volume 2015, Article ID
586514, 6 pages
P. Mastalerz (2000) Ekologiczne kłamstwa ekowojowników. Rzecz o szkodliwości kłamliwej propagandy ekologicznej,
Wydawnictwo Chemiczne, Wrocław
T.F.M. Ojeda E. Dalmolin, M.M.C. Forte, R.J.S. Jacques, F.M. Bento, F. A. O. Camargo (2009) Abiotic and biotic
degradation of oxo-biodegradable polyethylenes Polymer Degradation & Stability 6(94), 965-970
J. Ryszkowska, K. Sasińska (2010) Kompozyty z folii oksybiodegradowalnej z recyklingu napełniane drewnem, Polimery,
55, 740-747
www.plasticeurope.org
H. Żakowska (2012) Systemy recyklingu odpadów opakowaniowych - wybrane problemy prawno-organizacyjne i
ekonomiczne w Polsce Polimery 9(57), 613-619
M. Tomczak 2013 Niezorientowane folie biodegradowalne Triniflex cPLA, Opakowanie 11, 24-25
12
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
SYNTEZA I CHARAKTERYSTYKA NANOCZĄSTEK MAGNETYTU
POKRYTYCH BIOPOLIMERAMI DLA IMMOBILIZACJI BIOLIGANDÓW
Dorota Chełminiak1*, Marta Ziegler-Borowska1, Tomasz Siódmiak2, Halina Kaczmarek1, Anna
Kaczmarek-Kędziera1
1
2
Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7, 87-100 Toruń
Wydział Farmaceutyczny, Collegium Medicum im.Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja Kopernika
w Toruniu, ul. Dr A. Jurasza 2, 85-089 Bydgoszcz
Ostatnie kilkanaście lat intensywnych badań prowadzonych w ramach nanotechnologii
doprowadziło do opracowania nanomateriałów, które pozwoliły na ich zastosowanie w wielu dziedzinach
nauki, w tym w naukach biologicznych i medycznych. Jest to spowodowane ich specyficznymi
właściwościami, do których zaliczamy m.in. powinowactwo chemiczne, superparamagnetyzm, podatność
na modyfikacje chemiczne oraz biozgodność [1,2].
W ramach niniejszej pracy otrzymano szereg nanocząstek magnetycznych, pokrytych polimerami
(chitozan, kolagen, skrobia) w formie wyjściowej i zmodyfikowanej. Nanocząstki otrzymano na drodze
współwytrącania in situ. Materiał magnetyczny pokryty modyfikowanym chitozanem charakteryzuje się
wysoką zawartością wolnych grup aminowych na swojej powierzchni. Magnetyczne nanocząstki
zaprojektowane zostały do immobilizacji bioligandów, tj. enzymu - lipazy z Candida rugosa oraz
albuminy ludzkiej. Dokonano pełnej charakterystyki otrzymanych materiałów (zdjęcia SEM, TEM,
analiza rentgenograficzna XRD, ATR-FTIR, analiza termiczna). Zbadano stopień immobilizacji,
aktywność
lipolityczną
oraz
stabilność
operacyjną
zaimmobilizowanych
na
otrzymanych
nanomateriałach bioligandów [3,4]. Lipazę zaimmobilizowaną na magnetycznych nanocząstkach
wykorzystano do enancjoselektywnego rozdziału ibuprofenu.
Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie
decyzji numer 014/15/D/NZ7/01805.
Literatura:
[1] D. Chełminiak, M. Ziegler-Borowska, H. Kaczmarek (2015) Nanocząstki magnetytu powlekane polimerami do zastosowań
biomedycznych Cz. I. Otrzymywanie nanocząstek Fe3O4 z powłokami z polisacharydów, Polimery 60:12-17.
[2] D. Chełminiak, M. Ziegler-Borowska, H. Kaczmarek (2015) Nanocząstki magnetytu powlekane polimerami do zastosowań
biomedycznych Cz. II. Nanocząstki Fe3O4 z powłokami z polimerów syntetycznych, Polimery 60:87-94.
[3] M. Ziegler-Borowska, D. Chełminiak, T. Siódmiak, A. Sikora, M.P. Marszałł, H. Kaczmarek (2014) Synthesis of new
chitosan coated magnetic nanoparticles with surface modified with long-distanced amino groups as a support for bioligands
binding, Materials Letters 132:63-65.
13
BioOrg 2015
[4] M. Ziegler-Borowska, T. Siódmiak, D. Chełminiak, A. Cyganiuk, M.P. Marszałł (2014) Magnetic nanoparticles with
surfaces modified with chitosan-poly[N-benzyl-2-(methacryloxy)-N,N-dimethylethaminium bromide] for lipase immobilization,
Applied Surface Science 288:641-648.
14
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
NOWE GERMANOWE WINYLOPOCHODNE SILSESKWIOKSANÓW ORAZ
ICH KOMPLEKSY Z RUTENEM: SYNTEZA, STRUKTURA I REAKTYWNOŚĆ
Dawid Frąckowiak1*, Patrycja Żak2, Grzegorz Spólnik3, Mikołaj Pyziak2, Bogdan Marciniec1,2
1
2
Centrum Zaawansowanych Technologii UAM, Umultowska 89c, 61-614 Poznań
Uniwersytet im. A. Mickiewicza, Wydział Chemii, Zakład Chemii Metaloorganicznej, Umultowska 89b, 61-614 Poznań
3
Instytut Chemii Organicznej PAN, M. Kasprzaka 44/52, 01-224 Warszawa
W ciągu ostatnich 25 lat nastąpił wzrost zainteresowania poliedrycznymi oligomerycznymi
silseskwioksanami (POSS), będącymi klasą hybrydowych związków krzemu [1]. Często przyjmuje się,
że POSS są najmniejszymi możliwymi jednostkami krzemionki, jednak w przeciwieństwie do niej,
zawierają w swojej budowie również podstawniki organiczne lub reaktywne grupy nieorganiczne.
Budowa silseskwioksanów opiera się na powtarzających jednostkach RSiO3/2, które mogą łączyć się ze
sobą tworząc bardziej uporządkowaną strukturę o ogólnym wzorze (RSiO3/2)n, gdzie n = 6, 8, 10.
Ze względu na liczne zastosowania i łatwość modyfikacji to właśnie klatkowe, całkowicie
skondensowane kubiczne silseskwioksany (RSiO3/2)8 są najczęściej spotykaną grupą POSS. Ostatnio
wzrasta również znaczenie kompletnie skondensowanych POSS typu double-decker (Schemat 1).
Schemat 1. Kubiczny sileskwioksan (RSiO3/2)8 oraz silseskwioksan typu double-decker.
Przedmiotem komunikatu są nowe, winylopochodne germanowe silseskwioksanów oraz ich
reaktywność w katalitycznej reakcji trans-metalacji [2]. Pierwsza grupa wspomnianych wyżej
pochodnych to monowinylogermasilseskwioksany, które można zaliczyć do tzw. heterosilseskwioksanów
(tj. silseskwioksanów, które oprócz atomów krzemu zawierają w swoim szkielecie inne heteroatomy),
natomiast drugą grupę stanowią (winylogermoksy)silseskwioksany, których przedstawicielem jest
(dimetylowinylogermoksy)heptaizobutylosilseskwioksan (Schemat 2) [3,4].
15
BioOrg 2015
Schemat 2. Monowinylogermasilseskwioksany oraz (dimetylowinylogermoksy)heptaizobutylosilseskwioksan
W komunikacie omówiona zostanie synteza winylogermanowych pochodnych POSS, a także
preparatyka oraz charakterystyka ich kompleksów z rutenem. Przedyskutowana będzie również
reaktywność tych związków w katalitycznej reakcji trans-metalacji ze styrenami, prowadzonej
w obecności hybrydowych kompleksów rutenu (II) [4].
Germasilseskwioksany oraz germoksysilseskwioksany mogą być obiecującymi prekursorami dla
nowoczesnych materiałów hybrydowych. Obecność ugrupowania Ge-O-Si znacząco zwiększa wartości
współczynnika refrakcji względem analogicznych układów Si-O-Si, w których nie występuje atom
germanu, dzięki czemu materiały takie są stosowane do wytwarzania wyspecjalizowanych szkieł
spinowych, szklanych filmów, mikrosoczewek, laserów oraz warstw adhezyjnych [5].
Literatura:
[1] C. Hartmann-Thompson (2010) Applications of polyhedral oligometric silsesquioxanes. Advances in silicon science,
Springer Science + Business Media, Londyn.
[2] B. Marciniec (2007) Catalytic coupling of sp2- and sp-hybridized carbon–hydrogen bonds with vinylmetalloid compounds,
Accounts in Chemical Research 40:943-952.
[3] Zgłoszenia patentowe polskie nr: P.410690, P.411195 oraz P.411196.
[4] D. Frąckowiak, P. Żak, G. Spólnik, M. Pyziak, B. Marciniec (2015) New vinylgermanium derivatives of silsesquioxanes
and their ruthenium complexes-synthesis, structure, and reactivity, Organometallics 34:3950-3958.
[5] US Patent: 6248852.
16
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
KOMPOZYTY PLA Z HYBRYDOWYM NAPEŁNIACZEM
KRZEMIONKA/LIGNINA
Aleksandra Grząbka-Zasadzińska*, Łukasz Klapiszewski, Teofil Jesionowski, Sławomir Borysiak
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Wydział Technologii Chemicznej,
Politechnika Poznańska ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań
Produkcja tworzyw sztucznych w dużej mierze zależna jest od przemysłu petrochemicznego,
dlatego też obecnie duży nacisk kładzie się na opracowywanie polimerów otrzymywanych
z odnawialnych źródeł. W ostatnich latach obserwuje się również rosnące zainteresowanie nowymi
typami
biodegradowalnych
napełniaczy.
Jedną
z
grup
takich
materiałów
są
napełniacze
nieorganiczno/organiczne [1].
Polilaktyd (PLA) jest biodegradowalnym polimerem inżynieryjnym wykazującym dobre
właściwości wytrzymałościowe oraz stosunkowo łatwą przetwarzalność, co sprawia, że jest on najszerzej
stosowanym termoplastycznym biopolimerem. PLA jest często wykorzystywany w przemyśle
opakowaniowym oraz w zastosowaniach medycznych (w postaci włókien lub folii), także ze względu na
fakt, że w podwyższonych temperaturach oraz wysokiej wilgotności ulega relatywnie szybkiemu
procesowi biodegradacji [2]. PLA ma jednak również poważną wadę, jaką jest niska odporność termiczna
(temperatura ugięcia pod obciążeniem dla PLA wynosi ok. 50–65 °C), która znacząco ogranicza
dziedziny jego zastosowania. Wiadomo jednakże, że zastosowanie napełniaczy pozwala na
przyspieszenie krystalizacji PLA i tym samym pokonanie tej wady. Napełniacze nieorganiczne stanowią
atrakcyjne
wzmocnienie,
ponieważ
powodują
znaczącą
poprawę
właściwości
termicznych,
mechanicznych i także chemicznych biokompozytów, w których zostały użyte [3-5].
Jednym z najbardziej znanych i cenionych napełniaczy nieorganicznych jest krzemionka.
Ze względu na odporność chemiczną, wysoką porowatość oraz twardość jest ona często wykorzystywana
jako adsorbent i nośnik faz stacjonarnych [6]. Dodatkowo krzemionka w układach z polimerami
przyczynia się do dużej poprawy właściwości wytrzymałościowych (np. wydłużenie przy zerwaniu,
udarność z karbem) takich materiałów, podniesienia ich odporności chemicznej i stabilności termicznej,
redukcji przepuszczalności gazów, także przy małych jej zawartościach, ale jednocześnie wykazuje
tendencję do aglomeracji [7,8].
Lignina jest odnawialnym, amorficznym, polifenolowym biopolimerem otrzymywanym
z drewna. Jest ponadto odpadem przemysłu papierniczego powstającym w metodzie „kraft” i dzięki temu
może być tanim, dostępnym w dużych ilościach, napełniaczem [9]. Niestety zastosowania ligniny są
bardzo ograniczone, bowiem ulega ona degradacji termicznej w temperaturze powyżej 170 °C i tym
17
BioOrg 2015
samym jej właściwości mechaniczne ulegają pogorszeniu [10]. Co więcej, jako polimer naturalnego
pochodzenia, lignina charakteryzuje się dużą chłonnością wody i małymi wartościami wydłużenia,
co przyczynia się do problemów w procesie wytłaczania, ponieważ tworzą się pęcherze powietrza, które
utrudniają przepływ polimeru przez dyszę.
Obecnie przygotowanie funkcjonalnych napełniaczy hybrydowych łączących w sobie
właściwości mechaniczne i wytrzymałościowe nieorganicznej krzemionki z niedrogą, organiczną ligniną
cieszy się coraz większym zainteresowaniem [7,8]. Uzyskane na drodze takiego połączenia materiały
mogą być wykorzystywane jako napełniacze polimerowe bądź biosorbenty [7,11,12]. Stężenie
napełniacza hybrydowego w matrycy polimerowej jest kluczowe i warunkuje uzyskanie odpowiednich
właściwości mechanicznych materiałów kompozytowych. Szczególne znaczenie ma również wpływ
takiego napełniacza na strukturę supermolekularną, morfologię matrycy polimerowej, a także zjawiska
zachodzące na granicy międzyfazowej polimer/napełniacz. Silne interakcje występujące na granicy
międzyfazowej pozwalają na przenoszenie obciążeń powstających w układzie i tym samym zapobiegają
pogorszeniu właściwości wytrzymałościowych.
Materiały lignocelulozowe mogą być heterogenicznymi nukleantami krystalizacji wzdłuż
granicy międzyfazowej, charakteryzującymi się dużą gęstością zarodków i mającymi bezpośredni
związek z powstawaniem struktur transkrystalicznych. Uważa się, że obecność tych struktur wykazuje
znaczący wpływ na otrzymywanie kompozytów o dobrych parametrach [13,14]. Dlatego właśnie celem
niniejszych badań było określenie wpływu parametrów fizykochemicznych hybrydowych materiałów
krzemionka/lignina na ich zdolności nukleacyjne oraz zdolność do tworzenia struktur transkrystalicznych
w matrycy PLA.
W przedstawionych badaniach amorficzną krzemionkę Syloid 244 oraz lignina krafta połączono
mechanicznie. Przygotowano cztery materiały hybrydowe zawierające krzemionkę i ligninę w stosunkach
ilościowych odpowiednio 1:1, 2:1, 5:1 i 20:1. Jako próbki referencyjne zastosowano pierwotną ligninę
oraz krzemionkę. Na drodze obserwacji mikroskopowych określono właściwości dyspersyjne
i morfologiczne napełniaczy hybrydowych,
zbadano również
rozmiar cząstek. Spektroskopia
w podczerwieni z transformacją Fouriera potwierdziła otrzymanie materiałów hybrydowych
krzemionka/lignina. Parametry związane z porowatością wyprodukowanych materiałów wyznaczono
przy pomocy metody izotermy Brunauer–Emmett–Teller, z wykorzystaniem algorytmu Barrett–Joyner–
Halenda. Metodą wytłaczania wykonano folie kompozytowe PLA zawierające 2,5% wag. napełniacza
hybrydowego. Mikroskopia optyczna, szerokokątowa dyfraktometria rentgenowska oraz skaningowa
kalorymetria
różnicowa
posłużyły
do
określenia
struktury
supermolekularnej
kompozytów
PLA/napełniacz hybrydowy, analizy parametrów krystalizacji oraz przemian fazowych zachodzących
w matrycy PLA. Materiał hybrydowy krzemionka/lignina okazał się być napełniaczem zdolnym
18
BioOrg 2015
do efektywnej
nukleacji
krystalizacji.
Zdolności
nukleacyjne
napełniacza
hybrydowego
krzemionka/lignina w matrycy PLA są związane z porowatością napełniacza i jego składem.
Badania były finansowane z projektu badawczego finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki
nr DEC-2013/09/B/ST8/00159.
Literatura:
[1] G. Milczarek, O. Inganas (2012) Renewable cathode materials from biopolymer/conjugated polymer interpenetrating
networks, Science 335:1468-1471.
[2] A. Duda, S. Penczek (2013) Polilaktyd [poli(kwas mlekowy)]: synteza, właściwości i zastosowania, Polimery 48:16-27.
[3] Y. Wang, J. L. Gomez Ribelles, M. Salmeron Sanchez, J. F. Mano (2005) Morphological contributions to glass transition
in poly(l-lactic acid), Macromolecules 38:4712-4718.
[4] B. Kalb, A. J. Pennings (1980) General crystallization behaviour of poly(l-lactic acid), Polymer 21:607-612.
[5] Z. Bartczak, A. S. Argon, R. E. Cohen, M. Weinberg (1999) Toughness mechanism in semi-crystalline polymer blends: II.
High-density polyethylene toughened with calcium carbonate filler particles, Polymer 40:2347-2365.
[6] K. Kupiec, P. Konieczka, J. Namieśnik (2007) Charakterystyka, procesy chemicznej modyfikacji oraz zastosowanie
krzemionki i jej zmodyfikowanych postaci, Ecological Chemistry and Engineering, 14:473-487.
[7] K. Bula, Ł. Klapiszewski, T. Jesionowski (2014) A novel functional silica/lignin hybrid material as a potential bio-based
polypropylene filler, Polymer Composites 36:913-922.
[8] T. Jesionowski, Ł. Klapiszewski, G. Milczarek (2014) Kraft lignin and silica as precursors of advanced composite
materials and electroactive blends, Journal of Material Science 49:1376-1385.
[9] J. Li, Y. He, Y. Inoue (2003) Thermal and mechanical properties of biodegradable blends of poly(L-lactic acid) and lignin,
Polymer International 52:949-955.
[10] G. Toriz, F. Denes, R. A. Young (2002) Lignin-polypropylene composites. Part 1: Composites from unmodified lignin
and polypropylene, Polymer Composites 23:806-813.
[11] G. Telysheva, T. Dizhbite, D. Evtuguin, N. Mironova-Ulmane, G. Lebedeva, A. Andersone, O. Bikovens, J. Chirkova, L.
Belkova (2009) Design of siliceous lignins – Novel organic/inorganic hybrid sorbent materials, Scripta Materialia 60:687-690.
[12] Ł. Klapiszewski, P. Bartczak, M. Wysokowski, M. Jankowska, K. Kabat, T. Jesionowski (2015) Silica conjugated with
kraft lignin and its use as a novel ‘green’ sorbent for hazardous metal ions removal, Chemical Engineering Journal 260:684693.
[13] S. Borysiak (2013) Influence of cellulose polymorphs on the polypropylene crystallization, Journal of Thermal Analysis
and Calorimetry 113:281-289.
[14] S. Borysiak (2013) Fundamental studies on lignocellulose/polypropylene composites: Effects of wood treatment on the
transcrystalline morphology and mechanical properties, Journal of Applied Polymer Science 127:1309-1322.
19
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
OCENA MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA GRZYBNI POZYSKANEJ
Z HODOWLI PŁYNNEJ DO WYTWORZENIA MATERIAŁU
OPAKOWANIOWEGO O STRUKTURZE SPIENIONEJ
Łukasz Łopusiewicz*
Centrum Bioimmobilizacji i Innowacyjnych Materiałów Opakowaniowych,
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, ul. Janickiego 35, 71-270 Szczecin
Konwencjonalne materiały opakowaniowe z tworzyw sztucznych takich jak PET, PS, PP
czy PVC są w powszechnym użyciu z uwagi na łatwość produkcji i dostępność. Niestety stanowią one
poważne obciążenie dla środowiska z uwagi na swoją trwałość. Dlatego na szczególną uwagę zasługują
materiały ulegające biodegradacji. Większość materiałów opakowaniowych używanych jest tylko raz.
Struktura komórkowa takich materiałów jest wytwarzana poprzez dodatek specjalnych substancji –
poroforów. Ilości zużywanych opakowań są ogromne i w skali światowej ciągle rosną. Jest to
spowodowane szybkim wzrostem ich zużycia w krajach rozwijających się, ale również pakowaniem
coraz większych ilości produktów spożywczych w małych porcjach, przystosowanych do wzrastającej na
świecie liczby gospodarstw 1-2-osobowych. Konieczność stosowania odpowiednich opakowań
do żywności w tym spienionych i jednocześnie biodegradowalnych staje się oczywista. Ciekawą
alternatywą dla stosowanych obecnie rozwiązań w produkcji opakowań może być zastosowanie biomasy
pochodzenia grzybowego. Ciało grzybów wyższych zbudowane jest z grzybni będącej plechą a cała
strzępkowa plecha grzyba nazywana jest grzybnią (łac. mycelium). Grzybnia składa się ze strzępek,
cylindrycznych struktur o średnicy od 0,5 µm do 100 µm i długości do kilkunastu centymetrów,
wielokrotnie rozgałęzionych i wrastających w podłoże lub rozrastających się na jego powierzchni [1].
Elementem, który buduje szkielet ściany komórki grzyba są mikrofibryle chityny – polimeru
N-acetyloglukozaminy. Wyjątkiem jednak są lęgniowce (Oomycetes), u których w ścianach
komórkowych obok innych β-glukanów stwierdzono obecność mikrofibryl celulozy. Ściana komórkowa
grzybów ma budowę warstwową. Warstwę zewnętrzną tworzą bezpostaciowe glukany, a najbardziej
wewnętrzną mikrofibryle chityny oraz białko. Warstwy pośrednie zbudowane są z polisacharydów
(chitozanu, mannanów), białek i glikoprotein, zawierają one również lipidy [2]. Szczególną uwagę należy
zwrócić na główny składnik ściany komórkowej grzybów – chitynę, jeden z najpowszechniej
występujących w przyrodzie polisacharydów, który łatwo ulega biodegradacji mikrobiologicznej, nie ma
doniesień o jego długoterminowej akumulacji w środowisku naturalnym [3]. Hodowla biomasy na dużą
skalę może odbywać się w wielolitrowych bioreaktorach, wymaga niewielu etapów technologicznych,
a uzyskana w ten sposób biomasa jest łatwa do oddzielenia od płynu pohodowlanego. Biomasa
20
BioOrg 2015
grzybowa, którą składa się z komponentów naturalnych, może znaleźć zastosowanie w produkcji
innowacyjnych, spienionych materiałów opakowaniowych, natomiast brzeczka pofermentacyjna może
zostać wykorzystana do pozyskiwania substancji o właściwościach antymikrobiologicznych, które mogą
być wprowadzane do powłok aktywnych, którymi pokrywane są opakowania.
Celem przeprowadzonych badań było otrzymanie materiału i strukturze spienionej, którego
głównym składnikiem była grzybnia Macrolepiota konradii.
Biomasę hodowano w butlach o pojemności 1000 mL, wypełnionych w 50 % płynem
hodowlanym o składzie (na litr): glukoza – 20 g, pepton – 10 g, ekstrakt drożdżowy – 10 g,
MgSO4 x 7 H2O – 0,5 g , K2HPO4 – 1 g. Celem założenia hodowli przenoszono w sposób sterylny
fragment podłoża PDA porośniętego grzybnią o wymiarach 1 cm x 1 cm. Tak założone hodowle
inkubowano 7 dni w wytrząsarce (IKA® KS 4000) w temperaturze 25 ºC i obrotach 150 rpm. Po tym
okresie biomasa była oddzielana od płynu pohodowlanego poprzez przelewanie zawartości butli przez
sito o średnicy oczek 0,7 mm. Pozostała na sicie grzybnia była płukana trzykrotnie sterylną wodą
destylowaną i odsączana mechanicznie w celu usunięcia nadmiaru wody.
Przygotowano dwa warianty mieszaniny zawierającej biomasę. W pierwszym wariancie
do uzyskanej grzybni dodawano 19,7% glutenu (spoiwo), 8% glicerolu (plastyfikator), 0,9% NaHCO3
(porofor) i mieszano w robocie kuchennym (KitchenAid, model 5KPM5) o mieszadle łopatkowym
do uzyskania jednorodnej masy (5 min) początkowo na niskich obrotach, następnie na wysokich.
W drugim zaś dodano dodatkowo 28,3% otrębów pszennych i mieszano w ten sam sposób. Przygotowaną
masę (porcje 100 g) umieszczano w maszynie do wypieku (urządzenie zaprojektowane wykonane w
CBiMO) i wypiekano w temperaturze 160 ºC przez 3 min. Po ostygnięciu otrzymany materiał był
analizowany pod mikroskopem stereoskopowym (ZEISS SteREO, oprogramowanie AxioCam MRc5).
W trakcie realizacji doświadczeń uzyskano czystą grzybnię M. konradii. W kolejnym etapie
tj. podczas przygotowywania biomasy do wypieku dodano gluten celem spojenia mieszaniny. Następnie
mieszanie masy na niskich obrotach miało na celu połączenie wszystkich składników, a zwiększenie
prędkości służyło wbudowaniu powietrza [4]. Glicerol został wykorzystany jako plastyfikator. Miał on na
celu obniżenie temperatury zeszklenia oraz powtórne uplastycznienie materiału pod wpływem
podwyższonej temperatury, przy jednoczesnej, przynajmniej częściowej, poprawie elastyczności w stanie
niespienionym. W przypadku tworzyw biodegradowalnych woda najczęściej zastępowana jest
małocząsteczkowymi związkami organicznymi o wyższej temperaturze wrzenia tj. sorbitolem, gliceryną
czy mocznikiem [5]. Przygotowanie dwóch układów miało na celu określenie wpływu otrąb na wygląd
gotowego produktu. Otręby są łatwo dostępnym i tanim materiałem, mogącym służyć do wyrobu
materiałów opakowaniowych. Masa gotowa do wypieku miała konsystencję ciągliwego ciasta
W wyniku wypieku prowadzonego w temp. 160 ºC uzyskano dwa rodzaje materiału. Materiał
uzyskany z czystej grzybni był lekki, elastyczny, miękki, ale charakteryzował się również podatnością
21
BioOrg 2015
na rozerwanie. Analiza mikroskopowa pozwoliła na zaobserwowanie szczegółów uzyskanej masy.
Produkt charakteryzował się włóknistą strukturą, wyraźnie spienioną, co było widoczne najlepiej
w przekroju poprzecznym, gdzie można było zaobserwować duże pory powstałe w wyniku uwolnienia
CO2. Grubość uzyskanej warstwy wynosiła ok. 3000 µm. Materiał uzyskany z wypieku masy
z dodatkiem otrąb pszennych różnił się od materiału z czystej grzybni. Był sztywny, ale nadal lekki
i kruchy. Analiza mikroskopowa pozwoliła na zaobserwowanie widocznych otrąb w strukturze materiału.
Materiał miał strukturę włóknistą. Grubość uzyskanej warstwy była mniejsza niż tej uzyskanej z czystej
grzybni (wynosiła 2700 µm), uzyskana struktura była spieniona, ale o wyraźnie mniejszych porach.
Przeprowadzone doświadczenia wskazują na potencjalną przydatność biomasy grzybowej
pozyskanej z hodowli wgłębnej, do wytwarzania innowacyjnych materiałów opakowaniowych, które są
przyjazne środowisku i są biodegradowalne.
Literatura:
[1] J. Jasnowska, M. Jasnowski, J. Radomski, S. Friedrich, W. Kowalski (1999) Botanika, Wydawnictwo Uczelniane
Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, Szczecin.
[2] S. Bowman, S. Free (2006) The structure and synthesis of the fungal cel wall, BioEssays 28:799-808
[3] G.W. Gooday (1990) The ecology of chitin degradation, Advanced in Microbial Ecology 11:387-430.
[4] C. Stauffer (1999) Emulgatory, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa.
[5] S. Lisiecki (2013) Biodegradowalne materiały opakowaniowe do żywności ze spienioną warstwą termoizolacyjną.
Wydawnictwo Uczelniane Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, Szczecin.
22
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
ZASTOSOWANIE CELULOZY BAKTERYJNEJ JAKO NOŚNIKA
DO IMMOBILIZACJI PROBIOTYCZNYCH SZCZEPÓW
Z RODZAJU LACTOBACILLUS
Dorota Peitler*, Karol Fijałkowski
Katedra Immunologii, Mikrobiologii i Chemii Fizjologicznej,
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, al. Piastów 45, 70-311 Szczecin
Celuloza bakteryjna jest nanobiomateriałem produkowanym przez bakterie z gatunku
Gluconacetobacter xylinus [1]. Ten wytwarzany biotechnologicznie materiał dzięki unikalnej
nanofibrylarnej strukturze charakteryzuje się m. in. dużą higroskopijnością, wysoką czystością
chemiczną, unikalną strukturą oraz biokompatybilnością, biofunkcjonalnoscią i brakiem toksyczności [2].
Ze względu na szereg interesujących właściwości, celuloza bakteryjna została wykorzystana w wielu
gałęziach przemysłu (papierniczym, włókienniczym, kosmetycznym), ochronie środowiska [3-5] oraz
w medycynie [3], mimo to nadal trwają badania nad poszukiwaniem jej nowych zastosowań.
Obecnie dużym zainteresowaniem cieszy się wykorzystanie celulozy bakteryjnej jako
naturalnego nośnika, który może zapewnić fizyczną barierę i chronić komórki bakteryjne przed
niekorzystnymi warunkami środowiska.
Z przeprowadzonego przeglądu piśmiennictwa wynika, że bakterie probiotyczne w tym bakterie
z rodzaju Lactobacillus cechują się często zbyt niskim stopniem przeżywalności w preparatach
probiotycznych zawierających w swoim składzie wolne mikroorganizmy [6,7].
Dlatego też w niniejszych badaniach analizowano możliwość wykorzystania celulozy
bakteryjnej produkowanej przez szczep Gluconacetobacter xylinus do immobilizacji probiotycznych
mikroorganizmów z rodzaju Lactobacillus w celu zwiększenia ich przeżywalności w warunkach
zbliżonych do warunków panujących w przewodzie pokarmowym.
Materiał do badań stanowiły trzy szczepy bakterii probiotycznych (L. delbruecki PKM 490,
L. plantarum DSM 13273 i L. casei ATCC 393), oraz celuloza bakteryjna produkowana przez szczep
G. xylinus. Immobilizacji probiotyków dokonano w trzech różnych doświadczeniach. Pierwsze polegało
na adsorpcji komórek bakteryjnych na powierzchni BC pochodzącej ze stacjonarnej hodowli G. xylinus.
W kolejnych doświadczeniach poszczególne gatunki bakterii probiotycznych hodowano jednocześnie
ze szczepem G. xylinus, w skutek czego immobilizacja zachodziła równocześnie z biosyntezą celulozy.
Prowadzono dwa rodzaje hodowli, z mieszaniem (180 rpm), w wyniku której powstawały kulki
celulozowe oraz bez mieszania (hodowla stacjonarna), gdzie celuloza syntetyzowana była w postaci
błony na powierzchni podłoża.
23
BioOrg 2015
Po określonym czasie inkubacji, celulozę wraz z immobilizowanymi komórkami poddano
trawieniu celulazą. Po wytrawieniu, hodowle płukano i zawieszano w buforze fosforanowym. Liczbę
zimmobilizowanych mikroorganizmów oznaczano dwoma metodami: a) na podstawie gęstości optycznej
uzyskanych zawiesin mikroorganizmów, mierzonej spektrofotometrycznie przy długości fali równej
600 nm; b) wykonując ilościowy posiew na podłoża MRS, które inkubowano przez 24 h w temp. 37 °C.
Po inkubacji zliczano wyrosłe kolonie i wyznaczano liczbę CFU (Colony Forming Unit) na 1 g celulozy,
uwzględniając objętość buforu użytego do sporządzenia zawiesiny oraz objętość posiewaną na podłoże.
Ponadto w badaniach uwzględniono także analizę przeżywalności immobilizowanych bakterii
probiotycznych w obecności soków żołądkowych i soli żółciowych.
Uzyskane wyniki wykazały, że badane mikroorganizmy probiotyczne są zdolne do efektywnego
przyłączania się do celulozy bakteryjnej. Proces immobilizacji nie wpływał na żywotność analizowanych
szczepów Lactobacillus. Najbardziej efektywnym sposobem immobilizacji była jednoczesna hodowla
mikroorganizmów probiotycznych ze szczepami G. xylinus. Ponadto stwierdzono, że unieruchomione na
BC komórki Lactobacillus cechowały się zwiększoną przeżywalnością w obecności soku żołądkowego
i solach żółciowych.
Literatura:
[1] D. Mikkelsen, B. M. Flanagan, G. A. Dykes, M. J. Gidley (2008) Influence of different carbon sources on bacterial
cellulose production by Gluconacetobacter xylinus strain ATCC 53524, Journal of Applied Microbiology 107:576-583.
[2] K. Kubiak, H. Kalinowska, M. Peplińska, S. Bielecki (2009) Celuloza bakteryjna jako nanobiomatriał, Postępy biologii
komórki 36:85-98.
[3] S. Bielecki, A. Krystynowicz, M. Turkiewicz, H. Kalinowska (2005) Bacterial cellulose, w: A. Steinbüchel, S. K. Rhee,
Polysaccharides and polyamides in the food industry, Wiley-VCH Verlag, Weinheim.
[4] S. Keshk (2014) Bacterial cellulose production and its industrial applications, Journal of Bioprocessing & Biotechniques,
4:2-10.
[5] Y. Huang, C. Zhu, J. Yang, Y. Nie, C. Chen, D. Sun (2013) Recent advances in bacterial cellulose, Cellulose 21:1-30.
[6] K. Kailasapathy (2009) Encapsulation technologies for functional foods and nutraceutical product development,
Perspectives in Agriculture, Veterinary Science, Nutrition and Natural Resources 4:1-8.
[7] M. Chávarri, I. Marañón, M. C. Villarán (2012) Encapsulation technology to protect probiotic bacteria, w: Probiotics,
Everlon Cid Rigobelo, Madryd.
24
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
BADANIA EFEKTÓW ODDZIAŁYWAŃ
HYDROKSYPROPYLOMETYLOCELULOZY Z KRYSTALICZNYMI
POSTACIAMI WYBRANYCH AKTYWNYCH SUBSTANCJI
FARMACEUTYCZNYCH
Alicja Talaczyńska1*, Przemysław Zalewski1, Daria Szymanowska-Powałowska2, Maciej Kozak3,
Bartłomiej Kubiak4, Judyta Cielecka-Piontek1
1
Katedra i Zakład Chemii Farmaceutycznej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu,
ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań
2
Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu,
ul. Wojska Polskiego 48, 60-327 Poznań
3
Zakład Fizyki Makromolekularnej, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu,
ul. Umultowska 85, 61-614 Poznań
4
POLPHARMA S.A., Dział Preformulacji, ul. Pelplińska 19, 83-200 Starogard Gdański
Hydroksypropylometyloceluloza (HPMC) jest biopolimerem, rozpuszczalnym w wodzie,
w którego budowie wyróżniamy grupy hydroksypropylowe i metylowe, których liczba może się różnić.
HPMC
spełnia
wszystkie
kryteria
stawiane
farmaceutycznym
substancjom
pomocniczym,
do najważniejszych należy wymienić: brak działania farmakologicznego, nietoksyczność, niska cena.
Co więcej, HPMC może przyczyniać się do przedłużonego uwalniania aktywnych substancji
farmaceutycznej (API) z układów ją zawierających [1].
Rysunek 1. Struktura hydroksymetylocelulozy
Celem niniejszych badań była ocena możliwości modyfikacji określonych właściwości
fizykochemicznych (trwałości fizycznej, chemicznej, pozornej rozpuszczalności) i efektywności
farmakologicznej (aktywności bakteriobójczej) wybranych API, po ich wprowadzeniu do binarnych
układów z HPMC.
25
BioOrg 2015
Jako modelowe API wybrano: paracetamol (substancję o działaniu przeciwgorączkowym
i przeciwbólowym), chlorowodorek wardenafilu (inhibitor fosfodiesterazy typu 5, stosowany w leczeniu
zaburzeń erekcji), losartan potasu (antagonista receptorów AT1, stosowany w leczeniu nadciśnienia
tętniczego) oraz tebipenem piwoksyl (analog β-laktamowy o działaniu bakteriobójczym).
Binarne układy API-HPMC badano w zakresie oceny zmian właściwości fizykochemicznych (trwałości
fizycznej, chemicznej, pozornej rozpuszczalności) i efektywności farmakologicznej (aktywności
bakteriobójczej); gdzie jako układy odniesienia przyjmowano właściwości fizyko-chemiczne i aktywność
bakteriobójczą wyznaczoną dla poszczególnych API. W odniesieniu do wybranych API badano:
trwałość fizyczną, w kierunku konwersji wybranych form polimorficznych paracetamolu
w układach binarnych z HPMC w efekcie ich ekspozycji na podwyższoną temperaturę (T = 60 °C
i T = 120 °C) i/lub wilgotność powietrza (RH ≈ 90 % i RH ≈ 0%);
trwałość chemiczną, w kierunku odporności chlorowodorku wardenafilu w binarnych układach
HPMC na działanie określonych czynników destrukcyjnych (0,1M HCl, 0,1M NaOH i 30% H2O2);
szybkość rozpuszczania losartanu potasu w układzie binarnym z HPMC w 0,1M HCl, symulującym
sok żołądkowy;
efektywność farmakologiczną tebipenemu piwoksylu wyrażoną aktywnością bakteriobójczą dla
układów z HPMC.
Badania zmian konwersji polimorfów strukturalnych paracetamolu w efekcie ekspozycji na
określone warunki badań stresowych w fazie stałej (T = 60 °C i T = 120 °C; RH ≈ 90% i RH ≈ 0%)
prowadzono w oparciu o wyniki badań dyfraktometrycznych stosując proszkową rentgenografię
strukturalną (XRD). Zmiany stężenia chlorowodorku wardenafilu podczas badań jego trwałości
chemicznej oraz zmiany stężenia losartanu potasu podczas badań jego pozornej rozpuszczalności,
prowadzono w oparciu o wyniki badań chromatograficznych. Stosując zwalidowane metody ultra
wysokosprawnej chromatografii cieczowej z detektorem DAD (UHPLC-DAD) oceniono zmiany stężenia
chlorowodorku wardenafilu i losartanu potasu w układach binarnych z HPMC. Aktywność
bakteriobójczą tebipenemu piwoksylu dla jego binarnego układu z HPMC badano wyznaczając wartości
minimalnych stężeń hamujących (MIC), które określono testem studzienkowym.
Przeprowadzone badania wykazały możliwość modyfikacji właściwości fizykochemicznych
(trwałości fizycznej, chemicznej, pozornej rozpuszczalności) i efektywności farmakologicznej
(aktywności bakteriobójczej) badanych leków po ich wprowadzeniu do układu binarnego z HPMC.
Badania zostały sfinansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie
decyzji nr DEC-2013/09/D/N27/02525.
Literatura:
[1] A. Viridén, B. Wittgren, A. Larsson (2009) Investigation of critical polymer properties for polymer release and swelling of
HPMC matrix tablets, European Journal of Pharmaceutical Sciences 36: 297–309.
26
BioOrg 2015
BIOMATERIAŁY
POSTERY
27
BioOrg 2015
WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE KOMPOZYTÓW POLILAKTYDU
Z CELULOZĄ
Marta Babicka*, Aleksandra Grząbka-Zasadzińska, Sławomir Borysiak
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo
4, 60-965 Poznań
Polilaktyd
(PLA)
jest
całkowicie
biodegradowalnym,
termoplastycznym
poliestrem
alifatycznym, powstającym na drodze polikondensacji laktydu (rys. 1) Wyjściowym substratem
wykorzystywanym do otrzymywania tego materiału jest skrobia, którą można pozyskiwać
z odnawialnych surowców naturalnych takich jak odpady rolnicze, np. kukurydza, ziemniaki.
W dzisiejszym świecie gospodarka nie może polegać wyłącznie na surowcach otrzymywanych
z przetwórstwa ropy naftowej, dlatego tak istotne jest opracowywanie materiałów o alternatywnym
pochodzeniu. PLA, polimer pochodzenia naturalnego, jest wykorzystywany przede wszystkim
do produkcji opakowań jednorazowych, produktów biomedycznych, folii, włókien oraz dzianin. PLA
stanowi dobry zamiennik dla konwencjonalnych polimerów i często nie ustępuje im pod względem
właściwości mechanicznych oraz użytkowych, to jednak ze względu na dużą kruchość i niską odporność
termiczną wymaga pewnych modyfikacji np. poprzez wprowadzanie napełniaczy. Dodatkową przeszkodą
utrudniającą szersze zastosowanie PLA jest jego wysoka cena wytwarzania oraz przetwarzania [1,2].
O
H
CH3
O
n
H3C
O
O
O
CH3
O
H
CH3
O
n
O
Rysunek 1. Reakcja syntezy polilaktydu w wyniku polikondensacji laktydu [1].
Celuloza jest polisacharydem, naturalnym biopolimerem, stanowiącym główny budulec
strukturalny roślin. Można ją otrzymywać poprzez roztwarzanie drewna lub na drodze odzysku
z odpadów przemysłu włókienniczego oraz papierniczego. W naturze celuloza występuje w postaci
polimorficznej nazywanej celulozą I, która jednak poddana procesowi merceryzacji tj. działaniu
wodorotlenku sodu, ulega przekształceniu do celulozy II. Te dwie odmiany polimorficzne celulozy różnią
się przede wszystkim rozmiarami komórek elementarnych. Dzięki niskiej cenie, dużej dostępności
i dobrym właściwościom wzmacniającym celuloza jest chętnie stosowana jako napełniacz
do kompozytów, także w postaci nanometrycznej. Zdyspergowanie w matrycy polimerowej PLA
(nano)celulozy pozwala na poprawienie właściwości wytrzymałościowych materiału i jednocześnie
28
BioOrg 2015
obniżenie ceny takiego kompozytu [3].
Celem
niniejszej
pracy
było
zbadanie
wpływu
procesu
starzenia
na
właściwości
fizykochemiczne kompozytów PLA z celulozą oraz nanocelulozą.
Metodą prasowania pod ciśnieniem przygotowano folie PLA/celuloza, PLA/nanoceluloza I
oraz PLA/nanoceluloza II, zawierające różne stężenia napełniacza. Zestawienie przygotowanych próbek
zamieszczono w Tabeli 1.
Tabela 1. Otrzymane kompozyty.
Układ
PLA/ celuloza I
PLA/ nanoceluloza I
PLA/ nanoceluloza II
Stężenie napełniacza
1%
2%
0,5%
1%
2%
0,5%
1%
2%
Próbki poddano badaniom starzeniowym wg normy EN ISO 9142:2003. Cykl starzenia trwał
7 dni i obejmował ogrzewanie z suszeniem, ogrzewanie z nawilżaniem i zamrażanie. Tabela 2
przedstawia warunki panujące podczas cyklu starzenia. Po procesie próbki dokładnie wysuszono
i poddano dalszym badaniom.
Tabela 2. Opis parametrów ekspozycji.
Czas trwania [h]
Temperatura [°C]
Wilgotność [%]
1
2
48
48
55
40
<15 >90
Nr cyklu
3
24
0
-
4
48
-20
>90
Badania finansowano z grantu Politechniki Poznańskiej nr 03/32/DSPB/0503.
Literatura:
[1] A. Duda, S. Penczek (2003) Polilaktyd [poli(kwas mlekowy)]: synteza, właściwości i zastosowania, Polimery 48:16-27.
[2] B. Nowak, J. Pająk (2010) Biodegradacja polilaktydu, Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska 12:1-10.
[3] A. K. Błędzki, A. Jaszkiewicz (2008) Biokompozyty na podstawie polilaktydu wzmacniane włóknami pochodzenia
naturalnego, Polimery 57:564-570.
29
BioOrg 2015
DIDYMOSPHENIA GEMINATA JAKO NOWATORSKI ADSORBENT
JONÓW METALI SZKODLIWYCH DLA ŚRODOWISKA
Przemysław Bartczak1*, Agata Chudzińska1, Marcin Wysokowski1, Małgorzata Norman1,
Jakub Zdarta1, Filip Ciesielczyk1, Hermann Ehrlich2, Teofil Jesionowski1
1
Politechnika Poznańska, Wydział Technologii Chemicznej,
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań, Polska
2
TU Bergakademie Freiberg, Institute of Experimental Physics, Leipziger 23, 09599 Freiberg, Niemcy
Intensywny rozwój przemysłu przyczynia się do zanieczyszczenia wód powierzchniowych oraz
gruntowych jonami metali szkodliwych dla środowiska, które wykazują właściwości toksyczne
oraz kancerogenne. Skażenie systemów wodnych jonami metali jest obecnie jednym z największych
zagrożeń współczesnego świata ze względu na ich mobilność w ekosystemie oraz możliwość akumulacji
w tkance żywej. Niewielkie dawki jonów metali w organizmie ludzkim mogą powodować zatrucia
i prowadzić do uszkodzeń narządów wewnętrznych. Ołów, nikiel oraz kadm do organizmu ludzkiego
wchłaniany jest głównie przez przewód pokarmowy i układ oddechowy. Wchłanianie związków metali
zależy od ich rozpuszczalności w wodzie. Jony ołowiu (II) w organizmie ludzkim mogą związać się
z erytrocytami i być transportowane układem krwionośnym do tkanek oraz narządów, gdzie się
akumulują. Ostatnio przeprowadzono wiele badań dotyczących szkodliwego wpływu metali w tym
niklu(II), kadmu(II) i ołowiu(II) na organizm ludzki. Wyniki ukazują, że jony te wywierają negatywne
działanie przede wszystkim na układ sercowo-naczyniowy, nerwowy, immunologiczny, moczowy oraz
rozrodczy. Nadmiar jonów metali może przyczynić się pośrednio do podwyższenia ciśnienia tętniczego
poprzez zwiększoną kurczliwość naczyń tętniczych lub nasilenie procesów miażdżycowych [1]. Dlatego
niezwykle istotnym elementem jest ograniczenie występowania tego typu zanieczyszczeń w układach
wodnych. Tradycyjne metody oczyszczania ścieków pomimo dobrej skuteczności charakteryzują się
wysokimi kosztami, dlatego cały czas poszukuje się nowych i tańszych technik. Jedną z najczęściej
stosowanych metod usuwania jonów metali jest proces adsorpcji. W ostatnich latach zaobserwowano
zwiększone zainteresowanie ośrodków badawczych procesem adsorpcji i wykorzystaniem sorbentów
pochodzenia naturalnego, do których można zaliczyć m.in.: układy hybrydowe typu lignina-SiO2, układy
tlenkowe, łuski ryżu, torf, chityna oraz lignina [2-3].
W
zaprezentowanych
badaniach
przeprowadzono
wnikliwą
analizę
fizykochemiczną
stosowanego adsorbentu pochodzenia naturalnego (określono charakter hydrofilowo-hydrofobowy,
parametry struktury porowatej, właściwości elektrokinetyczne, stabilność termiczną oraz skład
chemiczny). W kolejnym etapie wykonano szereg testów adsorpcji wybranych jonów metali z układów
wodnych. Określono wpływ parametrów prowadzenia procesu (czas kontaktu, pH układu reakcyjnego,
30
BioOrg 2015
masa sorbentu oraz temperaturę) na skuteczność usuwania wybranych jonów metali szkodliwych
dla środowiska. W celu określenia kinetyki procesu adsorpcji wykorzystano modele pseudo-pierwszego
oraz pseudo-drugiego rzędu [4-5]. Istotnym elementem badań było również określenie izoterm adsorpcji
za pomocą modeli Langmuira [6] oraz Freundlicha [7].
Analiza uzyskanych wyników w oparciu o modele kinetyczne pseudo-pierwszego oraz pseudodrugiego rzędu wskazuje, że proces usuwania jonów metali z układów wodnych z wykorzystaniem
Didymosphenia geminata najlepiej opisuje model Ho (pseudo-drugiego rzędu), a potwierdzeniem tego są
uzyskane parametry kinetyczne – Tabela 1.
Tabela 1. Parametry kinetyczne modelu pseudo-pierwszego oraz pseudo-drugiego rzędu dla adsorpcji
wybranych jonów metali o stężeniu początkowym 50 mg/L.
Rodzaj
zastosowanego
modelu
Pseudopierwszego
rzędu
Pseudo-drugiego
rzędu
Parametry
Rodzaj metalu
Pb
Ni2+
Cd2+
mg/g
20,09
18,11
19,82
mg/g
16,55
14,52
11,87
-1
0,116
0,102
0,115
symbol
jednostki
qe,exp
qe,cal
2+
k1
min
r2
-
0,994
0,990
0,985
qe,cal
mg/g
21,56
18,51
19,98
k2
g/mg∙min
0,012
0,010
0,014
-
0,997
0,999
0,999
r
2
Współczynnik korelacji (r2) obliczony na podstawie danego modelu zawiera się w granicach
0.997−0.999 dla wszystkich analizowanych jonów metali. Również wartości qe,cal uzyskane na podstawie
obliczeń za pomocą tego modelu kinetyki korespondowały z danymi eksperymentalnymi qe,exp.
Wyznaczone izotermy adsorpcji odpowiadają modelowi Langmuira.
Przeprowadzone badania modelowe mogą mieć istotne znaczenie w przypadku zastosowania
tego materiału w oczyszczaniu ścieków rzeczywistych zawierających testowane jony metali.
Praca została wykonana w ramach projektu sfinansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki
przyznanych na podstawie decyzji nr DEC-2013/09/N/ST8/00319.
Literatura:
[1] M. Jaishankar, T. Tseten, N. Anbalagan, B.B. Mathew, K..N. Beeregowda (2014) Toxicity, mechanism and health effects of
some heavy metals, Interdisciplinary Toxicology 7:60−62.
kraft lignin and its use as a novel ‘green’ sorbent for hazardous metal ions removal, Chemical Engineering Journal
260:684-693.
[3] F. Ciesielczyk, P. Bartczak, K. Wieszczycka, K. Siwińska-Stefańska, M. Nowacka, T. Jesionowski (2013) Adsorption of
Ni(II) from model solutions using co-precipitated inorganic oxides, Adsorption 19:423-434.
31
BioOrg 2015
[4] S. Lagergren (1898) About the theory of so-called adsorption of soluble substances, Royal Swedish Academy of Sciences
24:1-39.
[5] Y. S. Ho, G. McKay (1999) Pseudo-second order model for sorption processes, Process Biochemistry 34:451-465.
[6] I. Langmuir (1918) The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum, Journal of the American
Chemical Society 40:1361-1403.
[7] H. M. F. Freundlich (1906) Over the adsorption in solution, Journal of Physical Chemistry 57: 385-470.
32
BioOrg 2015
BADANIE WŁAŚCIWOSCI POWIERZCHNIOWYCH WYBRANYCH
POLIMERÓW I ICH MIESZANIN WYKORZYSTYWANYCH JAKO NOŚNIKI
W MUKOADHEZYJNYCH SYSTEMACH DOSTARCZANIA LEKU
Aleksandra Bartkowiak1*, Monika Rojewska1, Magdalena Olejniczak-Rabinek2, Krystyna Prochaska1,
Janina Lulek2
1
2
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań
Katedra Technologii Postaci Leku, Uniwersytet Medyczny w Poznaniu, ul. Grunwaldzka 6 60-780 Poznań
W ostatnich latach szczególną uwagę poświęca się mukoadhezyjnym systemom dostarczania
substancji leczniczej do organizmu. Systemy te wykorzystują zjawisko mukoadhezji i zawierają w swoim
składzie odpowiednie polimery, które w wyniku aktywacji przez zwilżenie wykazują adhezję do błon
śluzowych organizmów żywych. Tak więc, istotnymi cechami mukoadhezyjnych formulacji
świadczącymi o ich przydatności do farmakologicznego zastosowania jest ich charakter hydrofilowy,
właściwości zwilżające, zdolność pęcznienia oraz rozpuszczania [1]. Mechanizm mukoadhezji polega
na zetknięciu się mukoadhezyjnej formy z błoną śluzową, zwilżeniu i spęcznieniu, a następnie połączeniu
polimeru mukoadhezyjnego z mucyną i stopniowym uwalnianiu substancji leczniczej [2,3]. Podawanie
leku przez śluzówkę zapewnia lepszą biodostępność, niższe stężenie aktywnego składnika w formulacji
oraz zmniejszoną częstotliwość podawania dzięki przedłużonemu zatrzymywaniu substancji leczniczej
w miejscu aplikacji [4,5].
Właściwości zwilżające i swobodna energia powierzchniowa stałych farmaceutycznych form
dawkowania jest bardzo ważna przy projektowaniu kompozycji farmaceutycznej. Zwilżalność jest
prekursorem rozpuszczania, dlatego warunkuje tempo rozpuszczania i charakterystykę uwalniania
substancji leczniczej z formulacji farmakologicznej [6].
Poprawa biodostępności leków jest bardzo ważnym aspektem przy opracowywaniu składu
postaci farmakologicznej, dlatego głównym celem przeprowadzonych badań było ustalenie przydatności
wybranych polimerów i ich kompozycji do zastosowania jako nośniki leków w formulacjach
farmakologicznych, takich jak zawiesiny, kapsułki oraz tabletki. W tym celu zbadano kinetykę absorpcji,
a także zanalizowano właściwości powierzchniowe oraz strukturę badanych materiałów. Przedmiot badań
stanowiły polimery mukoadhezyjne: Kollidon VA 64 (poliwinylopirolidon), Carbopol 974P NF
(karbomer), Noveon AA-1 (polikarbofil), HPMC (hydroksypropylometyloceluloza) oraz HEC
(hydroksyetyloceluloza) i ich dwu- i trzyskładnikowe kompozycje o różnych stosunkach wagowych.
Badania prowadzono dla dwóch formulacji: proszków i dysków. Z uwagi na potencjalną aplikację
farmakologiczną polimerów, przeprowadzono badania z wykorzystaniem wody redestylowanej oraz
33
BioOrg 2015
modelowych płynów biologicznych, tj. modelowego roztworu śliny (SSF) oraz płynu gastrycznego
(SGF).
W badaniu chłonności proszków polimerowych wykorzystano metodę wzniesienia kapilarnego
przy użyciu tensjometru Sigma 700/701 firmy KSV. Uwzględniając specyfikę analizowanych preparatów
konieczne było opracowanie odpowiedniej metodyki badawczej. Metoda Washburna pozwoliła
na oszacowanie wartości kątów zwilżania dla wybranych proszków polimerowych i kalkulacji swobodnej
energii powierzchniowej metodą Neumanna. W celu oceny zwilżalności badanych polimerów przez
modelowe płyny biologiczne przeprowadzono pomiary kątów zwilżania na powierzchni dysków
polimerowych. Pomiar kąta zwilżania wykonano przy użyciu aparatu Tracker firmy I.T. Concept.
Analizowane dyski polimerowe przygotowano poprzez sprasowanie proszku polimeru bądź kompozycji
polimerów w prasie hydraulicznej przy ciśnieniu 200 psi.
Masa [g]
0,15
0,1
0,05
0
0
20
40
60
80
100
Czas [s]
Rysunek 1. Zmiana kąta zwilżania dla SSF na powierzchniach dysków polimerowych:
Kąt zwilżania [ ]
Carbopol 974P NF:Kollidon VA 64:HEC 1:1:1,
Carbopol 974P NF,
Carbopol 974P NF:HEC 1:2,
Carbopol 974P NF:Kollidon VA 64 1:1.
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
Czas [s]
20
25
30
Rysunek 2. Zmiana kąta zwilżania dla wody redestylowanej na powierzchniach dysków polimerowych:
Kollidon VA 64:HEC 2:1,
Kollidon VA 64:HEC 1:1,
Kollidon VA 64,
Kollidon VA 64:HEC 1:2.
W pierwszym etapie badań przeprowadzono pomiary chłonności proszków polimerowych.
Z uwagi na możliwość zastosowania polimerów i ich mieszanin jako nośniki leków przeprowadzono
pomiary w temperaturze 21 ± 0,5 °C oraz 36,6 ± 0,5 °C. Wyniki badań wykazały, że polimery
34
BioOrg 2015
mukoadhezyjne różnią się zdolnością absorpcji wody i płynów fizjologicznych. Co więcej, chłonność
układów mieszanin polimerów mukoadhezyjnych silnie zależy od rodzaju i składu wagowego
poszczególnych
komponentów
mieszaniny.
Badania
wykazały,
że
dwukrotny
nadmiar
hydroksyetylocelulozy (HEC) w stosunku do innego komponenta, z którym tworzy mieszaninę znacznie
poprawia jego chłonność. Obserwuje się synergizm we właściwościach absorpcyjnych składników.
Z pośród wszystkich przebadanych mieszanin proszkowych najgorsze rezultaty wykazały mieszaniny
z poliwinylopirolidonem (Kollidon VA 64). Jego dodatek pogarszał chłonność składnika, z którym
tworzył mieszaninę.
W kolejnym etapie badano kinetykę kąta zwilżania wody i płynów biologicznych
na powierzchniach dysków polimerów mukoadhezyjnych. Wykazano, że również w przypadku dysków
najlepsze
właściwości
zwilżające
otrzymano
dla
kompozycji
posiadających
w
składzie
hydroksyetylocelulozę (HEC). Z kolei. Na uwagę zasługuje również fakt, że poliwinylopirolidon
(Kollidon VA 64) i jego mieszaniny wykazują odmienne zachowania w zależności od tego czy występują
w postaci proszku czy dysku. Na podstawie wyników badań można stwierdzić, że właściwości
powierzchniowe, w tym zwilżalność i swobodna energia powierzchniowa, zależą w dużej mierze
od postaci farmakologicznej badanych polimerów. Z tego względu przygotowując postać leku należy
wziąć pod uwagę różnice we własnościach powierzchni proszków i dysków. Udowodniono również,
że właściwości zwilżające polimerów i ich mieszanin, zarówno w postaci proszków jak i dysków, zależą
od pH modelowych płynów biologicznych. Z analizy otrzymanych rezultatów wynika, że większość
zbadanych kompozycji polimerowych wykazuje bardzo dobre hydrofilowe właściwości. Na uwagę
zasługuje fakt, że badane kompozycje posiadają cechy pożądane w mukoadhezyjnych systemach,
tj. pęcznienie i wytwarzanie warstwy żelu w kontakcie z cieczami pomiarowymi.
Rysunek 3. Obraz SEM: Kollidon VA 64.
35
BioOrg 2015
Mając na uwadze wpływ struktury i morfologii na właściwości zwilżające i chłonne badanych
formulacji dokonano obrazowania powierzchni i struktury polimerów techniką SEM. Znaczne różnice
w morfologii i rozmiarach ziaren proszków sugerują, że mieszaniny nie mogą tworzyć morfologicznie
jednorodnych układów. Analiza morfologii oraz chłonności/zwilżalności pozwoliła stwierdzić, że różnice
we właściwościach powierzchniowych badanych związków są spowodowane głównie ich składem
chemicznym a nie strukturą.
Rysunek 4. Obraz SEM: Kollidon VA 64:HEC 1:1.
Literatura:
[1] R. Nallathambi, V. Gopal (2004) Mucoadhesive buccal drug delivery system – a comprehensive and promising novel drug
delivery, International Journal of Pharmaceutical Sciences and Research 5(5):1146-1151.
[2] R. Shaikh, T. Raghu Raj Singh, M. J. Garland, A. D. Woolfson, R. F. Donnelly (2011) Mucoadhesive drug delivery
systems, Journal of Pharmacy and Bioallied Sciences 3:89-100.
[3] J. M. Llabot, R. H. Manzo, A. Allemandi, Double-layered mucoadhesive tablets containing nystatin (2002) AAPS
PharmSciTech 3:47-52.
[4] Huang Y., Leobandung W., Foss A., Peppas N.A. (2000) Molecular aspects of muco- and bioadhesion: Tethered structures
and site-specific surfaces, Journal of Controlled Release 65:63-71.
[5] M. Płaczek, M. Szmitowska (2009) Zjawisko mukoadhezji i jego znaczenie w aplikacji leku, Polimery w medycynie 39:
49-64.
[6] C. A. Prestidge , G. Tsatouhas (2000) Wettability studies of morphine sulfate powders, International Journal of
Pharmaceutics 198:201-212.
36
BioOrg 2015
BADANIE WPŁYWU STRUKTURY ZWIĄZKÓW POSS NA CHARAKTER
ODDZIAŁYWAŃ Z MODELOWĄ BŁONĄ BIOLOGICZNĄ
Michał Dudek*, Marta Skrzypiec, Anna Wamke, Monika Rojewska, Krystyna Prochaska
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań
Funkcjonalizowane oktasilseskwioksany (POSS) stanowią grupę niezwykle obiecujących
materiałów hybrydowych o bardzo licznych możliwościach aplikacyjnych m.in. jako komponenty
biomateriałów, biosensorów czy kosmetyków [1-5]. Spore zainteresowanie związkami typu POSS
spowodowane jest ich zdolnością do wytworzenia bezpośrednich wiązań z osnową polimerową oraz
posiadaniem ściśle zdefiniowanych rozmiarów nanometrycznych w stosunku do komercyjnych
napełniaczy. Tak pożądane właściwości związków POSS wynikają z ich budowy strukturalnej,
a mianowicie obecności w ich cząsteczkach sztywnego i odpornego termicznie rdzenia krzemotlenowego oraz przyłączonych do jego naroży organicznych grup funkcyjnych. Prowadzone w tym
zakresie badania wykazały, że dodatek POSS do matrycy polimerowej polepsza wiele parametrów
fizycznych „napełnianych” materiałów [6], które są niezmiernie istotne z punktu widzenia możliwości
zaprojektowania cząsteczki nanonapełniacza dla tworzyw wykorzystywanych m.in. w medycynie i w
inżynierii biomedycznej. Z doniesień literaturowych wynika, że POSS mogą wbudowywać sie w
bioaktywne nanokompozyty i być tym samym wykorzystywane jako medyczne materiały hybrydowe
mające zastosowanie w inżynierii komórkowej [7], w formowaniu nanokompozytów dentystycznych [8],
czy też mogące pełnić rolę nanonośników w systemach dostarczania leków [5]. Wymienione aplikacje
biomedyczne POSS są ściśle związane z oddziaływaniem tych związków na błony komórkowe. Niemniej
jednak wpływ POSS na modelowe błony biologiczne nie został jeszcze zbadany na poziomie
molekularnym.
Większość
doniesień
literaturowych
dotyczy
oszacowania
toksyczności
i biodegradowalności związków typu POSS [9]. Z tego względu niezmiernie ważnym jest podjęcie badań
podstawowych dotyczących oddziaływań POSS z komponentami modelowej błony komórkowej.
Celem przeprowadzonych badań jest określenie wpływu struktury wybranych związków POSS
na właściwości powierzchniowe monowarstw Langmuira utworzonych na granicy faz woda/powietrze z
udziałem DPPC jako modelowego komponentu błony komórkowej.
Pomiary przeprowadzono na wadze Langmuira firmy KSV Nima wyposażonej w mikroskop
kąta Brewstera oraz miernik potencjału powierzchniowego. Jako subfazę stosowano ultraczystą wodę
(18,2 MΩ·cm i 71,98±0,01 mN/m). Zaproponowana metoda badawcza umożliwia analizę wspomnianych
oddziaływań typu związek POSS-modelowa błona biologiczna ponieważ fosfolipidy i inne składniki
błony komórkowej rozpościerają sie na powierzchni woda/powietrze tworząc monowarstwę, którą można
traktować jako prototyp błony biologicznej.
W celu określenia wpływu związków POSS na właściwości lepkosprężyste modelowej błony
biologicznej, przeprowadzono badania reologiczne na granicy faz woda/powietrze. Wykorzystano dwie
37
BioOrg 2015
metody różniące się typem zastosowanych odkształceń: metodę oscylujących barier (odkształcenia
dylatacyjne) oraz ISR (odkształcenia ścinające). W wyniku przeprowadzonych badań rejestrowano
zmiany międzyfazowego modułu elastyczności i lepkości [10]. Wszystkie badania prowadzono w stałej
temperaturze 25oC.
Na podstawie otrzymanych wyników badań stwierdzono, że zarówno budowa rdzenia
krzemowo-tlenowego POSS (zamknięta lub otwarta klatka), jak i charakter grup funkcyjnych
przyłączonych do naroży rdzenia decydują o właściwościach powierzchniowych i morfologii
Wykazano, ze struktura chemiczna pochodnych POSS wpływa na charakter oddziaływań
związków z modelowa błona biologiczna, Dla fluorowanych pochodnych POSS stwierdzono
występowanie słabych oddziaływań z cząsteczkami DPPC. Obserwowany efekt spowodowany jest
występowaniem silnie hydrofobowych grup funkcyjnych w strukturze cząsteczki POSS co skutkuje
występowaniem słabszych oddziaływań w układzie pochodna POSS-DPPC niż pomiędzy cząsteczkami
DPPC i wodna subfaza. Co więcej, podczas sprężania monowarstwy następuje stopniowe tworzenie się
dwuwarstwy w obszarze charakterystycznego przejścia fazowego, co również świadczy o braku
wzajemnej mieszalności fluorowanych pochodnych POSS i DPPC. Na zarejestrowanych obrazach BAM
widoczne jest wypiętrzania i agregowanie związku krzemoorganicznego (Rys.1a).
Rysunek 1. Obrazy BAM dla monowarstw utworzonych przez równomolowe mieszaniny: a) fluorowana pochodna POSS i DPPC b)
oksyetylenowana pochodna POSS i DPPC
Ciekawe
właściwości
wykazują
monowartswy
formowane
przez
POSS
zawierające
oksyetylenowane łańcuchy węglowodorowe. Mieszaniny złożone z oksyetylenowanej pochodnej POSS i
DPPC tworzą homogeniczne monowarstwy, co z kolei świadczy o dobrej mieszalności komponentów
(Rys.1b).
38
BioOrg 2015
Powszechnie wiadomo, że wzajemna mieszalność komponentów biologicznych z substancją
aktywną wpływa na szereg właściwości powierzchniowych błon komórkowych m.in. na potencjał
powierzchniowy membrany. Dlatego jednym z elementów poznawczych realizowanych badań jest
pomiar potencjału powierzchniowego związków POSS i ich mieszanin z DPPC. W zależności od
ugrupowań funkcyjnych występujących w cząsteczce POSS obserwuje się znaczne różnice w przebiegu
krzywych potencjału V-A (zmiana potencjału powierzchniowego w funkcji powierzchni przypadającej na
monowarstwy na granicy faz woda/powietrze. Natomiast dla pochodnych z oksyetylenowanymi
łańcuchami wodorowymi widoczny jest systematyczny wzrost potencjału aż do osiągnięcia maksymalnej
wartości w punkcie załamania monowarstwy. Dodatek związków krzemoorganicznych do modelowej
błony komórkowej wpływa również na właściwości reologiczne membrany. Dla większości mieszanin
typu POSS-DPPC obserwuje się zmiany we właściwościach lepkosprężystych monowarstwy.
Mając na uwadze potencjalne zastosowanie POSS jako składników biokompozytów
przeprowadzono badania polegające na modyfikacji powierzchni materiałów poprzez powlekanie ich
powierzchni związkami POSS. Monowarstwy wybranych pochodnych POSS zostały przeniesione
metodą LB na powierzchnię ciała stałego i poddane ocenie zwilżalności (pomiary wykonano na aparacie
Theta KSV Nima). Wykazano, że rodzaj grup funkcyjnych w cząsteczce POSS w istotny sposób wpływa
na charakter powierzchni modyfikowanego materiału. Cienkie filmy utworzone przez fluorowane
pochodne POSS hydrofobizują powierzchnię modyfikowanego materiału. Natomiast cienkie filmy
formowane
przez
POSS
z
oksyetylenowanymi
łańcuchami
węglowodorowymi
hydrofilizują
powierzchnię ciała stałego.
W badaniach stosowano pochodne POSS zsyntezowane w zespole Prof. H. Maciejewskiego z UAM
w Poznaniu. Praca badawcza jest finansowana ze środków 03/32/DSMK/0515.
Literatura:
[1] D.W. Scott, Thermal rearrangementof branched-chain methylpolysiloxanes, J. Am. Chem. Soc. 1984 (68): 356–360
[2] R.H. Baney, M. Itoh, A. Sakakibara, T. Suzuki, Silsesquioxanes, Chem. Rev. 1995 (95): 1409–1430
[3] J. Deng, B.D. Viers, A.R. Esker, J.W. Anseth, G.G. Fuller, Phase behavior andviscoelastic properties of trisilanolcyclohexyl-POSS at the air/water interface, Langmuir 2005 (21): 2375–2385
[4] P.D. Lickiss, F. Rataboul, Fully condensed polyhedral oligosilsesquiox-anes (POSS): from synthesis to application, Adv.
Org. Chem. 2008 (57): 1–116
[5] D.B. Cordes, P.D. Lickiss, F. Rataboul, Recent Developments in the Chemistry of Cubic Polyherdal Oligosilsesquioxanes,
Chem. Rev. (Washington, DC, U.S.) 2010 (110): 2081−2173
[6] G. Li, L. Wang, H. Ni, Jr. C.U.Pittman, Polyhedral oligomeric silsesquioxane(POSS) polymers and copolymers: a review,
J. Inorg. Organomet. Polym. 2001 (11): 123–154
[7] C. Hartmann-Thompson Applications of Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes; Ed.; Advances in Silicon Science;
Springer: Dordrecht, The Netherlands, 2011 (3)
[8] S. Kim, S. J. Heo, J. Y. Koak, J. H. Lee, Y. Lee, D. J. Chung, J.Lee, S. D. Hong, A biocompatibility study of a reinforced
acrylic-based hybrid denture composite resin with polyhedraloligosilsesquioxane J. Oral Rehabil. 2007 (34): 389-395
[9] F. Re o, F. Carniato, M. Rizzi, F. Olivero, P. Pittarella, L. Marchese Flow Cytometry Evidence of Human Granulocytes
Interaction with Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes, Nanotechnology 2013 (24): 185101−185107
[10] Rachel E. Kurtz, Arno Lange, and Gerald G. Fuller Interfacial Rheology and Structure of Straight-Chain and Branched
Fatty Alcohol Mixtures, Langmuir 2006 ( 22): 5321-5327
39
BioOrg 2015
BIODEGRADACJA FOLII PVC/PLA PRZEZ SZCZEP
ASPERGILLUS VERSICOLOR
Anna Dzionek1*, Jolanta Pająk1, Jagna Karcz2, Błażej Chmielnicki3, Krzysztof Bortel3
1
Katedra Biochemii, Uniwersytet Śląski, ul. Jagiellońska 28, 40-032 Katowice
Pracownia Technik Mikroskopowych, Uniwersytet Śląski, ul. Jagiellońska 28, 40-032 Katowice
3
Oddział Farb i Tworzyw w Gliwicach, Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników,
ul. Chorzowska 50A, 44-100 Gliwice
2
Światowa produkcja tworzyw sztucznych systematycznie wzrasta. Dzięki takim właściwościom
jak znaczna odporność termiczna i chemiczna, folie polimerowe są szeroko stosowane w różnych
gałęziach przemysłu, w tym głównie w przemyśle opakowań. Krótki czas życia wyrobów foliowych,
prowadzi do powstawania znacznej ilości odpadów, które są akumulowane na dzikich lub
zorganizowanych wysypiskach śmieci [1].
Polimery krystaliczne, o dużej masie cząsteczkowej, hydrofobowe oraz zawierające wyłącznie
wiązania C-C i C-H określane są mianem polimerów stabilnych. W środowisku naturalnym, ich czas
biologicznego rozkładu może wynosić nawet 1000 lat. Do tej grupy polimerów zalicza się przede
wszystkim poliolefiny (polietylen, polipropylen i polistyren) oraz poli(chlorek winylu) (PVC) [2,3].
Poli(chlorek winylu) jest przedstawicielem polimerów winylowych. Światowa konsumpcja PVC
w 2006 roku wyniosła około 27 bilionów kilogramów, co czyni go trzecim, po polietylenie oraz
polipropylenie, najszerzej produkowanym polimerem na świecie [4]. PVC, poza atomami węgla i wodoru
zawiera w swojej strukturze również atomy chloru, w wyniku czego, mikroorganizmy go nie rozkładają
lub powodują śladowe ubytki jego masy [3]. Z tego powodu poszukuje się sposobów zwiększania jego
biodegradowalności.
Jedna z metod zwiększenia biodegradacji polimerów stabilnych zakłada napełnienie ich
polimerami naturalnymi, bądź syntetycznymi, takimi jak na przykład poliestry, które zawierają grupy
wrażliwe na atak mikroorganizmów. Takie zaburzenie struktury polimeru stabilnego, umożliwia
wykorzystanie go przez mikroorganizmy jako źródło węgla i energii [2,3,5,6].
Poli(kwas mlekowy) (PLA) jest całkowicie biodegradowalnym poliestrem. Czas jego
całkowitego rozkładu w kompoście wynosi 47 dni, a w środowisku naturalnym około dwóch lat.
Otrzymywany jest na drodze polimeryzacji kwasu mlekowego, pochodzącego z syntezy biologicznej lub
chemicznej [7].
W pracy badano biodegradację tworzyw wykonanych z PVC modyfikowanych różną
zawartością PLA (0–50 %) przez grzyby mikroskopijne Aspergillus versicolor. Do badań użyto tego
40
BioOrg 2015
szczepu, ponieważ rodzaj Aspergillus jest zdolny do kolonizacji i niewielkiego rozkładu PVC oraz
degraduje poliestry, do których należy poli(kwas mlekowy) [8].
Stopień degradacji folii szacowano poprzez wyznaczenie zmian masy próbek po degradacji.
Wzrost mikroorganizmów oraz wywołane przez nie zmiany degradacyjne na powierzchni folii
obserwowano w skaningowym mikroskopie elektronowym (SEM). Zmiany własności mechanicznych
tworzyw ustalano na podstawie statycznej próby rozciągania.
Wykazano, że szczep Aspergillus versicolor był zdolny do wzrostu i degradacji zarówno PVC,
jak i jego kompozytów z PLA. Dodatek poli(kwasu mlekowego) przyspieszył rozkład poli(chlorku
winylu) przez badane mikroorganizmy.
Literatura:
[1] B. Chmielnicki, J. Konieczny, W. Pakieła (2014) Selected properties of plasticized PVC modified by recyclate of
polylactide film, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing 4(8):16-20.
[2] J. Pająk, B. Nowak, S. Łabużek (2009) Biodegradacja wybranych polimerów syntetycznych, Problemy Ekologii
13:154-159.
[3] H. Kaczmarek, K. Bajer (2008) Badanie przebiegu biodegradacji kompozytów poli(chlorek winylu)/celuloza, Polimery
53:631-638.
[4] C. Ibeh (2011) Thermoplastic materials: properties, manufacturing methods, and applications, CRC Press, Boca Raton
[5] J. Gołębiewski, E. Gibas, R. Malinowski (2008) Wybrane polimery biodegradowalne - otrzymywanie, właściwości,
zastosowanie, Polimery 53:799-807.
[6] D. Żuchowska, R. Steller, W. Meissner (2007) Kompozyty polimerowe podatne na (bio) degradację, Polimery 52:524-531.
[7] Y. Tokiwa, A. Jarerat (2004) Biodegradation of poly (L-lactide), Biotechnology Letters 26(10):771-777.
[8] B. Nowak, J. Pająk, M. Drozd-Bratkowicz, G. Rymarz (2011) Microorganisms participating in the biodegradation of
modified polyethylene films in different soils under laboratory conditions, International Biodeterioration & Biodegradation
65:757-767.
41
BioOrg 2015
ZASTOSOWANIE DPASV DO OZNACZANIA WYBRANYCH METALI
CIĘŻKICH W ALGACH POCHODZĄCYCH Z MORZA CZARNEGO
Małgorzata Gaj, Bożena Karbowska, Tomasz Rębiś
Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4,61-138 Poznań
* e-mail:[email protected]
Zanieczyszczenie środowiska metalami ciężkimi jest jednym z ważniejszych zagrożeń
dla zdrowia ludzi. Do organizmu człowieka metale ciężkie są wchłaniane przez skórę, wdychane,
spożywane z produktami roślinnymi i zwierzęcymi. Zagrożenie ze strony metali ciężkich wynika
bezpośrednio z ich przemieszczania się w łańcuchu troficznym gleba - roślina - zwierzę - człowiek
i z możliwości kumulacji w ostatnim ogniwie, czyli organizmie człowieka [1].
Do najważniejszych źródeł metali ciężkich w elementach środowiska zaliczyć należy skałę
macierzystą, emisje przemysłowe, komunikacyjne, gospodarkę komunalną oraz rolnictwo [2].
Koncentracja metali ciężkich w środowisku jest dość zróżnicowana, a działanie ich zależy od pobranej
dawki, rodzaju pierwiastka, postaci chemicznej w jakiej występuje, a także od kondycji organizmu [3].
Metale ciężkie tj. kadm lub ołów wykazują w stosunku do roślin wysoką toksyczność. Powodują
zmiany w procesach fizjologicznych [4]. Proces akumulacji metali w roślinie składa się z trzech faz:
mobilizacja jonów, pobieranie, transport do miejsc składowania w roślinie, a ich akumulacja prowadzić
może do zahamowania wzrostu, a także ograniczenia pobierania składników pokarmowych [5].
Istnieją różne mechanizmy odporności na metale ciężkie, które pozwalają uniknąć szkodliwych
skutków, w tym: ograniczenie przenikania metali do symplastu poprzez wydzielenie śluzów i ligandów
chelatujących metale oraz zmianę chemiczną składu plazmolemmy lub zablokowanie toksycznych jonów
metali w ścianie komórkowej za pomocą pektyn. Ważną rolę odgrywają związki fosforu, zwłaszcza
fityna, która jest związkiem chelatującym jony metali występujących w roślinach [5].
Celem przeprowadzonych badań było oznaczenie zawartości wybranych metali ciężkich,
tj. kadmu i ołowiu w algach pochodzących z zachodniej strefy przybrzeżnej Morza Czarnego. Ołów jest
pierwiastkiem niewystępującym w sposób naturalny w wodach powierzchniowych. Jego obecność
uważana jest za zanieczyszczenie. Ołów zazwyczaj dostaje się do zbiorników z pobliskich fabryk,
w wyniku niewłaściwego gospodarowania nieoczyszczonymi odpadami, ściekami. Jego związki są
kumulowane w postaci osadów dennych rzek lub stojących zbiorników wodnych [6,7].
Drugim toksycznym metalem ciężkim jest kadm, zaliczany do związków potencjalnie
rakotwórczych w odniesieniu do człowieka [8]. Dodatkowo metal ten wykazuje działanie genotoksyczne,
mutagennne i niekorzystnie wpływa na układ endokrynny [9,10]. Duża jego ilość znajduje się w rudach
cynku oraz w paliwach kopalnych takich jak węgiel kamienny. Jego zawartość na terenach nieskażonych
42
BioOrg 2015
zależy od rodzaju gleby i skały macierzystej [11]. Kadm jest zdolny do tworzenia rozpuszczalnych
związków kompleksowych z substancjami organicznymi, dzięki czemu łatwo ulega przemieszczeniu
w głębsze warstwy gleby [12]. Zawartość kadmu w czystych zbiornikach wodnych nie przekracza 1 ppb
[13]. Jest on szybko wytrącany w postaci węglanów, a także sorbowany w postaci tlenków
i wodorotlenków metali [14].
Analizie poddano 3 rodzaje alg pobranych w okresie letnim 2015 roku, wywodzących się z klasy
Cryptogamia, rodzaju Cystoseira i Ulva oraz klasy Eucaryctic. Reprezentatywną próbkę z każdego
rodzaju alg uzyskano poprzez połączenie i dokładne zmielenie przy użyciu moździerza agatowego
wysuszonych materiałów roślinnych. Odważki o masach od 0,1–0,25 g (w zależności od badanego
biomateriału), mineralizowano na mokro w układzie otwartym. Próbki umieszczano w naczyniach
teflonowych i dodawano na gorąco 73 % kwas fluorowodorowy (FLUKA, cz.d.a), 65 % kwas
azotowy(V) (FLUKA, cz.d.a) oraz nadtlenek wodoru (30 %, FLUKA, cz.d.a). Po odparowaniu próbek do
sucha ponownie dodawano czynnik utleniający (HNO3, 65 %) i pod przykryciem ogrzewano próbki
w temperaturze 100 °C przez następne 2 h. Ta ostatnia faza rozpuszczania ma znaczenie kluczowe dla
odzysku metali podczas dekompozycji próbek roślinnych [15]. Po procesie mineralizacji próbki
przenoszono do kolb miarowych o objętości 100 cm3 i dodawano roztwór CH3COOH w takiej ilości, aby
jego końcowej stężenie wyniosło 0,25M. Stężenie ołowiu i kadmu w próbkach określano metodą
wielokrotnego dodatku wzorca. Wszystkie roztwory przygotowane zostały przy użyciu wody podwójnie
destylowanej oczyszczonej w procesie odwróconej osmozy w aparacie firmy Watek-Demiwa (Republika
Czeska). Stężenie wybranych metali ciężkich wyznaczano metodą woltamperometrii impulsowej
różnicowej z zastosowaniem błonkowej elektrody rtęciowej (DPASV).
Metoda DPASV jest czułą i szeroko wykorzystywaną techniką ilościowego oznaczania metali
ciężkich w próbkach wody i gleby [16]. Zastosowano trójelektrodowy układ pomiarowy składający się
z: elektrody pracującej – MFE (szklista elektroda węglowa pokryta filmem rtęci), elektrody odniesienia
(elektroda kalomelowa) oraz elektrody pomocniczej (elektroda platynowa). Po wytworzeniu błonki rtęci
utrzymywano potencjał elektrody równy 0,0 V. Zatężanie kadmu i ołowiu poprzez ich elektrochemiczne
wydzielenie na błonkowej elektrodzie rtęciowej dokonywano w czasie określanym jako czas zatężania,
który wynosił w zależności od rodzaju próbki od 600–3600 s. Po upływie czasu zatężania zapisywano
woltamperogram w kierunku anodowym (z amplitudą pulsu 50mV i szybkością polaryzacji elektrod
równą 16 mV/s).
Wyniki pomiaru zawartości oznaczanych pierwiastków przedstawiają Tabele 1 i 2.
43
BioOrg 2015
Tabela 1. Zawartość kadmu [ng·g-1] w analizowanym materiale biologicznym.
Rodzaj alg
Odważka
[g]
Średnia
(n=3)
[ng∙g-1]
Minimu
m
[ng∙g-1]
Maksimum
[ng∙g-1]
Mediana
[ng∙g-1]
Odchylenie
standardowe
[ng∙g-1]
1. Cystoseira
0,2510
1,97
1,8
2,1
2,0
1,53e-4
2. Ulva
0,1220
4,00
3,8
4,2
4,0
2,00e-3
3. Eucaryota
0,1514
2,87
2,7
3,0
2,9
1,53e-4
Tabela 2. Zawartość ołowiu [ng·g-1] w analizowanym materiale biologicznym.
Odważka
[g]
Średnia
(n=3)
[ng∙g-1]
Minimum
[ng∙g-1]
Maksimu
m
[ng∙g-1]
Mediana
[ng∙g-1]
Odchylenie
standardowe
[ng∙g-1]
1. Cystoseira
0,2510
0,203
0,19
0,22
0,2
0,0153
2. Ulva
0,1220
0,203
0,17
0,24
0,2
0,0351
3. Eucaryota
0,1514
0,697
0,65
0,74
0,7
0,0450
Rodzaj alg
W
celu
skontrolowania
prawidłowości
metody
woltamperometrycznej
wykorzystano
certyfikowany materiał odniesienia, który stanowiła gleba GBW0748.
Badania zawartości kadmu i ołowiu w algach z Morza Czarnego pozwoliły na określenie ich
stopnia akumulacji. Stężenie oznaczanych metali różni się w zależności od wybranego biomateriału.
Najwyższe zawartości kadmu odnotowano w algach z rodziny Ulva, najniższe natomiast w Cystoseira.
W przypadku ołowiu najwyższe stężenie oznaczono w algach z rodziny Eucaryota. Uzyskane wyniki
badań wykazały jednak niski poziom kumulacji metali ciężkich w wybranych algach w porównaniu
z danymi literaturowymi [17]. Morskie gatunki alg mogą być z powodzeniem wykorzystywane
w monitoringu zanieczyszczeń wód morskich metalami ciężkimi [18].
Badania zostały wykonane przy finansowym wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego,
projekt badawczy DS PB 31-293/2015
(odstęp pojedynczy, 10 pkt)
Literatura:
[1] A. Ociepa-Kubicka, E. Ociepa (2012) Toksyczne oddziaływanie metali ciężkich na rośliny, zwierzęta i ludzi. Inżynieria
Ochrony Środowiska 2:169-180.
[2] A. Sas-Nowosielska (2009) Fitotechnologie w remediacji terenów zanieczyszczonych przez przemysł cynkowo ołowiowy,
Monografia nr 189, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa.
[3] A. Kabata-Pendias, H. Pendias (2001) Trace elements in soil and plants, 3rd Edition, CRC Press, Boca Raton.
[4] G. Rout, P. Das (2003) Effect of metal toxicity on plant growth and metabolism. I. Zinc. Agronomie 23:3-11.
[5] J. Kopcewicz, I. S. Lewak (2002) Fizjologia roślin, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
44
BioOrg 2015
[6] I. Krzywy, E. Krzywy, M. Pastuszak-Gabinowski, A. Brodkiewicz (2010) Ołów - czy jest się czego obawiać? Rocznik
Pomorski Akademii w Szczecinie 56:118-128.
[7] J. S. Duffy, G. W. van Loon (2005) Chemia środowiskowa 102:437-440.
[8] E. Gawęda (2003) Kadm i jego związki w środowisku pracy –zagrożenia, ocena ryzyka zawodowego, Bezpieczeństwo
Pracy 10:17-19.
[9] A. Skoczyńska, R. Poręba, A. Sieradzki, R. Andrzejak, U. Sieradzka (2002) Wpływ ołowiu i kadmu na funkcje układu
immunologicznego, Medycyna Pracy 53:259-264.
[10] M. Jakubowski (2012) Kadm i jego związki nieorganiczne- w przeliczeniu na Cd, Podstawy i Metody Oceny Środowiska
Pracy 72:111-146.
[11] A. Karczewska (2002) Metale ciężkie w glebach zanieczyszczonych emisjami hut miedzi- formy i rozpuszczalność,
Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej we Wrocławiu 432:1-159.
[12] I. Krzywy, E. Krzywy, J. Peregud-Pogorzelski, K. Łuksza, A. Brodkiewicz (2011) Kadm, czy jest się czego obawiać?
Rocznik Pomorski Akademii Medycznej w Szczecinie 57:49-63.
[13] Statistical Yearbook (2008) Environmental protection, Polish Main Statistical Office 2008, Warszawa.
[14] ] C. H. Walker, S. P. Hopkin, R. M. Sibly, D. B. Peakall (2002) Podstawy ekotoksykologii, Wydawnictwo Naukowe
PWN, Warszawa.
[15] R. F Weiner, R. A Mathews (2003) Environmental Engineering, Elsevier Science, Burlington.
[16] Z. Łukaszewski, M. Jakubowska, W. Zembrzuski, B. Karbowska, A. Pasieczna (2010) Electroanalysis 22:1963-1971.
[17] C. Locatelli, G. Torsi (2002) A new voltammetric method for the simultaneous monitoring of heavy metals in sea water,
sediments, algae and clams: application to the Goro Bay ecosystem, Environmental Monitoring and Assessment 75:281-292.
[18] V. Villares, X. Puente, A. Carballeira (2001) Ulva and Enteromorpha as indicators of heavy metal pollution,
Hydrobiologia 462:221-231.
45
BioOrg 2015
HYBRYDOWY NAPEŁNIACZ KRZEMIONKA/LIGNINA W KOMPOZYTACH
Z POLILAKTYDEM
Aleksandra Grząbka-Zasadzińska*, Łukasz Klapiszewski,
Teofil Jesionowski, Sławomir Borysiak
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska
ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań
W obecnych czasach duży nacisk kładzie się na opracowywanie polimerów otrzymywanych
z odnawialnych źródeł, a tym samym uniezależnienie produkcji tworzyw sztucznych od przemysłu
petrochemicznego. W centrum zainteresowania znajdują się także nowe typy napełniaczy, do których
zalicza się również napełniacze nieorganiczno/organiczne [1].
Polilaktyd (PLA) to termoplastyczny, chiralny poliester otrzymywany na drodze polimeryzacji
z otwarciem pierścienia. Może być w 100% wytwarzany z odpadów przemysłu spożywczego i rolnego,
a 1 kg tego tworzywa można uzyskać z ok. 2,5 kg ziarna kukurydzy. Jego właściwości są zbliżone
do polistyrenu, a po modyfikacji do polipropylenu oraz polietylenu. PLA jest często wykorzystywany
w przemyśle opakowaniowym oraz w zastosowaniach medycznych (w postaci włókien lub folii),
m.in. ze względu na fakt, że w podwyższonych temperaturach oraz wysokiej wilgotności ulega
relatywnie szybkiemu procesowi biodegradacji do CO2 i H2O [2]. Jedną z głównych wad PLA jest niska
odporność termiczna, która znacząco ogranicza dziedziny jego zastosowania. Wiadomo jednakże, że
zastosowanie napełniaczy pozwala na przyspieszenie krystalizacji PLA i tym samym pokonanie tej wady.
Zastosowanie napełniaczy nieorganicznych powoduje znaczącą poprawę właściwości termicznych,
mechanicznych
i także chemicznych biokompozytów, w których zostały użyte [3-5].
Krzemionka jest dobrze znanym i wysoko cenionym napełniaczem nieorganicznym. Wykazuje
dobre właściwości termiczne (temperatura topnienia 1710 °C), wytrzymałościowe, a jej duża
powierzchnia właściwa sprawia, że jest często wykorzystywana jako adsorbent i nośnik faz stacjonarnych
[6]. Wiadomo również, że jako napełniacz polimerowy krzemionka już przy małym udziale procentowym
powoduje istotną poprawę właściwości wytrzymałościowych (np. wydłużenie przy zerwaniu, udarność
z karbem), termicznych, chemicznych oraz barierowych. Nie jest niestety napełniaczem idealnym,
ponieważ wykazuje tendencję do aglomeracji [7,8].
Lignina składa się z powtarzalnych jednostek polifenolowych i współtworzy materiał ścian
komórkowych roślin. Jest również produktem ubocznym procesu „krafta” stosowanego w przemyśle
papierniczym, dzięki czemu jest łatwo dostępna i tania. duża dostępność, niska cena [9]. Jej główną
wadą słaba odporność termiczna, ponieważ degraduje ona w temperaturze powyżej 170 °C. W rezultacie
jej właściwości mechaniczne ulegają pogorszeniu [10]. Obecność w strukturze celulozy alifatycznych
46
BioOrg 2015
i aromatycznych grupy hydroksylowe jest odpowiedzialna ze jej wysoką polarność. Powoduje to
problemy w trakcie procesu wytłaczania, ponieważ tworzą się pęcherze powietrza, które utrudniają
przepływ polimeru przez dyszę.
Układy hybrydowe SiO2/lignina łączą właściwości mechaniczne i wytrzymałościowe
nieorganicznej krzemionki z niedrogą, organiczną ligniną, dzięki czemu cieszą się coraz większą
popularnością [7,8]. Uzyskane na drodze takiego połączenia materiały mogą być wykorzystywane jako
napełniacze polimerowe bądź biosorbenty [7,11,12]. Zarówno zawartość napełniacza hybrydowego
w matrycy polimerowej, jak i jego wpływ na strukturę supermolekularną, morfologię matrycy
polimerowej, a także zjawiska zachodzące na granicy międzyfazowej polimer/napełniacz jest szczególnie
istotny i warunkuje uzyskanie odpowiednich właściwości mechanicznych materiałów kompozytowych.
Dzieje się tak m.in. dlatego, że silne interakcje występujące na granicy międzyfazowej pozwalają na
przenoszenie obciążeń powstających w układzie i tym samym zapobiegają pogorszeniu właściwości
wytrzymałościowych.
Już same materiały lignocelulozowe mogą być heterogenicznymi nukleantami krystalizacji
wzdłuż granicy międzyfazowej o dużej gęstości zarodków, mającymi wpływ na powstawanie struktur
transkrystalicznych. Uważa się, że obecność tych struktur wykazuje znaczący wpływ na otrzymywanie
kompozytów o dobrych parametrach [13,14]. Opracowanie nanokompozytów PLA do zaawansowanych
zastosowań technologicznych wymaga zrozumienia zjawisk zachodzących na granicy międzyfazowej
polimer/napełniacz i struktury supermolekularnej. Dlatego właśnie celem niniejszych badań było
określenie wpływu parametrów fizykochemicznych hybrydowych materiałów krzemionka/lignina na ich
zdolności nukleacyjne oraz zdolność do tworzenia struktur transkrystalicznych w matrycy PLA.
W przedstawionych badaniach amorficzną krzemionkę Syloid 244 oraz ligninę krafta połączono
mechanicznie. Przygotowano cztery materiały hybrydowe zawierające krzemionkę i ligninę w stosunkach
ilościowych odpowiednio 1:1, 2:1, 5:1 i 20:1. Metodą wytłaczania wykonano folie kompozytowe PLA
zawierające 2,5% wag. napełniacza hybrydowego. Przeprowadzone badania napełniaczy oraz
kompozytów obejmowały: szerokokątową dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego (WAXS),
spektroskopię w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), mikroskopię polaryzacyjną (PLM),
skaningową mikroskopię elektronową (SEM), różnicową kalorymetrię skaningowę (DSC), analizę
rozmiaru cząstek oraz właściwości porowatych materiałów (przy pomocy metody izotermy Brunauer–
Emmett–Teller i z wykorzystaniem algorytmu Barrett–Joyner–Halenda).
Materiał hybrydowy krzemionka/lignina okazał się być napełniaczem zdolnym do efektywnej
nuklaeacji krystalicznej, a proces ten, opisywany parametrem szybkości wzrostu i czasu indukcji, zależał
od zawartości ligniny w próbce i był ściśle związany z jej porowatością. Zdolności nukleacyjne
napełniacza hybrydowego krzemionka/lignina w matrycy PLA wiążą się z porowatością napełniacza
i jego składem. Za powstawanie struktur transkrystalicznych w układach PLA/ napełniacz hybrydowy
47
BioOrg 2015
odpowiedzialna była SiO2, będąca zasadniczym składnikiem napełniacza hybrydowego. Napełniacz
hybrydowy nie wywierał wpływu na strukturę supermolekularną ani wartość temperatury zeszklenia badanych
kompozytów.
Badania zostały finansowane z grantu NCN nr DEC-2013/09/B/ST8/00159.
Literatura:
[1] G. Milczarek, O. Inganas, (2012) Renewable cathode materials from biopolymer/conjugated polymer interpenetrating
networks, Science 335: 1468.
[2] A. Duda, S. Penczek, (2013) Polilaktyd [poli(kwas mlekowy)]: synteza, właściwości i zastosowania Polimery 48:16.
[3] Y. Wang, J.L. Gomez Ribelles, M. Salmeron Sanchez, J.F. Mano (2005) Morphological Contributions to Glass Transition
in Poly(l-lactic acid) Macromolecules 38:4712.
[4] B. Kalb, A.J. Pennings (1980) General crystallization behaviour of poly(l-lactic acid) Polymer 21:607.
[5] Z. Bartczak, A. S. Argon, R. E. Cohen, M. Weinberg (1999) Toughness mechanism in semi-crystalline polymer blends: II.
High-density polyethylene toughened with calcium carbonate filler particles Polymer, 40:2347.
[6] K. Kupiec, P. Konieczka, J. Namieśnik (2007) Charakterystyka, procesy chemicznej modyfikacji oraz zastosowanie
krzemionki i jej zmodyfikowanych postaci Ecological Chemistry and Engineering, 14 (S4):473.
[7] K. Bula, Ł. Klapiszewski, T. Jesionowski (2014) A novel functional silica/lignin hybrid material as a potential bio-based
polypropylene filler Polym. Compos. 36(5):913.
[8] T. Jesionowski, Ł. Klapiszewski, G. Milczarek (2014) Kraft lignin and silica as precursors of advanced composite
materials and electroactive blends J. Mater. Sci. 49:1376.
[9] J.C Li, Y. He, Y. Inoue (2003) Thermal and mechanical properties of biodegradable blends of poly(L-lactic acid) and
lignin Polym. Int.52(6): 949.
[10] G. Toriz, F. Denes, R.A. Young (2002) Lignin-polypropylene composites. Part 1: Composites from unmodified lignin and
polypropylene Polym. Compos. 23:806.
[11] G. Telysheva, T. Dizhbite, D. Evtuguin, N. Mironova-Ulmane, G. Lebedeva, A. Andersone, O. Bikovens, J. Chirkova, L.
Belkova (2009) Design of siliceous lignins – Novel organic/inorganic hybrid sorbent materials Scr. Mater. 60(8):687.
kraft lignin and its use as a novel ‘green’ sorbent for hazardous metal ions removal Chem. Eng. J. 260:684.
[13] S. Borysiak (2013) Influence of cellulose polymorphs on the polypropylene crystallization J. Therm. Anal. Calorim. 113:
281.
[14] S. Borysiak (2013) Fundamental studies on lignocellulose/polypropylene composites: Effects of wood treatment on the
transcrystalline morphology and mechanical properties J. Appl. Polym. Sci. 127:1309.
48
BioOrg 2015
NOWE SPOIWA ORGANICZNE DO NARZĘDZI ŚCIERNYCH
Artur Jamrozik*, Beata Strzemiecka
Wraz ze zwiększającą się świadomością ekologiczną producentów i rozwojem technologii
produkcji narzędzi ściernych poszukuje się rozwiązań, które byłyby w stanie zapewnić lepsze parametry
gotowym produktom, przy jednoczesnym ograniczeniu szkodliwego wpływu na środowisko. Można to
osiągnąć poprzez dodatek naturalnych biopolimerów do klasycznego spoiwa żywicznego, np. ligniny [1],
lub całkowite zastąpienie poprzez inny rodzaj żywicy jak np. benzoksazyny [2].
W trakcie analiz przebadano układy składające się z ziarna elektrokorundowego 95A
o gramaturze 120 mesh, środka zwilżającego ziarno w postaci żywicy ciekłej Rezol S oraz badanego
spoiwa. W roli testowanych spoiw wykorzystano układy żywicy nowolakowej MFR 9 i LFR 12 oraz
żywicy bez dodatku urotropiny z ligniną krafta, ligniną osadzoną na krzemionce i utlenioną ligniną
w różnych stosunkach. Zastępowano także standardowe spoiwo żywicą benzoksazynową. Jako punkt
odniesienia wybrano układy produkowane przemysłowo. Mieszanki do badań o składzie: 14 % spoiwa,
5 % środka zwilżającego i 81 % ziarna ściernego (odpowiadającym narzędziom produkowanym
w przemyśle) umieszczone zostały w formach w kształcie prostopadłościanów o wymiarach 140 x 10 x 4
mm. Tak przygotowane materiały wygrzane zostały w piecu zgodnie z dwoma programami
temperaturowymi
ułożonymi
dla
żywic
fenolowo.
Właściwości
fizyczne
przeanalizowano
z wykorzystaniem dynamicznej analizy mechaniczno-termicznej (DMTA), natomiast wydajność
uzyskanych modelowych narzędzi ściernych oceniono po wykonaniu prób eksploatacyjnych. Próby
eksploatacyjne polegały na ścieraniu wałka metalowego ze stali węglowej S235JR (zgodnie z normą EN
10025) o średnicy d = 50 mm przez 240 s. Miarą wydajności pracy narzędzia był ubytek masy w trakcie
próby.
Najwyższą wydajność pracy i najlepsze właściwości fizyczne wśród otrzymanych narzędzi
posiadały układy w których standardowe spoiwo zastąpiono żywica benzoksazynową oraz te, w których
zastosowano dodatek utlenionej ligniny. Jednocześnie udowodniono, ze lignina nie poddana modyfikacji
jest zbyt mało reaktywna aby zastosować ją w niezmienionej formie. Przeprowadzone badania dowiodły,
że przetestowane układy mogą być z powodzeniem zastosowane jako nowoczesna i bardziej ekologiczna
alternatywa dla klasycznych żywic fenolowo-formaldehydowych.
Literatura:
[1] T. Agag, H. Ishida (2011) Handbook of benzoxazine resins, Elsevier, Oxford.
[2] B. Benjelloun-Mlayah, M. Delmas, N. Tachon (2014) BioligninTM, a green phenol for bio-based phenolic resins,
International Journal of Adhesion and Adhesives 118
49
BioOrg 2015
ZASTOSOWANIE TECHNIKI ŚLEDZENIA RUCHU NANOCZĄSTEK (NTA)
W ANALIZIE ROZMIARU CZĄSTEK I BIOMATERIAŁÓW
Maciej Jarzębski1,2*, Tomasz Śliwa3, Rafał Kuzioła4, Barbara Bellich5, Tomasz Białopiotrowicz1
1
Katedra Chemii Fizycznej i Fizykochemicznych Podstaw Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Środowiska,
Wydział Zamiejscowy Nauk o Społeczeństwie w Stalowej Woli, Katolicki Uniwersytet Lubelski Jana Pawła II,
ul. Ofiar Katynia 8b 37-450 Stalowa Wola
2
Centrum Nanobiomedyczne, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 85, 61-614 Poznań
3
Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań
4
Katedra Chemii Analitycznej Środowiska, Instytut Inżynierii Środowiska,
ul. Ofiar Katynia 8b, 37-450 Stalowa Wola
5
Department of Chemical and Pharmaceutical Sciences Università degli Studi di Trieste, Via Giorgieri 1, 34127 Triest
Biomateriały to substancje nie terapeutyczne, naturalne i/lub syntetyczne, zdolne do częściowego
lub całościowego zastąpienia określonej tkanki, organu albo przejęcia ich funkcji. Właściwości
fizykochemiczne powinny być zbliżone do żywych tkanek, a przede wszystkim odznaczać się wysoką
biozgodnością i bioaktywnością [1]. Jednym z najistotniejszych parametrów jest brak toksyczności
i odczynu alergicznego, wysoka odporność na korozję oraz ścieranie oraz rozmiar cząstki, stosunek
powierzchni do objętości, obszar powierzchni, wolna energia powierzchniowa.
Materiały nie terapeutyczne do aplikacji medycznych powinny wykazywać odpowiednie
właściwości mechaniczne i elektryczne. Do głównych zastosowań bionanomateriałów zalicza się:
implanty, materiały do zespalania tkanek, protezy (w tym sztuczne narządy), błony półprzepuszczalne,
inne (w tym soczewki). Wyróżnia się następujące grupy bionanomateriałów: polimery, ceramika, metale
i ich stopy, węgiel i kompozyty.
Zarówno polimery naturalne, takie jak kolagen, fibryna, celuloza czy chityna, jak i syntetyczne,
na przykład: silikon, polistyren, poliuretan, polietylen czy poliamidy, stanowią bazę wyjściową
do produkcji biomateriałów. Zaletą tworzyw sztucznych jest łatwość i szybkość produkcji oraz
możliwość nadania dodatkowych pożądanych cech, stosując odpowiednie modyfikacje struktury
(np. dodatek napełniacza lub plastyfikatora). Najczęściej długołańcuchowe materiały syntetyczne
stosowane są w produkcji protez (np. sutka, dużych stawów), nici chirurgicznych, a także jako
uzupełniacze kości [1,2].
Do ceramicznych biomateriałów oraz wypełniaczy polimerowych kompozytów zalicza się układy
na bazie krzemu, krzemionki (SiO2), tlenku glinu (Al2O3), tlenku cyrkonu (ZrO2) oraz fosforanów wapnia
(np. Ca10(PO4)6(OH)2 – hydroksyapatyt). Ceramika stosowana jest w produkcji implantów i endoprotez
stawowych, z uwagi na właściwości mechaniczne takie jak wysoka odporność na ścieranie, ściskanie
i zginanie [2].
50
BioOrg 2015
Właściwości cząstek, a szczególnie nanocząstek, są silnie uzależnione od wielkości [3,4]. Z tego
powodu kontrola wielkości i rozkładu wielkości cząstek, ma zasadnicze znaczenie dla wielu zastosowań
biomedycznych. Powszechnie wiadomo, że niewielkie zmiany w warunkach syntezy mogą znacząco
wpłynąć na rozkład wielkości średnic molekuł i uniemożliwić powtarzalność wyników prowadzonych
eksperymentów. Metoda dynamicznego rozpraszania światła (DLS) pozwala na wyznaczanie średniej
wielkości cząstek, w zakresie od pojedynczych nanometrów do kilku mikrometrów. Bell i in. [3],
używając jako materiał badany nanocząstki krzemionki dokonali obszernej analizy porównawczej
najpopularniejszych technik służących do analizy rozmiarów i rozkładu wielkości cząstek, w tym TEM,
DLS, NTA, SMPS (wyznaczanie rozmiaru cząstek poprzez skanowanie ich mobilności), SIOS
(skanowanie okluzji jonowej).
Technika NTA (NanoparticleTracking Analysis – śledzenie ruchu pojedynczych cząstek)
w systemie zaproponowanym przez Nanosight (obecnie Malvern), bazuje na analizie obrazu wideo
uzyskanego z poruszającej się ruchami Browna określonej populacji nanocząstek w cieczy,
po oświetleniu światłem laserowym. W przeciwieństwie do DLS, NTA analizuje w czasie rzeczywistym
tory ruchu poszczególnych cząstek w cieczy przez określony czas. Ruch cząstek śledzony jest za pomocą
konwencjonalnej kamery CCD, która rejestruje 30 do 60 obrazów na sekundę (fps) – nagrywany jest klip
wideo zawiesin cząstek, które znajdują się w wiązce laserowej o szerokości około 80 mikronów [5]. Ruch
każdej z cząstek uwidoczniony jest w sekwencjach wideo i na ich podstawie określone zostaje średnie
kwadratowe przemieszczenie(x2), z którego wyznaczany jest współczynnik dyfuzji (D):
który zależy wyłącznie od temperatury T, lepkości cieczy η i rozmiaru cząstek Rh. Średni współczynnik
dyfuzji (DNTA), wyznaczony za pomocą NTA opisuje równanie:
gdzie: Di –współczynnik dyfuzji, Ni – stężenie liczbowe frakcji „i” cząstek [5].
Na podstawie znanego współczynnika dyfuzji, promień hydrodynamiczny wyznaczany jest z zależności
Stokes’a – Einstein’a:
gdzie: D – współczynnik dyfuzji (tu D = DNTA), Rh – promień hydrodynamiczny, kB– stała Boltzmanna,
T – temperatura w kelwinach, η – lepkość rozpuszczalnika.
Przeprowadzono analizę NTA i DLS, zsyntetyzowanego tlenku krzemu, który wybrano jako
51
BioOrg 2015
przykład jednego z najpopularniejszych materiałów, cechujących się łatwością modyfikacji zarówno
powierzchni jak i struktury, w tym możliwością kontrolowania rozmiaru końcowego cząstek.
Krzemionka stosowana jest często jako wypełniacz w kompozytowych biomateriałach. Średnice cząstek,
wyznaczone metodą NTA, wyniosły odpowiednio S1 374 nm i S2 92 nm. W przypadku próbek o małej
polidyspersyjności,
rozrzut
wielkości
wynosi
około
10%,
natomiast
w
przypadku
próbek
polidyspersyjnych może być znacznie większy. Na wykresach przedstawiono rozkład wielkości
nanocząstek i średnie wartości z NTA, DLS, wykres 3D zależności intensywności światła rozproszonego,
względem rozmiaru. Technika NTA stosowana jest zarówno do kontroli wzrostu rozmiarów cząstek
podczas syntezy chemicznej jak i oceny stopnia agregacji, jeśli takie zjawisko występuje.
W metodzie NTA bardzo istotnym parametrem jest stężenie próbki (optymalne 20–60 cząstek na
kadr). Również lepkość rozpuszczalnika odgrywa kluczową rolę w analizie NTA. W przypadku analizy
roztworów i zawiesin o dużej lepkości, uzasadniona jest dodatkowa kalibracja metody NTA, za pomocą
monodyspersyjnych cząstek standaryzowanych (o zdefiniowanej średnicy). Pierwsze wyniki badań,
dotyczące modelowego układu o dużej lepkości – roztworu wodnego sacharozy, potwierdziły możliwość
analizy struktur, w tym biomateriałów,w rozmiarze kilkuset nanometrów. Istotnym faktem jest,
że sacharoza wykorzystywana jest do wytwarzania porowatych struktur biomateriałów [6].
Rysunek 1. Wyniki pomiarów średnicy cząstek krzemionki metodą NTA: A. Próbka typu rdzeń-powłoka wytworzona
zmodyfikowaną metodą Stöbera (S1), B. Próbka typu rdzeń-powłoka otrzymana z mikroemulsji (S2).
Na osi x skala od 0–900 nm, oś y intensywność.
Maciej Jarzębski – praca doktorska realizowana dzięki wsparciu Fundacji Nauki Polskiej
w programie Międzynarodowe Projekty Doktoranckie, realizowanym przez Centrum NanoBioMedyczne,
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ze środków Unii Europejskiej, w ramach Programu
Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka i Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.
52
BioOrg 2015
Badania częściowo zrealizowane w ramach PBS1/A9/13/2012
Literatura:
[1] M. Jurczyk, J. Jakubowicz (2008) Bionanomateriały, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań.
[2] M. Jarzębski (2015) Synteza i charakterystyka wybranych nanocząstek o potencjalnych zastosowaniach w medycynie,
rozprawa doktorska, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.
[3] N. C. Bell, C. Minelli, J. Tompkins, M. M. Stevens, A. G. Shard (2012) Emerging techniques for submicrometer
ber silica, Langmuir 28:10860-10872.
[4] M. Jarzębski, T. Śliwa, M. Jarzębskai K. Szutkowski (2014) Fabrication of size-tunable silica particles during seed-growth
process, Current Topics in Biophysics 37:35-41.
[5] NanoSight Ltd. (2012) NanoSight NTA 2.3 Analytical Software Operating Manual, Minton Park, Amesbury, Wiltshire SP4
7RT, Wielka Brytania.
[6] J. Jakubowicz, G. Adamek, K. Palka, D. Andrzejewski (2015) Micro-CT analysis and mechanical properties of Ti
spherical and polyhedral void composites made with saccharose as a space holder material, Materials Characterization
100:13-20.
53
BioOrg 2015
BIOMATERIAŁY W DRUKU 3D
Maciej Jarzębski1*, Tomasz Śliwa3, Rafał Kuzioła2, Tomasz Białopiotrowicz1
1
Katedra Chemii Fizycznej i Fizykochemicznych Podstaw Inżynierii Środowiska Instytut Inżynierii Środowiska,
ul. Ofiar Katynia 8b, 37-450 Stalowa Wola,
2
Katedra Chemii Analitycznej Środowiska Instytut Inżynierii Środowiska,
ul. Ofiar Katynia 8b, 37-450 Stalowa Wola
3
Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska ul. Berdychowo 4, 60-965Poznań
W ostatnich latach obserwuje się upowszechnienie technik wytwarzania przyrostowego,
zwanych potocznie drukiem 3D. Dziś druk 3D coraz częściej wykorzystywany jest w medycynie, w tym
protetyce oraz do wytwarzania części zamiennych lub całych elementów maszyn (Rys.1). Na drodze
upowszechnienia druku 3D stoją dwa główne wyzwania: pierwsze to nowe, bardziej precyzyjne drukarki,
a drugie to nowe materiały, w szczególności oparte na biomateriałach.
Rysunek 1. Przykłady „wydruków” 3D w technologii FDM i metodą proszkową.
Wśród najczęściej wykorzystywanych technik wytwarzania przyrostowego, wyróżnić należy [1]:
 FDM (z ang. Fused Deposition Modeling), wykorzystująca jako druty polimerowe (filamenty)
m.in. tworzywa sztuczne takie jak kopolimery akrylonitrylo-butadieno-styrenu (ABS)
i polilaktydu (PLA);
 SLS (z ang. Selective Laser Sintering) – selektywna synteza (lub utwardzanie) materiałów
polimerowych za pomocą wiązki laserowej. Metoda stosowana do wytwarzania produktów
o dużej dokładności detali i małych elementów;
54
BioOrg 2015
 EBM (z ang. Electron Beam Melting) – topienie materiałów za pomocą wiązki elektronowej.
Technika ta jest wykorzystywana m.in. do produkcji tytanowych implantów;
 metodę proszkową (z ang, Powder Layering) – polegająca na nakładaniu poszczególnych warstw
proszku (najczęściej gipsu) i sklejanie w odpowiednim kształcie poszczególnych warstw.
Najpopularniejszymi materiałami, umożliwiającymi szybkie wytwarzanie struktur w trzech
wymiarach są: PLA (polilaktyd), ABS (akrylonitrylobutadienostyren), Nylon (np. nylon680, który spełnia
normy dla materiałów do zastosowań medycznych zgodnie z ISO 10993), PVA (kwas poliwinylowy),
HIPS (High ImpactPolystyrene), PC (poliwęglany), TPE (termoplastyczne elastomery) oraz uretany
w postaci płynnej.
Coraz częściej w metodach druku 3D wykorzystywane są biomateriały. Jednym z najbardziej
spektakularnych osiągnięć jest wydruk wątroby z żywej tkanki oraz zwiększenie komfortu życia dziecka
z wrodzoną wadą płuc, za pomocą wydrukowanej protezy [2]. Dynamicznie rozwijane są techniki tzw.
biowydruku, których celem jest wytworzenie określonych tkanek, organów, skóry, elementów kości czy
żył [3]. W szczególności do aplikacji biomedycznych, zastosowane materiały, biomateriały i kompozyty
muszą odznaczać się dużą biozgodnością. Ponadto, drukarki 3D zostały wykorzystane do wydruku leków
w postaci tabletek. Na szczególne wyróżnienie zasługuje, opracowany na bazie DNA, inteligentny klej
(tzw. “smart glue”) [4]. Wykorzystując specyficzne interakcje zachodzące w DNA stworzone
mikrocząstki w żelu koloidalnym, które mają zdolność utrzymania kształtu. Powstały żel jest następnie
wprowadzany do ekstrudera drukarki 3D [4].
Pożądane cechy materiałów polimerowych, biomateriałów i kompozytów, przykładowo
elastyczność, odporność na zarysowanie czy kolor, które bezpośrednio przekładają się na właściwości
użytkowe lub atrakcyjny wygląd, uzyskuje się poprzez wprowadzenie określonych dodatków w strukturę
polimerów. Coraz większe znaczenie odgrywają nanododatki, czyli struktury w rozmiarach
nanometrycznych. Nanorurki węglowe zwiększają odporność mechaniczną, nanocząstki krzemionki lub
tlenku tytanu poprawiają właściwości optyczne – opóźniają tzw. proces starzenia tworzyw sztucznych.
Natomiast nanocząstki srebra wprowadzone w matrycę polimerową wpływają hamują namnażanie
drobnoustrojów, w tym bakterii na powierzchni materiałów. Inspiracją do opracowania innowacyjnych
materiałów, są również związki chemiczne występujące w przyrodzie [5].
Literatura:
[1] S. Hwang, E. I. Reyes, K.-S. Moon, R. C. Rumpf, N. Soo Kim (2015) Thermo-mechanical characterization of
metal/polymer composite filaments and printing parameter study for fused deposition modeling in the 3D printing process,
Journal of Electronic Materials 44:771-777.
[2] D. A. Zopf, S. J. Hollister, A. Arbor, M. E. Nelson, R. G. Ohye, G. E. Green (2013) Bioresorbable airway splint created
with a three-dimensional, Printer The New England Journal of Medicine 368:2043-2045.
[3] S. V. Murphy , A. Atala (2014) 3D bioprinting of tissues and organs, Nature Biotechnology 32:773-785.
55
BioOrg 2015
[4] P. B. Allen, Z. Khaing, C. E. Schmidt, A. D. Ellington (2015) 3D printing with nucleic acid adhesives, ACS Biomaterials
Science and Engineering 1:19-26.
[5] M. Jarzębski (2015) Lowcost antibacterial acrylonitrile butadiene styrene composites, 7 Krajowa Konferencja
Nanotechnologii, 24-27.06.2015r. Poznań
56
BioOrg 2015
IMMOBILIZACJA ENZYMÓW NA INNOWACYJNYCH MATRYCACH
KRZEMIONKOWO-LIGNINOWYCH
Artur Jędrzak, Jakub Zdarta, Łukasz Klapiszewski, Tadeusz Szalaty,
Katarzyna Antecka, Anna Gan, Teofil Jesionowski*
Zakład Technologii Chemicznej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej
Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań
Immobilizacja biokatalizatorów jest to zabieg techniczny polegający na unieruchamianiu
enzymów na nośnikach organicznych, nieorganicznych oraz mieszanych, jednak proces ten można także
zrealizować bez konieczności zastosowania nośnika. Opracowano różne metody unieruchomienia białek
enzymatycznych, a do najpopularniejszych należą: adsorpcja, pułapkowanie, kapsułkowanie, sieciowanie
oraz immobilizacja z wytworzeniem wiązania kowalencyjnego. Immobilizacja enzymów polega na ich
związaniu, najczęściej z nierozpuszczalnym nośnikiem lub w określonym miejscu w bioreaktorze, bez
konieczności stosowania matrycy [1,2].
Celem stosowania technik immobilizacji jest zwiększenie stabilności termicznej, chemicznej
i biologicznej enzymów. Stają się one odporniejsze na wpływ m.in. temperatury, pH i substancji
powodujących denaturację. Bardzo ważnym aspektem jest również otrzymanie produktów o zwiększonej
czystości, a także możliwość ponownego zastosowania biokatalizatorów w procesach przemysłowych
[1].
Rozwój technik unieruchomienia biokatalizatorów spowodował wyraźny wzrost wydajności
katalizowanych procesów w wielu gałęziach przemysłu, a także przy wprowadzaniu nowatorskich
rozwiązań technologicznych. Lipazy to grupa enzymów, które są odpowiedzialne za przeprowadzanie
procesów hydrolizy. Unieruchamiane lipazy znajdują zastosowanie m.in. w transestryfikacji olejów
spożywczych, przy rozdziale chiralnych alkoholi i amin, a także podczas syntezy biodiesla
z triglicerydów [3].
Enzymy cieszą się ogromnym zainteresowaniem, które z pewnością będzie rosnąć, gdyż wiele
z tych białek nie ma do końca poznanych właściwości. Warto podkreślić, że możliwość immobilizacji
może przyczynić się do zrewolucjonizowania ich wykorzystania w przyszłości [4]. Stosowanie
immobilizowanych
enzymów
wpływa
na
zdecydowanie
większą
wydajność
procesu,
w porównaniu z zastosowaniem natywnych biokatalizatorów, poprzez lepsze wykorzystanie potencjału
substratów. Porównanie właściwości immobilizowanego enzymu z natywnym białkiem zostało
przedstawione w Tabeli 1.
57
BioOrg 2015
Tabela 1. Porównanie właściwości immobilizowanego enzymu z natywnym białkiem [5, 6].
Immobilizowany enzym
Wolny enzym
Wysoka stabilność
Niska stabilność
Proste odseparowanie i oczyszczenie
Trudności z separacją i oczyszczeniem
Możliwość ponownego użycia
Najczęściej procesy jednorazowe
Otrzymanie czystszego produktu
Mniejsza czystość produktu
Mniejsza aktywność
Większa aktywność
Proces unieruchomienia
Bezpośrednie zastosowanie
Specjalistyczna kontrola i narzędzia
Prostsza kontrola procesu
Czynnikiem mającym istotny wpływ na właściwości preparatów unieruchomionych enzymów.
Matryca krzemionkowo-ligninowa należy do innowacyjnych biokompozytów o bardzo interesujących
właściwościach fizykochemicznych, co czyni ją pożądaną, jako nośnik, w procesie immobilizacji.
Do jego największych zalet tego materiału należą: wysoka stabilność, oraz relatywnie niska cena. Układ
krzemionka-lignina znajduje obecnie zastosowanie w elektrochemii, w procesie adsorpcji, a także
w szeroko rozumianej ochronie środowiska [7,8].
Celem
niniejszej
pracy
badawczej
było
otrzymanie
nośnika
krzemionka-lignina
i przeprowadzenie procesu immobilizacji lipazy. Zakres pracy składał się z kilku głównych etapów.
Pierwszym z nich było przygotowanie matrycy składającej się z krzemionki i ligniny. Do badań
posłużono się komercyjną krzemionką Syloid®244, która została uprzednio zmodyfikowana. Następnie
do zaciemnionego reaktora wyposażonego w mieszadło szybkoobrotowe dodano uprzednio aktywowaną
ligninę i roztwór dioksanu z wodą. Proces wiązania krzemionki z ligniną trwał ok. 1 h. Układ hybrydowy
wysuszono następnie w suszarce przez dobę, oraz przesiano na sitach (wielkość oczek 80 µm), uzyskując
jednorodny i drobny proszek.
Proces immobilizacji lipazy na otrzymanym nośniku polegał na umieszczeniu jednakowych
porcji kompozytu krzemionka-lignina w reaktorach, a następnie dodaniu roztworów enzymu
o zdefiniowanym stężeniu. Powstałe mieszaniny poddano wytrząsaniu przez zadany okres czasu,
a następnie układy przesączono pod zmniejszonym ciśnieniem i pozostawiono do wyschnięcia.
W niniejszej pracy wykonano szereg analiz fizyko-chemicznych, które zostały wykorzystane do
przeprowadzenia wnikliwej charakterystyki preparatów po immobilizacji.
Widma FT-IR prekursorów oraz układów po immobilizacji, przedstawiono na Rys. 1 oraz
Rys. 2. Wyniki analizy FT-IR wykazują obecność szeregu sygnałów charakterystycznych zarówno
dla matrycy jak i enzymu. Wśród nich najważniejsze to pasma amidowe I, II oraz III, odpowiednio przy
1650 cm-1, 1550 cm-1 oraz 1260 cm-1.
58
BioOrg 2015
Rysunek 1. Widma FT-IR lipazy z Aspergillus niger oraz
Rysunek 2. Widma FT-IR układów po immobilizacji lipazy z
nośnika krzemionka-lignina.
roztworu 3,0 mg/cm3.
Obecność tych sygnałów jest dowodem pośrednio potwierdzającym skuteczną immobilizację,
a więc weryfikującym skuteczność zaproponowanej techniki unieruchomienia enzymów.
Podsumowując, w oparciu o wyniki analizy FT-IR, należy stwierdzić, że lipaza z Aspergillus
niger została skutecznie naniesiona na powierzchnię matrycy krzemionka-lignina. Dodatkowo, analizując
zmiany intensywności poszczególnych sygnałów na otrzymanych widmach, można stwierdzić, że czas
immobilizacji jest istotnym parametrem wpływającym na właściwości układów unieruchomionych
enzymów.
Praca została sfinansowana i przygotowana w ramach projektu badawczego Politechniki Poznańskiej
nr 03/32/DSMK/0510.
Literatura:
[1] L. Cao (2005) Carrier-bound immobilized enzymes: principles, application and design, Wydawnictwo Wiley-VCh,
Weinheim.
[2] A. Chmiel (1994) Biotechnologia podstawy mikrobiologiczne i chemiczne, Wydawnictwo PWN, Warszawa.
[3] P. Adlercreutz (2013) Immobilisation and application of lipases in organic media, Chemical Society Reviews
42:6406-6436.
[4] J. Synowiecki, S. Wołowska (2007) Otrzymywanie i niektóre zastosowania unieruchomionych enzymów, Biotechnologia
77:7-26.
[5] R. DiCosimo, J. McAuliffe, A. Poulose, G. Bohlmann (2013) Industrial use of immobilized enzymes, Chemical Society
Reviews 42:6437-6474.
[6] P. F. Cook, W. W. Cleland (2007) Enzyme kinetics and mechanism, Wydawnictwo Garland Science, Nowy Jork.
[7] T. Jesionowski, Ł. Klapiszewski, G. Milczarek (2014) Structural and electrochemical properties of multifunctional
silica/lignin materials, Materials Chemistry and Physics 147:1049-1057.
[8] Ł. Klapiszewski, M. Nowacka, G. Milczarek, T. Jesionowsk (2013) Physicochemical and electrokinetic properties of
silica/lignin biocomposites, Carbohydrate Polymers 94:345-355.
59
BioOrg 2015
WŁAŚCIWOŚCI CIENKICH FILMÓW NA BAZIE CHITOZANU
Z DODATKIEM POLIMERÓW NATURALNYCH
Beata Kaczmarek*, Alina Sionkowska
Katedra Chemii Biomateriałów i Kosmetyków, Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu
Chitozan jest polimerem naturalnym, otrzymywanym w procesie deacetylacji chityny [1].
Chitozan jest biokompatybilny, biodegradowalny oraz nie jest toksyczny dla ludzkiego organizmu [2].
Ze względu na swoje właściwości znalazł on szerokie zastosowanie w dziedzinie biomateriałów [3].
Wykorzystywany jest do otrzymywania filmów, skafoldów lub hydrożeli. Filmy mogą być wykorzystane
do pokrywania różnych powierzchni elementów, które mają zostać wszczepione do organizmu, by nie
wystąpiła reakcja immunologiczna po ich aplikacji. Skafoldy są to struktury trójwymiarowe
otrzymywane na drodze liofilizacji. Charakteryzują się porowatością, dzięki czemu mogą być
wykorzystywane jako rusztowania dla nowych tkanek, ponieważ namnażające się komórki wnikają w
głąb materiału, w wyniku czego tkanka ulega regeneracji. Hydrożele natomiast to forma biomateriałów o
określonych właściwościach wiskoelastycznych.
Nowym trendem jest zastosowanie filmów chitozanowych nie tylko w dziedzinie biomateriałów,
ale także w otrzymywaniu nowych biodegradowalnych folii. Folie te mogą znaleźć zastosowanie
w przemyśle jako folie opakowaniowe, także z przeznaczeniem spożywczym. Tego typu materiały,
na bazie chitozanu, są biodegradowalne, przez co może nastąpić ich rozkład bez konieczności
wieloletniego składowania na wysypisku. Filmy chitozanowe otrzymywane poprzez odparowanie
rozpuszczalnika są kruche i wykazują małą wytrzymałość mechaniczną na rozciąganie. Modyfikacja
materiału może odbyć się ma drodze dodatku polimerów naturalnych, takich jak kolagen czy kwas
hialuronowy. Zwiększa się wówczas elastyczność filmów i wytrzymałość na rozciąganie,
przy jednoczesnym zachowaniu biodegradowalności materiałów.
Podczas doświadczenia otrzymane zostały cienkie filmy chitozanowe na drodze odparowania
rozpuszczalnika. Zastosowany został dodatek kwasu hialuronowego i kolagenu. Zbadano właściwości
mechaniczne, termiczne oraz powierzchniowe filmów. Analizy wykonano także dla folii komercyjnej
na bazie polietylenu. Wyniki zebrano i porównano.
Autorzy pragną podziękować za wsparcie finansowe w ramach projektu „Krok w przyszłość – stypendia
dla doktorantów V edycja” realizowanego ramach Działania 8.2 Transfer wiedzy, Poddziałanie 8.2.2
Regionalne Strategie Innowacji Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki (PO KL) finansowanego ze
środków Unii Europejskiej Funduszu Społecznego Unii Europejskiej (EFS), budżetu państwa oraz
budżetu województwa. p pojedynczy, 10 pkt)
60
BioOrg 2015
Literatura:
[1] M. Kumar (2000) A review of chitin and chitosan applications, Reactive and Functional Polymers 46:1-27.
[2] A. Sionkowska (2011) Current research on the blends of natural and synthetic polymers as new biomaterials: Review,
Progress in Polymer Science 36:1254-1276.
[3] G. Wang, Q. Ao, K. Gong, A. Wang, L. Zheng, Y. Gong, X. Zhang (2010) The effect of topology of chitosan biomaterials
on the differentiation and proliferation of neutral stem cells, Acta Biomaterialia 6:3630-3639.
61
BioOrg 2015
MATERIAŁY KOMPOZYTOWE W TECHNOLOGII OCZYSZCZANIA
ŚCIEKÓW Z WYKORZYSTANIEM RUCHOMEGO ZŁOŻA BIOLOGICZNEGO
Magdalena Litwińska*, Izabela Kruszelnicka, Dobrochna Ginter - Kramarczyk
Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Środowiska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań
W ostatnich latach dużo uwagi poświęca się nowym, wysokosprawnym technologiom
oczyszczania ścieków, zapewniającym usunięcie związków biogennych do poziomu dyktowanego
obowiązującymi przepisami prawnymi. W proponowanych rozwiązaniach dąży się do minimalizacji
objętości reaktorów, zmniejszenia zużycia energii oraz do zwiększenia stopnia usuwania różnego rodzaju
zanieczyszczeń. Nowoczesną technologią oczyszczania ścieków, która od kilkunastu lat zyskuje coraz
większe uznanie na świecie, jest metoda zawieszonego złoża ruchomego MBBR (ang. Moving Bed
Biofilm Reaktor).
Technologia
zawieszonego
złoża
ruchomego
wykorzystuje
proces
unieruchomienia
mikroorganizmów na nośnikach polimerowych. Zapewnia niezawodność, prostotę eksploatacji oraz
wymaga mniejszej ilości miejsca w porównaniu do tradycyjnych systemów oczyszczania ścieków [1-6].
Obecnie najczęściej wykorzystywanymi materiałami są polietylen o dużej gęstości (HDPE) oraz
polipropylen, których gęstość zawiera się w przedziale 0,91–0,99 g/cm3, czyli jest zbliżona do gęstości
wody, aby nośniki nie wypływały na powierzchnię ścieków, i nie opadały na dno reaktora. System ten nie
wymaga czyszczenia, ponieważ oczyszcza się sam – biofilm po osiągnięciu grubości krytycznej odrywa
się od nośnika. Elementy MBBR są tak zaprojektowane, by stanowiły jak największą powierzchnię
czynną dla błony biologicznej od 200 do 1200 m2/m3 [4].
Wszystkie zalety technologii MBBR wynikają bezpośrednio lub pośrednio z parametrów
kształtu nośników i materiału z którego są wykonane. Dlatego ważny jest ich odpowiedni dobór.
Przy doborze kształtek ważnymi parametrami są [3,5]:
• gęstość materiału (powinna być ona zbliżona do gęstości ścieków, żeby łatwiej zachodziła
dyfuzja nośników);
• wielkość powierzchni czynnej, która powinna być jak najwyższa; jest to powierzchni właściwa,
na której osadza się biofilm. W przybliżeniu przyjmuje się powierzchnię czynną równą powierzchni
wewnętrznej kształtki.
Geometria nośnika powinna chronić wytworzony na nim biofilm i zapewniać odpowiednią ilość
substancji dla właściwego rozwoju błony biologicznej. Nośnik powinien także umożliwiać ciągłe
ścinanie biofilmu, czyli zapewnić odpowiednią grubość błony. Warunki panujące w reaktorze powodują,
że błona biologiczna rozwija się wewnątrz kształtki [2].
62
BioOrg 2015
Nośniki błony biologicznej powinny mieć zatem duże otwory, nie ulegające zapychaniu,
zapewniające wysoki stopień wymiany masy między biofilmem, a ośrodkiem, co jest czynnikiem
wiodącym w przypadku efektywności oczyszczania.
Duża powierzchnia czynna elementu wiąże się z zapewnieniem odpowiedniej ilość miejsca
do rozwoju mikroorganizmów i optymalnych warunków dla ich aktywności [3]. Na wzrost szybkości
narastania biofilmu ma wpływ rodzaj powierzchni.
Materiał, z którego wykonane są nośniki, powinien być odpowiednio sprężysty, aby w trakcie
swobodnego ruchu w bioreaktorze zapobiegać ich mechanicznym uszkodzeniom.
Gęstość materiału istotnie wpływa na czas użytkowania nośnika, który przewidywany jest
na 20 lat. Powinna być ona zbliżona do gęstości ścieków, żeby elementy mogły swobodnie utrzymywać
się pod wpływam mieszania lub napowietrzania w toni ścieków [7].
Nowatorskim rozwiązaniem w technologii złoża ruchomego, ze względu na dużą powierzchnię
czynną (powyżej 1200 m2/m3) dla błony biologicznej, okazały się kompozyty polimerowo-drzewne
(ang. wood polymer composites – WPC) [3]. Zastosowanie rozwiązania w postaci kształtek
z odpowiednio opracowanego kompozytu polimerowego pozwoliło na zagęszczenie populacji
mikroorganizmów w reaktorze. Dzięki dobrze rozwiniętej powierzchni czynnej nośnika kompozytowego
nie było problemów z pęcznieniem osadu oraz zmniejszyła się wrażliwość bytującej populacji
na niekorzystne warunki środowiskowe. Elementy złóż ruchomych wykonane z WPC stanowią ciekawą
propozycję dla oczyszczalni znajdujących się na terenach trudno dostępnych, gdzie zastosowana
technologia powinna charakteryzować się elastycznością, czyli możliwością dostosowywania się układu
technologicznego do zmieniającego się natężenia dopływających ścieków [3].
Literatura:
[1] J. Brinkley, C. H. Johnson, R. Souza (2013) Moving bed biofilm reactor technology – A full-scale installation for treatment
of pharmaceutical wastewater, Chemical Business 27:50-57.
[2] B. Kołwzan (2011) Analiza zjawiska biofilmu – warunki jego powstawania i funkcjonowania, Ochrona środowiska 33:314.
[3] I. Kruszelnicka, D. Ginter-Kramarczyk, M. Michałkiewicz, S. Zajchowski, A. Kloziński, J. Tomaszewska (2014) The use
of wood-polymer composites in a Moving Bed Biofilm Reactor Technology, Polimery 59:423-426.
[4] I. Kruszelnicka, D. Ginter-Kramarczyk, E. Karpezo (2014) Złoża ruchome w technologii oczyszczania ścieków – historia,
zastosowanie i perspektywy, Instal 5:64-67.
[5] A. Li (2013) Biological wastewater treatment: Selecting the process, Chemical Engineering 10:38-43.
[6] D. V Minegatti de Oliveira, M. D. Rabelo, Y. N. Nariyoshi (2014) Evaluation of a MBBR (moving bed biofilm reactor)
pilot plant for treatment of pulp and paper mill wastewater, International Journal of Environmental Monitoring and Analysis
2:220-225.
[7] http://www.anoxkaldnes.com/anoxkaldnes/ressources/files/1/25575,AnitaMox_2014_jan_intranet.pdf.
63
BioOrg 2015
WŁAŚCIWOŚCI HYDROFILOWO/HYDROFOBOWE HYBRYDOWYCH
MATERIAŁÓW ŻELATYNOWO-SILOKSANOWYCH
Aleksandra Marchewka1, Marta Dobrosielska1, Miłosz Frydrych1, Aleksandra Jarmołowicz1,
Agata Reisner1, Bogna Sztorch1,2, Robert Przekop,2
1
Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89B 61-614 Poznań
2
Centrum Zaawansowanych Technologii UAM, ul. Umultowska 89C 61-614 Poznań
Materiały zwierające połączenie biopolimer z oragnofunkcyjnymi silanami stanowią nową klasę
hybryd o potencjalnie wysokiej biokompatybilności. Mogą mieć zastosowanie jako substytut tkanek
i kości, matryce do immobilizacji enzymów i substancji bioaktywnych, czy jako materiały preceramiczne
[1-5]. Modyfikowanie właściwości hydrofilowo-hydrofobowych materiałów jest jedną z ważniejszych
metod otrzymywania materiałów o ściśle określonych właściwościach funkcjonalnych [6]. Krzemionka
i jej pochodne modyfikowane siloksanami należą do jednych z najpowszechniej stosowanych materiałów
o dużym potencjale aplikacyjnym [7]. Żelatyna stanowi produkt termicznej denaturacji kolagenu
zawartego w kościach i skórach zwierząt. Jest ona materiałem całkowicie biodegradowalnym, o dużej
biokompatybilności [8-12]. Połączenie tych dwóch substancji pozwala na uzyskanie nowego materiału,
będącego hybrydą łączącą właściwości obu z nich.
Synteza była prowadzona na podstawie pracy [13]. Do żelowania używano układu bazowego
opartego na tetraetoksysilanie modyfikowanym 3-chloropropylotrimetoksysilanem (IN311) oraz
3-glicydoksypropylotrimetoksysilanem (IN50), dodawana była żelatyna w ilości 30 % w/w (1GEN)
i 55 % w/w (3GEN) w przeliczeniu na łączną zawartość SiO2 w końcowej próbie. Stosunek SiO2TEOS :
SiO2Silan wynosił dla każdej próby 6,5:3,5. Stosunek IN31:IN50 wynosił dla każdej próby 1:1. Roztwory
były wylewane na poliestrowe szalki Petriego i suszone w stałej temperaturze 303 K przez
7 dni. Otrzymane suche żele były poddawane charakteryzacji właściwości hydrofilowo-hydrofobowych.
Badano właściwości hydrofilowo-hydrofobowe uzyskanych hybrydowych układów żelowych –
żelatyna/polisiloksany. Test chłonności wody: badaną próbkę materiału ważono a następnie umieszczano
w zamkniętym naczyniu z woda destylowaną i termostatowano przez 24 h w temperaturze 313 K,
następnie próbka była ponownie ważona i oznaczano chłonność wody. Wyniki chłonności przedstawiono
w Tabeli 1.
Badanie kąta zwilżania w układzie hybryda/woda: badania wyznaczenia kąta zwilżenia dla
otrzymanych materiałów hybrydowych zostały przeprowadzone za pomocą goniometru marki KRUSS
model DSA 100. Objętość dozowanej kropli wynosiła 10 l.
64
BioOrg 2015
Tabela 1. Chłonność wody i kąt zwilżania dla hybrydowych układów żelowych
Układ
Chłonność [% w/w]
Kąt Θ [o]
Charakter
Referencja – żelatyna sucha
422%
42
hydrofilowy
IN311-1GENU50
92%
97
hydrofobowy
IN311-1GEN
49%
113
hydrofobowy
IN311-3GENU50
145%
88
hydrofilowy
IN311-3GEN
98%
95
hydrofobowy
Rysunek 1 IN311-1GENU50
Rysunek 2. IN311-1GEN
Rysunek 3. IN311-3GENU50
Rysunek 4. IN311-3GEN
Rysunek 5. Żelatyna niemodyfikowana
65
BioOrg 2015
Układy, w których stosowano jedynie modyfikator U311 (Rys. 2 i 4) wykazywały wyższe
właściwości hydrofobowe w porównaniu do układów zawierających obok U311 również modyfikator
U50 (Rys. 1 i 3). Dla wszystkich otrzymanych układów kąt zwilżenia jest znacznie wyższy od wzorcowej
próby, jaką jest żelatyna bez dodatku modyfikatora. Zwiększona zawartość żelatyny w układzie
przekładała się na wzrost charakteru hydrofilowego badanych próbek (Rys. 3 i 4). W przypadku
wszystkich otrzymanych układów wprowadzenie modyfikatora silanowego prowadziło do zwiększania
hydrofobowości materiału (Rys. 1–4) w stosunku do próbki referencyjnej (Rys. 5). Stosowanie
organofunkcyjnych silanów do modyfikacji żelatyny może być bardzo skuteczną metodą regulowania
właściwości hydrofilowo-hydrofobowych tego biopolimeru (Tab. 1). W konsekwencji, dzięki takiej
modyfikacji możliwe jest precyzyjne projektowanie chłonności wody w układzie hybrydowym (Tab. 1).
Literatura:
[1] S. Smitha, P. Shajesh, P. Mukundan, T.D.R. Nair, K.G.K. Warrier (2007) Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 55: 38-43
[2] H. J. Watzke, C. Dieschbourg (1994) Novel silica-biopolymer nanocomposites: the silica sol-gel process in biopolymer
organogels, Advances in Colloid and Interface Science 50:1-14.
[3] M. Schuleit, P. L. Luisi (2001) Enzyme immobilization in silica-hardened organogels, Biotechnology and Bioengineering
72:249-253.
[4] D. M. Liu, I. W. Chen (1999) Encapsulation of protein molecules in transparent porous silica matrices via an aqueous
colloidal sol–gel process, Acta Materialia 47:4535-4544.
[5] G. L. Yuan, M. Y. Yin, T. T. Jiang, M. Y. Huang, Y. Y. Jiang (2000) Catalytic behaviors of silica-supported chitin–
platinum complex for asymmetric hydrogenation of α-phenylethanol, Journal of Molecular Catalasis A: Chemical 159:45-50.
[6] T. Jesionowski, A. Krysztafkiewicz (2002) Preparation of the hydrophilic/hydrophobic silica particles, Colloids and
Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 207:49-58.
[7] T. Jesionowski (2008) Synthesis and characterization of spherical silica precipitated via emulsion route, Journal of
Materials Processing Technology 203:121-128.
[8] J. F. Rabek (2008) Współczesna wiedza o polimerach. Wybrane zagadnienia, Wydawnictwo PWN, Warszawa.
[9] E. Boanini, K. Rubini, S. Panzavolta, A. Bigi (2010) Chemico-physical characterization of gelatin films modified with
oxidized alginate, Acta Biomaterialia, 6:383-388.
[10] A. Bigi, G. Cojazzi, S. Panzavolta, N. Roveri, K. Rubini (2002) Stabilization of gelatin films by crosslinking with genipin,
Biomaterials 23:4827-4832.
[11] A. A. Karim, R. Bhat (2009) Fish gelatin: properties, challenges and prospects as an alternative to mammalian gelatins,
Food Hydrocolloids 23:563-576.
[12] A. Bigi, G. Cojazzi, S. Panzavolta, K. Rubini, N. Roveri (2001) Mechanical and thermal properties of gelatin films at
different degrees of glutaraldehyde crosslinking, Biomaterials 22:763-768.
[13] P. Pietras, R. Przekop, H. Maciejewski (2013) New approach to preparation of gelatine/sio2 hybrid systems by the sol-gel
process, Ceramics-Silikáty 57:58-65.
66
BioOrg 2015
NANOCZĄSTKI ZŁOTA, CZYLI JAK WYKORZYSTAĆ METAL
W WALCE Z NOWOTWORAMI
Paweł Nalepa*, Jarosław Polański
Zakład Chemii Organicznej, Instytut Chemii, Uniwersytet Śląski w Katowicach, ul. Szkolna, 40-009 Katowice
Nanocząstki złota (ang. Gold Nanoparticles, GNPs) są wspaniałym, biozgodnym materiałem,
który znajduje zastosowanie w nowoczesnym obrazowaniu oraz w terapii przeciwnowotworowej [1].
Nanocząstki metali, w tym złota, zawdzięczają zainteresowanie sobą swoimi intrygującymi
właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Co więcej, nawet niewielka zmiana w kształcie lub wielkości
nanocząstek przekłada się na olbrzymie zmiany w ich właściwości [1]. Dlatego nanocząstki złota są
obiektem takiego zainteresowania dzisiejszej nauki i dlatego też przeprowadzanych jest tak wiele badań
i eksperymentów z ich udziałem.
Nanocząstki złota (w postaci „nanokul”, „nanoprętów”, „nanoklatek”) mogą być używane
w fototerapii (terapii fototermalnej) lub w nieinwazyjnym obrazowaniu, dzięki ich wysokiemu
poziomowi absorpcji w zakresie tak zwanego okna terapeutycznego bliskiej podczerwieni (ang. near
infrared, NIR). Nanocząstki same działają jak lek, bowiem w wielu typach nowotworów wykazują
zdolność do preferencyjnego kumulowania się w komórkach guza, jednakże obecnie najbardziej
obiecujące i interesujące kierunki badań dotyczą sprzęgania nanocząstek złota (i innych metali) z lekami,
przeciwciałami lub innymi biomarkerami. Uzyskane w ten sposób koniugaty powinny (przynajmniej
w teorii) skierować nanocząstki ściśle do komórek nowotworu, tak by terapia była prawdziwie terapią
celowaną, a co za tym idzie, by była o wiele bardziej skuteczna i znacznie bardziej bezpieczna
(bez skutków ubocznych).
W literaturze można znaleźć wiele przykładów chemicznej lub biologicznej funkcjonalizacji
nanocząstek [1,4]. Jednakże wciąż problemem pozostaje stabilność takich układów [1-3]. Choć same
nanocząstki złota są stabilne nie tylko przez miesiące, ale nawet lata, koniugaty nanocząstek są często
niestabilne, zwłaszcza w środowisku cechującym się wysokim stężeniem soli i białek, czyli środowisku
wnętrza ludzkiego organizmu [2]. Dlatego też synteza bezpiecznych i stabilnych układów nanocząstek
z lekami wciąż pozostaje znacznym wyzwaniem.
W pracy przedstawione zostaną podstawowe metody syntezy nanocząstek oraz ich
funkcjonalizacji. Omówione zostaną także metody badania ich właściwości fizykochemicznych oraz
trwałości takich układów. Poruszona zostanie także tematyka związana z wykorzystaniem nanocząstek
w obrazowaniu i leczeniu.
67
BioOrg 2015
Literatura:
[1] E. C. Dreaden, M.A. Mackey, X. Huang, B. Kang, M. A. El-Sayed (2011) Beating cancer in multiple ways using nanogold,
Chemical Society Reviews 40:3391-3404.
[2] J. Gao, X. Huang, H. Liu, F. Zan, J. Ren (2012) Colloidal stability of gold nanoparticles modified with thiol compounds:
Bioconjugation and application in cancer cell imaging, Langmuir 28:4464-4471.
[3] G. Park, D. Seo, I. S. Chung, H. Song (2013) Poly(ethylene glycol)- and carboxylate-functionalized gold nanoparticles
using polymer linkages: Single-step synthesis, high stability, and plasmonic detection of proteins, Langmuir 29:13518-13526.
[4] N. T. K. Thanh, L. A. W. Green (2010) Functionalisation of nanoparticles for biomedical applications, Nano Today,
5:213-230.
68
BioOrg 2015
PROCES SORPCJI METALOFTALOCYJANIN NA ADSORBENCIE
POCHODZENIA NATURALNEGO
Małgorzata Norman, Agnieszka Idczak, Alicja Radkiewicz, Jakub Zdarta, Przemysław Bartczak,
Teofil Jesionowski*
Ftalocyjaniny oraz ich pochodne znalazły szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki
oraz przemysłu. Praktyczne właściwości tych związków wynikają przede wszystkim z ich zdolności do
fotoindukowanego przeniesienia elektronów [1]. Wykorzystywane są w terapii fotodynamicznej,
elektronice, ogniwach słonecznych, ciekłych kryształach oraz procesach katalitycznych [2-4].
Ftalocyjaniny mogą zawierać w swojej strukturze jony metali (np. Cu(II), Zn(II), Ni(II), Fe(II), Fe(III))
oraz grupy funkcyjne. Rodzaj podstawnika oraz metalu ma kluczowe znaczenie w kontekście fizykoi elektrochemicznych właściwości metaloftalocyjanin.
W celu utworzenia układu heterogenicznego, umożliwiającego wielokrotne wykorzystanie
katalitycznych właściwości MFC, łączy się te związki z szeregiem nośników [5,6]. W niniejszej pracy
podjęto próbę zaadsorbowania sulfonowanej ftalocyjaniny żelaza(III) (Fe MFC) na materiale
pochodzenia naturalnego, jakim są gąbki morskie z gatunki Hippospongia communis.
Proces adsorpcji prowadzono z roztworów MFC o różnym stężeniu, w różnym pH,
temperaturze, sile jonowej oraz w różnym czasie, aby określić wpływ tych parametrów na efektywność
procesu. W celu określenia kinetyki procesu adsorpcji zostały użyte modele pseudo-pierwszego rzędu
(PFO) i pseudo-drugiego rzędu (PSO). Ilość zaadsorbowanej metaloftalocyjaniny została określona na
podstawie pomiarów spektrofotometrycznych. Wykonano również analizy FT-IR i EDS oraz zdjęcia
SEM otrzymanych układów hybrydowych.
Na podstawie uzyskanych rezultatów wykazano, iż szkielety gąbek morskich są efektywnym
sorbentem sulfonowanej ftalocyjaniny żelaza (III). Kluczowym parametrem wpływającym na wydajność
procesu jest kwasowość środowiska oraz obecność dodatkowych jonów (siła jonowa), co wynika
z obecności specyficznych oddziaływań pomiędzy adsorbentem i adsorbatem. Dodatnio naładowane
w środowisku kwaśnym grupy funkcyjne na powierzchni gąbki (NH3+) oddziałują ze zdysocjowanymi
grupami sulfonowymi (SO3-) z metaloftalocyjaniny. Pomiędzy adsorbatem a adsorbentem występują
oddziaływania elektrostatyczne odpychające, które ulegają zmniejszeniu wraz ze wzrostem siły jonowej,
co finalnie skutkuje wzrostem zdolności adsorpcyjnej adsorbentu. Dodatkowo może występować
agregacja cząstek Fe MFC, na co wpływają oddziaływania międzycząsteczkowe takie jak: siły van der
Waalsa, oddziaływania jon-jon, dipol-dipol, które występują w roztworze pomiędzy jego cząsteczkami.
Siły te ulegają zwiększeniu po dodaniu do roztworu barwnika soli NaCl. Podobnie, zwiększona zdolność
69
BioOrg 2015
adsorpcji w takich warunkach procesu może być przypisana agregacji cząsteczek Fe MFC wywołanej
działaniem jonów soli tzn., że jony soli „zmuszają” cząsteczki barwnika do gromadzenia się, zwiększając
przy tym zakres sorpcji na powierzchni adsorbentu. Dane eksperymentalne wyznaczone dla kinetyki
procesu adsorpcji bezpośrednio korespondują z modelem kinetycznym pseudo-drugiego rzędu, co jest
potwierdzone przez wysoki współczynnik korelacji.
Wyniki analizy FT-IR przedstawiono na rysunku 1, wskazują one na istnienie wiązań
wodorowych pomiędzy szkieletem gąbki morskiej i MFC.
Rysunek 1. Widma FTIR gąbek morskich, Fe MFC i układów otrzymanych z roztworów barwnika
o stężeniu 400 i 600 mg/L (pH = 2, 0,1M NaCl).
Praca została przygotowana i sfinansowana w ramach projektu badawczego Politechniki Poznańskiej
nr 03/32/DSPB/0506.
Literatura:
[1] K. Sakamoto, E. Okumura (2009) Syntheses and functional properties of phthalocyanines, Materials 2:1127-1179.
[2] C. Lee, Y. Kwon, D. Choi, Y. Geerts, E. Koh, J. Jin (2010) High-temperature ferromagnetism of a discotic liquid crystal
dilutely intercalated with iron(III) phthalocyanine, Advanced Materials 22:4405-4409.
[3] S. Rismayani, M. Fukushima, H. Ichikawa, K. Tatsumi (2004) Decolorization of orange II by catalytic oxidation using iron
(III) phthalocyanine-tetrasulfonic acid, Journal of Hazardous Materials B114:175-181.
[4] V. Singh, R. Kanaparthi, L.Giribabu (2014) Emerging molecular design strategies of unsymmetrical phthalocyanines for
dye-sensitizedsolar cell applications, RSC Advances 4:6970-6984.
[5] A. Sorokin, A.Tuel (2000) Metallophthalocyanine functionalized silicas: catalysts for the selective oxidation of aromatic
compounds, Catalysis Today 57:45-59.
[6] Y. Pan, W. Chen, Y. Zhang (2004) A novel air-purifying material based on metallophthalocyanines supported on viscose
fibre, Coloration Technology 120:66-71.
70
BioOrg 2015
MODYFIKOWANE MEMEBRANY CHITOZANOWE W KONDENSATORZE
ELEKTROCHEMICZNYM
Krzysztof Nowacki*, Izabela Stępniak
Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań
Chitozan
[β–(1,4)–2–amino–2–deoksy–D–glukopiranoza]
jest
polimerem
pochodzenia
naturalnego, otrzymywanym przez deacetylację chityny. Jako nietoksyczny, biodegradowalny i łatwo
ulegający modyfikacji jest materiałem szeroko stosowanym głównie w medycynie [1], ale również
w
innych
dziedzinach
elektrochemicznych
np.
elektrochemii
(ogniwach,
[2-5].
kondensatorach
Zastosowanie
chitozanu
elektrochemicznych
czy
w
urządzeniach
sensorach)
jako
membrany/separatora lub składnika materiału elektrodowego, pozwala na uzyskanie urządzeń o wysokiej
wydajności oraz redukcję kosztów produkcji i recyklingu.
Celem badań było określenie wpływu modyfikacji membrany chitozanowej (CS) na podstawowe
parametry kondensatora elektrochemicznego. Membrany chitozanowe otrzymano metodą wylewania,
które następnie poddano modyfikacji [6] wykorzystują różne czynniki modyfikujące (aldehydu
glutarowego,
alginianu
sodu,
cytrynianu
sodu,
kwasu
siarkowego(VI),
siarczanu(VI)
sodu,
tripolifosforanu sodu oraz wodorotlenku sodu).
W celu określenia wpływu zastosowanego modyfikatora na parametry membrany CS
(surowej i zmodyfikowanej) przeprowadzono:
• badanie stopnia pęcznienia (SD) w roztworze elektrolitu,
• charakterystykę elektrochemiczną testowych komórek kondensatorowych (EDLCs).
Na podstawie wyników określono zależność między rodzajem czynnika sieciującego a stopniem
pęcznienia membrany oraz wpływ modyfikacji membrany na parametry elektrochemiczne EDLCs
(pojemność, gęstość energii i mocy). W badaniach elektrochemicznych wykorzystano następujące
metody: elektrochemiczną spektroskopię impedancyjną (EIS), woltamperometrię cykliczną (CV) oraz
galwanostatyczne ładowanie/rozładowanie.
Najlepszymi parametrami elektrochemicznymi, charakteryzują się komórki kondensatorowe
z
membranami
modyfikowanymi
NaOH/CS
(w
i Na2SO4/CS 122 F∙g-1.
71
zakresie
napięcia
0–1
V)
127
F∙g-1
BioOrg 2015
Literatura:
[1] C. Qin, H. Li, Q. Xiao, Y. Liu, J. Zhu, Y. Du (2006) Water-solubility of chitosan and its antimicrobial activity,
Carbohydrate Polymers, 63:367-374.
[2] M. Yamagata, K. Soeda, S. Ikebe, S. Yamazaki, M. Ishikawa (2013) Characteristics of electric double layer capacitors
with an ionic liquid electrolyte containing Li Ion, Electrochemica Acta, 100:275-280.
[3] N. A. Choudhury, P. W. C. Narthrop, A. C. Crothers, S. Jain (2012) Chitosan hydrogel-based electrode binder and
electrolyte membrane for EDLCs: experimental studies and model validation, Journal of Applied Electrochemistry
42:935-943.
[4] J. Ma, Y. Sahai (2013) Chitosan biopolymer for fuel cell applications, Carbohydrate Polymers 92:955-975.
[5] S. Kawatsu (1998) Advanced PEFC development for fuel cell powered vehicles, Journal of Power Sources 71:150-155.
[6] M. Pieróg, M. Gireszewska, J. Ostrowska–Czubenko (2009) Preparation and characterization of chitosan-insulintripolyphosphate membrane for controlled drug release: effect of cross linking agent, Progress on Chemistry and Application
Chitin 14:75-82.
72
BioOrg 2015
SYSTEMY DOSTARCZANIA LEKÓW OPARTE NA MATRYCY
POLIMEROWEJ
Kinga Olejniczak*, Agnieszka Szwak, Ewa Andrzejewska
W pracy otrzymano matryce polimerowe z materiału, jakim był Eudragit E100. Przedstawiono
wyniki badań uzyskanych dzięki połączeniu w różnych proporcjach polimeru z plastyfikatorem –
gliceryną i zbadano właściwości materiału. Opracowane matryce połączono z Sumatryptanem –
modelowym lekiem przeciwbólowym i zbadano wpływ leku na właściwości matrycy.
Ostatnio duże zainteresowanie naukowców skupia się na biomedycznych polimerach
stosowanych w systemach dostarczania leków. Zaprojektowane związki wielkocząsteczkowe pozwalają
na dostarczenie substancji leczniczych do wybranych narządów i tkanek w organizmie ludzkim. Polimery
stosowane w systemach terapeutycznych mają za zadanie dawkowanie lub uwalnianie leków
w dokładnym czasie z kontrolowaną szybkością [1]. W systemach dostarczania leków takich jak:
przezskórne, implantacyjne oraz doustne, próbuje się wdrożyć modyfikowane uwalnianie substancji czynnych
[2]. Transdermalny (przezskórny) system dostarczania leków (TDDS) jest rodzajem kontrolowanego
uwalniania leków. Jest nieinwazyjną metodą przezskórnego dostarczania substancji leczniczych
zaprojektowaną w celu dawkowania terapeutycznie efektywnej ilości leku w odgórnie określonym czasie
i z kontrolowaną prędkością [3]. Transdermalne środki farmakologiczne poddaje się intensywnym badaniom
pod względem polepszania przenikalności substancji czynnych przez skórę oraz zwiększania liczby tych
substancji, które można zastosować. TDDS jest atrakcyjną alternatywą dla doustnego lub pozajelitowego
podawania leków, ponieważ zapewnia utrzymanie stężenia substancji czynnej na stałym poziomie,
powyżej minimalnego stężenia terapeutycznego. Pozwala to uniknąć toksycznych stężeń oraz wahań
ilości leku w osoczu. Transdermalne plastry wykorzystywane jako forma kontrolowanego uwalniania
leków są łatwe w użyciu, mają dużą pojemność oraz zapewniają łatwe zakończenie kuracji, jeżeli zajdzie
taka konieczność. Przezskórny sposób podawania leków pozwala uniknąć efektu pierwszego przejścia –
metabolizmu wątrobowego [4].
W pracy podjęto próbę zaprojektowania transdermalnego systemu dostarczania leku opartego
na matrycy wykonanej z Eudragitu E100 oraz dodatku gliceryny jako środka plastyfikującego. Gliceryna
oprócz plastyfikowania układu jest ważnym czynnikiem zwiększającym penetrację leku przez skórę. Eudragit
E 100 to kationowy kopolimer metakrylanu 2-N,N-dimetyloaminoetylu, metakrylanu butylu oraz
metakrylanu metylu w stosunku 2:1:1, stosowany głównie w produkcji tabletek. Jako modelową
73
BioOrg 2015
substancję czynną zastosowano Sumatryptan, który jest syntetycznym lekiem należącym do grupy
tryptanów, stosuje się go w leczeniu klasterowych bólów głowy i migren.
W badaniach metodą odlewania otrzymano próbki z mieszaniny kopolimeru metakrylanu
2-N,N-dimetyloetyloaminy (Eudragitu E100), gliceryny (oraz ew. leku) rozpuszczonych w izopropanolu.
Folie o grubości 220 µm przygotowywano ze zmiennym stężeniem gliceryny, ale przy stałym stosunku
wagowym Eudragit E 100 : Sumatryptan . Otrzymane próbki polimer/gliceryna wraz ze wzrostem
stężenia plastyfikatora wykazywały większe zdolności elastyczne. Po przekroczeniu zawartości 35 %
wag. gliceryny układ stawał się makroskopowo heterogeniczny (wypacanie gliceryny). Otrzymane folie
polimer/plastyfikator/Sumatryptan w porównaniu do folii bez leku wykazywały większą elastyczność
przy tej samej ilości gliceryny.
Zbadano temperatury zeszklenia otrzymanych próbek metodą skaningowej kalorymetrii
różnicowej (DSC). Wprowadzenie samego leku obniżało Tg Eudragitu o około 10 °C (z 44,0 do
34,17 °C) wskazując na jego plastyfikujący wpływ. Natomiast zastosowanie gliceryny do Eudragitu E
100 spowodowało obniżenie temperatury zeszklenia (Tg) tym większe, im większe było stężenie
plastyfikatora w otrzymanych próbkach. Wyznaczone wartości Tg w funkcji stężenia gliceryny dla układu
dwuskładnikowego (bez leku) przedstawiono na Rys. 1. W układzie polimer / gliceryna, faza Eudragitu
pojawia się dla wszystkich stężeń gliceryny > 15% wag., natomiast coraz trudniej odczytać jest Tg fazy
polimer/gliceryna. Świadczy to o coraz mniejszej rozpuszczalności Eudragitu w glicerynie. Czyli
w małych stężeniach gliceryna rozpuszcza się w Eudragicie, a przy większych stężeniach gliceryny
Eudragit nie rozpuszcza się w plastyfikatorze.
Rysunek 1. Zależność Tg od stężenia gliceryny w układach Eudragit / plastyfikator oraz Eudragit/plastyfikator/lek.
(1) – Tg fazy Eudragitu, (2) – Tg fazy Eudragit/gliceryna,
(3) – Tg fazy Eudragit/Sumatryptan,
Podsumowując można stwierdzić, że gliceryna może być plastyfikatorem dla Eudragitu E 100,
74
BioOrg 2015
przy czym powinno się wprowadzać jej więcej niż kilkanaście procent, ze względu na utratę
kompatybilności układu przy większych stężeniach. W małych stężeniach gliceryna rozpuszcza się
w Eudragicie, a przy większych stężeniach plastyfikatora Eudragit nie rozpuszcza się w glicerynie.
Dodatek Sumatryptanu zmniejsza rozpuszczalność gliceryny w polimerze. Dodatek gliceryny w ilości
ok. 15 % jest wystarczający, aby matryca występowała w stanie wysokoelastycznym w temperaturze
ciała ludzkiego. Wprowadzanie substancji leczniczej może wpłynąć na wartość Tg matrycy, dlatego skład
procentowy systemu należy ustalać indywidualnie dla każdego leku.
Literatura:
[1] E. Oledzka, M. Sobczak (2012). Polymers in the pharmaceutical applications - Nnatural and bioactive initiators and
catalysts in the synthesis of biodegradable and bioresorbable polyesters and polycarbonates, innovations in biotechnology,
Dr. Eddy C. Agbo (Ed.), ISBN: 978-953-51-0096-6, InTech.
[2] S. Güngör, M. Sedef Erdal ,Y. Özsoy (2012) Plasticizers in Transdermal Drug Delivery Systems, Recent Advances in
Plasticizers, Dr. Mohammad Luqman (Ed.), ISBN: 978-953-51-0363-9, InTech.
[3] S. Banerjee, P. Chattopadhyay, A. Ghosh, P. Datta, V. Veer (2014) Aspect of adhesives in transdermal drug delivery
systems, International Journal of Adhesion & Adhesives 50:70-84.
[4] A. Alexander, S. Dwivedi, Ajazuddin, T. K. Giri, S. Saraf, S. Saraf, D. K. Tripathi (2012) Approaches for breaking the
barriers of drug permeation through transdermal drug delivery, Journal of Controlled Realase 164:26-40.
75
BioOrg 2015
ZASTOSOWANIE MODYFIKOWANEJ SKROBI JAKO POTENCJALNEGO
MODYFIKATORA ROZPUSZCZANIA I SZYBKOŚCI ROZPUSZCZANIA
NAPROKSENU
Magdalena Paczkowska1*, Joanna Le Thanh-Blicharz2, Jacek Lewandowicz3, Bartłomiej Kubiak4,
Judyta Cielecka-Piontek1
1
Katedra i Zakład Chemii Farmaceutycznej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu,
2
Zakład Koncentratów Spożywczych i Produktów Skrobiowych, Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego
im. prof. Wacława Dąbrowskiego, ul. Starołęcka 40, 61-361 Poznań
3
Katedra Przyrodniczych Podstaw Jakości, Uniwersytet Ekonomiczny w Poznaniu, al. Niepodległości 10, 61-875 Poznań
4
POLPHARMA SA, Dział Preformulacji, ul. Pelplińska 19, 83-200 Starogard Gdański
Według biofarmaceutycznego systemu klasyfikacji leków, rozpuszczanie w środowisku przewodu
pokarmowego, jak również przenikanie przez błony biologiczne są kluczowymi parametrami
w biodostępności leków podawanych doustnie [1].
Naproksen
jest
niesteroidowym
lekiem
przeciwzapalnym,
stosowanym
w
leczeniu
reumatoidalnego zapalenia stawów, zapalenia kości i stawów. Charakteryzuje się słabą rozpuszczalnością
w wodzie i niską szybkością uwalniania, co skutkuje niską biodostępnością. Z powodu niskiej
biodostępności oraz występowania wielu działań niepożądanych ze strony przewodu pokarmowego, jego
zastosowanie staje się ograniczone. W związku z tym wiele prac zostało poświęconych zastosowaniu
substancji pomocniczych jako modyfikatorów postaci leku, w tym zastosowano chitozan [2] lub
kompleksowanie z pochodnymi β-cyklodekstyny [3, 4] w celu zwiększenia rozpuszczalności naproksenu.
Innym modyfikatorem stosowanym w celu opracowania nośników leków do kontrolowanego
podania jest skrobia i jej pochodne [5-8]. Fosforany skrobiowe stanowią grupę najwcześniej
wprowadzonych na rynek i do dzisiaj powszechnie stosowanych skrobi modyfikowanych. Proces
tworzenia fosforanów skrobiowych może być prowadzony dwoma sposobami: (a) – tak, aby reszta kwasu
fosforowego łączyła się tylko z jedną grupą hydroksylową skrobi; tworzy się wówczas fosforan
jednoskrobiowy E 1410; ilość zawartego fosforu wynosi maksymalnie 0,5 %; (b) – tak aby cząsteczka
związku fosforowego łączyła się z dwoma grupami hydroksylowymi różnych cząsteczek skrobi; zachodzi
proces usieciowania, tworzy się fosforan dwuskrobiowy E 1412 [9].
Celem niniejszej pracy było zbadanie możliwości zwiększenia rozpuszczalności i szybkości
rozpuszczania naproksenu poprzez zastosowanie zmodyfikowanej skrobi.
Trzy fosforany jednoskrobiowe (w postaci „Hot Soluble” – „HS” i „Cold Soluble” – „CS”),
stanowiące składnik otoczki tabletek, otrzymano według polskiego zgłoszenia patentowego. Oznaczono
zawartość fosforu w otrzymanych fosforanach jednoskrobiowych metodą miareczkową. W tym celu
odważono do zlewki o poj. 250 ml 10 g próbki z dokładnością do 0,1 g. Dodano 100 ml wody
76
BioOrg 2015
destylowanej i przy pomocy 6N kwasu solnego nastawiono pH na 2,0. Zawiesinę mieszano w czasie
ok. 5 min i odwirowywano przy obrotach 1800 obr/min w czasie ok. 3 min. Supernatant odrzucono,
pozostałość wymieszano ponownie ze 100 ml destylowanej wody i utworzoną zawiesinę odwirowano.
Drugi supernatant również odrzucono a pozostałość ilościowo przeniesiono do zlewki o poj. 400 ml
zawierającej 100 ml wody destylowanej. Zawiesinę miareczkowano przy pomocy 0,2N NaOH
oznaczając objętość ługu zużytą przy pH 5,0 i 9,5. Zawartość fosforu związanego obliczono ze wzoru:
gdzie: P - zawartość fosforu związanego, A - ilość 0,2N NaOH zużyta do pH 9,5, B - ilość 0,2N NaOH
zużyta do pH 5,0, N - normalność NaOH, DS - zawartość suchej masy w próbce badanej.
W celu potwierdzenia właściwego przeprowadzenia reakcji estryfikacji dla zastosowaniem skrobi
oznaczono zawartość przyłączonego fosforu w próbkach, która wynosiła odpowiednio dla skrobi „Hot
Soluble” 0,006 % („HS”), a dla dwóch skrobi „Cold Soluble” 0,006 % („CS”) i 0,028% („CS2x”).
Układy binarne naproksenu i skrobi zostały przygotowane z zastosowaniem młyna kulowego
(Retsch MM400) w 3 stosunkach wagowych: 1:1, 1:10 i 10:1.
Widma absorpcyjne w zakresie podczerwieni składników badanych układów oraz badanych
układów zostały zarejestrowane przy pomocy spektrofotometru fourierowskiego FT-IR firmy Bruker
Equinox 55 wyposażonego w mikroskop Bruker Hyperion 1000. Pomiar przeprowadzono w zakresie
od 400 do 700 cm-1.
Pomiary widm rozproszenia Ramana i w podczerwieni składników badanych układów oraz
badanych układów zostały wykonane przy użyciu spektrometru LabRAM HR800 firmy HORIBA
JobinYvon, przy długości fali wzbudzającej lasera λ=633 nm (laser He-Ne). Widma zarejestrowano
w zakresie od 100 do 3500 cm-1.
Oznaczenie stężenia naproksenu prowadzono metodą UHPLC-DAD stosując jako fazę
stacjonarną: kolumnę Waters Acquity BEH C18 (100 mm x 2,1 mm x 1,7 μm), jako fazę ruchomą:
mieszaninę 0,1 % kwasu mrówkowego i acetonitrylu (60:40 v/v), szybkość przepływu fazy ruchomej:
0,5 ml/min i wielkość nastrzyku: 5 μm. Długość fali detekcji wynosiła 235 nm, a temperatura kolumny
30°C [10].
Badania rozpuszczalności naproksenu przeprowadzono w wodzie, 0,1M kwasie solnym i buforze
fosforanowym o pH ~ 6,9. Badania dostępności farmaceutycznej prowadzono zgodnie z wytycznymi
przewodników farmakopealnych [11]. W badaniach dostępności stosowano jako medium 0,1M HCl
(symulacja środowiska żołądka) ze zmianą na bufor fosforanowy (pH ~ 6,9) (jako odzwierciedlenie pH
środowiska jelita). Proces uwalniania prowadzono w aparacie łopatkowym (Agilent 708-DS) z
prędkością obrotów łopatki 50 obr/min i temperaturą łaźni 37 ± 0,5 °C. Pobrane próby przesączono przez
77
BioOrg 2015
filtr strzykawkowy 0,45 μm. Ocena zmian stężenia naproksenu badano z zastosowaniem opracowanej
metody UHPLC-DAD.
Oznaczanie zmian stężenia naproksenu podczas badań rozpuszczalności i dostępności
farmaceutycznej
przeprowadzono stosując metodę UHPLC
z
detekcją spektrofotometryczną.
Opracowana metoda UHPLC-DAD została uprzednio walidowana w odniesieniu do selektywności
oznaczeń, liniowości, precyzji, dokładności i wyznaczania limitów wykrywalności oraz oznaczalności
naproksenu w wodzie, 0,1M kwasie solnym i buforze fosforanowym (pH ~ 6,9). Oznaczanie zmian
stężenia naproksenu wykazało brak rozkładu substancji aktywnej w trakcie preparatyki układów
binarnych, jak również potwierdziło brak powstawania produktów rozkładu w trakcie badań
rozpuszczalności.
Analiza możliwości modyfikacji profilu opisującego szybkość uwalniania naproksenu
z połączenia ze skrobią wskazała, że modyfikacja ta pozwoliła na osiągnięcie większych wartości
rozpuszczalności w krótszym czasie, w porównaniu do czystego naproksenu. Wszystkie uzyskane profile
uwalniania potwierdziły utrzymywanie się maksymalnego stężenia naproksenu przez czas 2 h. Wszystkie
zaproponowane
układy
wykazywały
większą
(2-10
razy)
maksymalną
rozpuszczalność
i szybkość rozpuszczania w porównaniu do samego naproksenu. Największy stopień rozpuszczania
(najwyższe osiągnięte stężenie naproksenu) uzyskano dla połączenia naproksen-skrobia „CS2x”
w stosunku 10:1 a rozpuszczalność naproksenu w tym układzie była 10 razy większa niż czystego
naproksenu. Układ naproksen-skrobia „CS” w stosunku wagowym 1:10 wykazuje potencjalne
możliwości zastosowania jako układu modyfikującego uwalnianie w czasie.
Połączenie naproksenu z modyfikowaną skrobią okazało się funkcjonować jako korzystny układ
zwiększający rozpuszczalności oraz szybkości rozpuszczania naproksenu.
Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji
nr DEC-2013/09/N/NZ7/01479.
Literatura:
[1] G. L. Amidon, H. Lennernäs, V. P. Shah, J. R. Crison JR (1995) A theoretical basis for a biopharmaceutic drug
classification: the correlation of in vitro drug product dissolution and in vivo bioavailability, Pharmaceutical Research 12:413420.
[2] F. Maestrelli, N. Zerrouk, C. Chemtob, P. Mura (2004) Influence of chitosan and its glutamate and hydrochloride salts on
naproxen dissolution rate and permeation across Caco-2 cells, International Journal of Pharmaceutics 271:257-267.
[3] P. Mura, G. P. Bettinetti, M. Cirri, F. Maestrelli, M. Sorrenti, L. Catenacci (2005) Solid-state characterization and
dissolution
properties of Naproxen-Arginine-Hydroxypropyl-β-cyclodextrin
ternary
system,
European Journal
of
Pharmaceutics and Biopharmaceutics 59:99-106.
[4] B. Lee, J. Lee (1995) Enhancement of solubility and dissolution rate of poorly water-soluble naproxen by complexation
with 2-Hydroxypropyl-β-cyclodextrin, Archives of Pharmacal Research 18(1):22-26.
78
BioOrg 2015
[5] W. Błaszczak, A. Buciński, A. R. Górecki (2015) In vitro release of theophylline from starch-based matrices prepared
via high hydrostatic pressure treatment and autoclaving, Carbohydrate Polymers 117:25-33.
[6] A. Lopez-Cordoba, L. Deladino, M. Martino (2014) Release of yerba mate antioxidants from caorn starch-alginate
capsules as affected by structure, Carbohydrate Polymers 99:150-157.
[7] S. B. Nair, A Jyothi, (2013) Cassava starch-konjacglucomannan biodegradable blend films: In vitro study as a matrix for
controlled drug delivery, Starch 65:273-284.
[8] H. Ismail, M. Irani, Z. Ahmad (2013) Starch-based hydrogels: Present status and applications, International Journal of
Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials 62:411-420.
[9] G. Lewandowicz, A. Walkowski, J. Gawęcki, (1999) Fosforany skrobiowe – charakterystyka, funkcje technologiczne i
żywieniowe, Przemysł Spożywczy 3:34-36.
[10] Farmakopea Polska wyd. VII (2006) 337-343.
[11] P. Garbacki, P. Zalewski, M. Paczkowska, A. Talaczyńska, J. Cielecka-Piontek (2015) Opracowanie metody UHPLCDAD do badań trwałości, rozpuszczalności i zgodności naproksenu, IX Polska Konferencja Chemii Analitycznej, Poznań,
Book of asbstracts: PC-8.
79
BioOrg 2015
MONOLITYCZNE MATERIAŁY POLIMEROWO-CERAMICZNE NA BAZIE
POLI(ALKOHOLU WINYLOWEGO)
Michał Czerwiński, Monika Pietrzyńska*, Adam Voelkel
Poli(alkohol winylowy) PVA jest jednym z najczęściej stosowanych biomateriałów. Znajduje
zastosowanie do produkcji opatrunków, materiałów antybakteryjnych, czy też protez. Ponadto jest on
hydrofilowy i dobrze rozpuszczalny w wodzie, co ułatwia syntezę. PVA jako materiał monolityczny
charakteryzuje się dużą powierzchnią właściwą i dużą porowatością, a dodatkowo posiada unikatową
właściwość: przypomina topograficznie cechy występujące w naturalnej macierzy pozakomórkowej.
Połączenie monolitycznego materiału polimerowego o tak licznych zaletach, z hydroksyapatytem
sprawia, że uzyskany monolityczny biokompozyt ma duży potencjał do zastosowania w inżynierii
tkankowej [1-3].
Celem badań było przygotowanie oraz zbadanie właściwości porowatego monolitycznego
materiału, symulującego ludzką kość. Materiał taki mógłby być wykorzystany do produkcji implantów
a także posłużyć do badania sorpcji i resorpcji obecnie stosowanych leków przeciw osteoporozie.
Podstawowym kryterium, którym kierowano się przy wyborze odpowiednich materiałów
do syntezy była ich biokompatybilność, otrzymywany materiał monolityczny nie może być toksyczny dla
organizmu człowieka. Syntezowany materiał powinien mieć także porowatą strukturę umożliwiającą
sorpcję, podobną do struktury ludzkiej kości. Ponadto materiał ten powinien zapewniać dobry przepływ
cieczy po wpływem przyłożonego ciśnienia.
Z wykorzystywanych materiałów monolitycznych najbardziej obiecujące właściwości mają
materiały polimerowe, ze względu na łatwą syntezę i modyfikację chemiczną. Materiały te cechują się
także wysoką stabilnością w środowisku o szerokim zakresie pH, biokompatybilnością oraz dużą
szybkością przenoszenia masy.
Aby uzyskać materiał zbliżony w strukturze do ludzkiej kości, monolityczny PVA
zmodyfikowano wprowadzając do niego hydroksyapatyt (HA), który jest głównym związkiem
nieorganicznym występującym w ludzkim ciele. Wprowadzenie HA na powierzchnię poli(alkoholu
winylowego) pozwoliło uzyskać materiał, który jest jednocześnie porowaty oraz umożliwia sorpcję,
dzięki grupom funkcyjnym hydroksyapatytu.
Polimerowe materiały monolityczne przygotowuje się zazwyczaj w reakcji polimeryzacji
wolnorodnikowej, addycyjnej czy też polikondensacji. W przeprowadzonych badaniach przygotowano
materiał monolityczny stosując rozdrobniony polimer, a nie monomer.
80
BioOrg 2015
Przygotowano szereg różnych monolitycznych materiałów - zarówno zawierających, jak i nie
zawierających HA w pierwotnej postaci. Następnie na przygotowane materiały naniesiono
hydroksyapatyt, poprzez naprzemienne przemywanie w roztworach chlorku wapnia w TRIS-HCl oraz
wodorofosforanu sodu w wodzie.
W rezultacie otrzymano materiały, o różnej zawartości hydroksyapatytu, różnej ilości dodanego
czynnika sieciującego oraz o różnej ilości HA na powierzchni materiałów.
Za pomocą metod FTIR, ATR oraz EDS potwierdzono obecność hydroksyapatytu
w przygotowanych materiałach oraz na ich powierzchni. Za pomocą techniki BET oraz SEM
potwierdzono porowatą strukturę materiału.
Badania finansowane przez Narodowe Centrum Nauki, numer projektu: 03/32/PNCN/2829
Literatura:
[1] X. Sun, H. Uyama (2014) In situ mineralization of hydroxyapatite on poly(vinyl alcohol) monolithic scaffolds for tissue
engineering, Colloid Polymer Science 292:1073-1078.
[2] J. Krenkova, F. Foret, F. Svec, (2012) Less common applications of monoliths: V. Monolithic scaffolds modified with
nanostructures for chromatographic separations and tissue engineering, Journal of Separation Science 35:1266-1283.
[3] X. Sun, T. Fujimoto, H. Uyama (2013) Fabrication of a poly(vinyl alcohol) monolith via thermally impacted non-solventinduced phase separation, Polymer Journal 45:1101-1106.
81
BioOrg 2015
STRZĘPKA GRZYBÓW MIKORYZY ARBUSKULARNEJ JAKO
BIOMATERIAŁ IMMOBILIZUJĄCY METALE CIĘŻKIE
Monika Rajtor*, Zofia Piotrowska-Seget
Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Śląski, ul. Jagiellońska 28, 40-032 Katowice
Grzyby mikoryzy arbuskularnej (MA) to obligatoryjne endosymbionty roślin należące
do gromady Glomeromycota. Szacuje się, że wchodzą one w interakcje z korzeniami 80-90 % gatunków
roślin naczyniowych. Są obecne w niemal wszystkich ekosystemach lądowych i stanowią
najpowszechniejszy rodzaj symbiozy mikroorganizmów z roślinami [1]. Partner grzybowy otrzymuje
od gospodarza roślinnego do 20 % węgla związanego w procesie fotosyntezy, w zamian dostarczając
roślinie substancje odżywcze i wodę [2]. Grzyby MA są powszechnie obecne w środowiskach
zanieczyszczonych, gdzie ich rola we wspomaganiu wzrostu roślin i ochronie roślin przed czynnikami
stresowymi jest szczególnie istotna. Liczne badania wykazały, że grzyby MA prezentują wysoki
potencjał we wspomaganiu fitoremediacji gleb skażonych metalami ciężkimi. Struktury mikoryzowe są
zdolne do unieruchamiania metali ciężkich, co znacznie ogranicza ich toksyczny wpływ na rośliny [3].
Grzyby MA rozwijają się nie tylko wewnątrz korzeni roślin, ale tworzą rozległą sieć mikoryzową, która
przerasta ogromne obszary gleby, wydłużając zasięg ryzosfery o kilka rzędów wielkości [4]. Długość
strzępki grzybowej w jednym gramie gleby może dochodzić do kilku metrów, przy czym jej
powierzchnia absorpcyjna jest około 100-krotnie wyższa niż takiej samej masy korzeni [5]. W
środowisku skolonizowanym przez grzyby MA wyróżniamy mykoryzosferę, a poza nią mykosferę, strefę
wolną od korzeni, gdzie metale ciężkie wiązane są jedynie przez struktury grzybowe [3,6]. Mikoryza
arbuskularna pozwala zatem zniwelować główną wadę fitoremediacji, jaką jest ograniczony dostęp
korzeni do zanieczyszczeń zlokalizowanych w głębszych warstwach gleby. Fitoremediacja metali
ciężkich wspomagana grzybami MA została określona terminem mikoryzoremediacji [3].
Wyniki licznych eksperymentów nad fitoremediacją wspomaganą grzybami MA, sugerują
że regulują one pobieranie metali ciężkich przez rośliny w zależności od ich stężenia w glebie. Rośliny
mikoryzowe w porównaniu z niemikoryzowymi pobierają większe ilości metali ciężkich, jeżeli ich
zawartość w glebie jest niska. Natomiast, jeżeli stężenie metali ciężkich w glebie jest wysokie, rośliny
mikoryzowe pobierają mniej metali ciężkich, niż rośliny nieinokulowane grzybami MA [7]. Strzępka
grzybów MA działa jak ochronny biofiltr immobilizujący metale ciężkie, prowadząc do ich akumulacji
w systemie korzeniowym. Tę właściwość grzybów MA wykorzystuje się w technikach fitostabilizacji
gleb skażonych metalami ciężkimi [3,8-11]. Analiza rozmieszczenia metali ciężkich w korzeniach
mikoryzowych i niemikoryzowych ujawniła, że kora pierwotna korzeni skolonizowanych przez grzyby
82
BioOrg 2015
MA akumuluje dużo więcej metali ciężkich, a szczególnymi strukturami odpowiedzialnymi za ich
depozycję są pęcherzyki grzybów MA [12,13]. Ilość pęcherzyków jest zazwyczaj pozytywnie
skorelowana z ilością metali ciężkich zakumulowanych w korzeniu [9]. Badania wykazały, że grzybnia
ekstramatrykalna (zewnątrzkorzeniowa) wykazuje większe powinowactwo do wiązania metali ciężkich
niż zmikoryzowane korzenie. Strzępka szczepu Glomus intraradices wyizolowanego z terenów
skażonych kadmem akumulowała 20 razy więcej kadmu niż korzenie mikoryzowe i 10 razy więcej niż
korzenie niemikoryzowe [14]. W przypadku szczepu Glomus mosseae wyizolowanego z gleby
o 60-letniej historii przemysłowego skażenia metalami ciężkimi wykazano, że strzępka może związać do
0,5 mg Cd/mg suchej masy grzybni, co jest wartością 3-krotnie wyższą w porównaniu do grzybów MA
nietolerujących metali ciężkich i 10-krotnie wyższą względem Rhizopus arrhizus (Zygomycota), grzyba
który jest powszechnie stosowanym organizmem w biosorpcji metali ciężkich [15]. Badania
ultrastrukturalne strzępki grzybów MA ujawniły, że główną strukturą biorącą udział w biernej sorpcji
metali ciężkich jest bogata w chitynę i chitozan ściana komórkowa [16,17]. Polimery te zawierają wolne
i acetylowane grupy aminowe, a także hydroksylowe o ujemnym ładunku, które wydajnie kompleksują
kationy metali ciężkich [18]. Stężenie metali ciężkich w cytoplazmie grzybów MA jest bardzo niskie.
Głównym miejscem ich aktywnego wiązania są wodniczki, co ogranicza ich toksyczny wpływ na
struktury komórkowe. Wodniczki zawierają polifosforany oraz komponenty z grupami tiolowymi, jak
glutation, fitochelatyny i metalotioneiny [19,20]. Wykazano, że wodniczki o wysokiej zawartości miedzi
są głównie gromadzone w zarodnikach [17,19].
Kolejnym mechanizmem wykorzystywanym przez grzyby mikoryzy arbuskularnej do wewnątrzi zewnątrzkomórkowej immobilizacji metali ciężkich jest produkcja glomaliny. Glomalina to białko
będące homologiem białka szoku cieplnego 60. Jest gromadzona głównie w wewnętrznej warstwie ściany
komórkowej grzybni oraz spor, skąd wydzielana jest do gleby [21]. Glomalina wydajnie kompleksuje
metale ciężkie i wraz z nimi, może być łatwo ekstrahowana z gleby. González-Chávez i wsp. (2004)
w wyniku ekstrakcji glomaliny z zanieczyszczonej gleby usunęli 4,3 mg Cu; 0,08 mg Cd i 1,12 mg Pb na
gram glomaliny. Po wprowadzeniu CuSO4 do roztworu czystej glomaliny, wyizolowanej ze strzępki
Gigaspora rosea, uzyskano sekwestrację miedzi na poziomie 28 mg Cu/g glomaliny [22]. W glebie
skażonej miedzią 27,5 % całkowitej jej zawartości było związane z glomaliną [23]. Vodnik i wsp. (2008)
wykazali, że ilość glomaliny w glebie jest pozytywnie skorelowana z ilością metali ciężkich. W glebie
skażonej ołowiem, glomalina stanowiła do 21,2 % całkowitej materii organicznej i kompleksowała
do 15,5 % całkowitej zawartości ołowiu w glebie [24].
Grzyby MA są powszechnie obecne w ekosystemach na całym świecie, ich wyselekcjonowane,
zaadoptowane do określonych warunków szczepy, mogą stanowić funkcjonalny biomateriał
immobilizujący metale ciężkie oraz wspomagać rozwój szaty roślinnej, w procesie fitoremediacji terenów
zdegradowanych, skażonych metalami ciężkimi.
83
BioOrg 2015
Literatura:
[1] S. E. Smith, D. J. Read (2008) Mycorrhizal symbiosis. Academic Press, Amsterdam, Holandia.
[2] D. P. Wright, D. J. Read, J. D. Scholes (1998) Mycorrhizal sink strength influences whole plant carbon balance of
Trifolium repens L. Plant, Cell and Environment 21:881-891.
[3] C. Leyval, E. J. Joner, C. Del Val, K. Haselwandter (2002) Potential of arbuscular mycorrhizal fungi for bioremediation,
w: Mycorrhizal technology in agriculture: From genes to bioproducts, Springer Verlag, Birkhäuser, Niemcy.
[4] M. G. van der Heijden, T. R. Horton (2009) Socialism in soil? The importance of mycorrhizal fungal networks for
facilitation in natural ecosystems, Journal of Ecology 97:1139-1150.
[5] A. G. Khan, C. Kuek, T. M. Chaudhry, C. S. Khoo, W. J. Hayes (2000) Role of plants, mycorrhizae and phytochelators in
heavy metal contaminated land remediation, Chemosphere 41:197-207.
[6] G. Andrade, K.L. Mihara., R.G. Linderman, G.J. Bethlenfalvay (1997) Bacteria from rhizosphere and hyphosphere soils of
different arbuscular-mycorrhizal fungi. Plant and Soil 191(1):71-79.
[7] P. Audet, C. Charest (2007) Dynamics of arbuscular mycorrhizal symbiosis in heavy metal phytoremediation: Metaanalytical and conceptual perspectives, Environmental Pollution 147:609-614.
[8] A. Medina, N. Vassilev, J.M. Barea, R. Azćon (2005). Application of Aspergillus niger-treated agrowaste residue and
Glomus mosseae for improving growth and nutrition of Trifolium repens in a Cd-contaminated soil, Journal of Biotechnology
16:369-378.
[9] X. Chen, C. Wu, J. Tang, S. Hu (2005) Arbuscular mycorrhizae enhance metal lead uptake and growth of host plants
under a sand culture experiment, Chemosphere 60:665-671.
[10] B.D. Chen, Y.-G. Zhu, J. Duan, X.Y. Xiao, S.E. Smith (2007) Effects of the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus
mosseae on growth and metal uptake by four plant species in copper mine tailings. Environmental Pollution 147: 374-380.
[11] R. Sudová, M. Vosátka (2007) Differences in the effect of three arbuscular mycorrhizal fungal strains on P and Pb
accumulation by maize plants, Plant and Soil 296(1-2):77-83.
[12] I. M. Weiersbye, C. J. Straker, W. J. Przybyłowicz (1999) Micro-PIXE mapping of elemental distribution in arbuscular
mycorrhizal roots of the grass, Cynodon dactylon, from gold and uranium mine tailings, Nuclear Instruments and Methods in
Physics Research 158:335-343.
[13] E. Orłowska, J. Mesjasz-Przybyłowicz, W. Przybyłowicz, K. Turnau (2008) Nuclear microprobe studies of elemental
distribution in mycorrhizal and non-mycorrhizal roots of Ni-hyperaccumulator Berkheya coddii, X-Ray Spectrometry 37:129132.
[14] M. Janouškova, D. Pavlikova, T. Macek, M. Vosatka (2005) Arbuscular mycorrhiza decreases cadmium phytoextraction
by transgenic tobacco with inserted metallothionein, Plant and Soil 272:29-40.
[15] E. J. Joner, R. Briones, C. Leyval (2000) Metal binding capacity of arbuscular mycorrhizal fungi, Plant and Soil 226:227234.
[16] A. Gollote, C. Cordier, M. C. Lemoine, V. Gianinazzi-Pearson (1997) Role of fungal wall components in interactions
between endomycorrhizal symbionts, w: Eukaryotism and Symbiosis, Springer, Berlin, Niemcy.
[17] M. González-Guerrero, L. H. Melville, N. Ferrol, J. N. A. Lott, C. Azcón-Aguilar, R. L. Peterson (2008) Ultrastructural
localization of heavy metals in the extraradical mycelium and spores of the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus
intraradices, Canadian Journal of Microbiology 54:103-110.
[18] G. Naja, B. Volesky (2011) The Mechanism of cation and anion biosorption, w: Microbial biosorption of metals,
Springer, Berlin, Niemcy.
84
BioOrg 2015
[19] N. Ferrol, M. González-Guerrero, A. Valderas, K. Benabdellah, C. Azcón-Aguilar (2009) Survival strategies of
arbuscular mycorrhizal fungi in Cu-polluted environments, Phytochemistry Reviews 8:551-559.
[20] S. Sarastwat, J.P.N Rai (2011) Mechanism of metal tolerance and detoxification in mycorrhizal fungi, w: Biomanagement
of metal-contaminated soil, Springer, Berlin, Niemcy.
[21] S. Purrin, M.C, Rilling (2008) Immuno-cytolocalization of glomalin in the mycelium of the arbuscular mycorrhizal fungus
Glomus intraradices, Soil Biology and Biochemistry 40:1000-1003.
[22] M.C. González-Chávez, R. Carrillo-González, S.F. Wright, K.A. Nichols (2004) The role of glomalin, a protein produced
by arbuscular mycorrhizal fungi, in sequestering potentially toxic elements, Environmental Pollution 130: 317-323.
[23] B. Cornejo, S. Meier, G. Borie, M. C. Rilling, F. Borie (2008) Glomalin-related soil protein in a Mediterranean
ecosystem affected by a copper smelter and its contribution to Cu and Zn sequestration, Science of the Total Environment 406:
154-160.
[24] D. Vodnik, H. Grčman, I. Macek, J. T Van Elteren, M. Kovacevic (2008) The contribution of glomalin-realated soil
protein to Pd and Zn sequestration in polluted soil, Science of the Total Environment 392:130-136.
85
BioOrg 2015
KOMPOZYTY NA BAZIE POLIMERÓW PRZEWODZĄCYCH DO CELÓW
ELEKTROANALITYCZNYCH
Joanna Przepióra, Tomasz Rębiś*, Bożena Karbowska, Grzegorz Milczarek
* e-mail:tomasz.rebis.put.poznan.pl
Sensory elektrochemiczne są ważną grupą sensorów chemicznych. Znalazły one szerokie
zastosowanie w analizie leków [1,2], metali ciężkich [3] lub biomolekuł [4]. Do zalet sensorów
elektrochemicznych zalicza się możliwość wykonania pomiaru w bardzo krótkim czasie, przy
zachowaniu dużej czułości i selektywności. Ponadto nie wymagają one skomplikowanej i drogiej
aparatury
pomiarowej
oraz
umożliwiają
monitoring
w
układzie
przepływowym.
Jednym
z najciekawszych obszarów, w którym zastosowanie znalazły sensory elektrochemiczne (głównie
amperometryczne) jest diagnostyka medyczna, gdzie sporym wyzwaniem jest umiejętność selektywnego
i wysoce czułego oznaczania związków chemicznych o istotnym znaczeniu biologicznym, takich jak:
glukoza,
kwas
askorbinowy,
dopomina
czy
dinukleotyd
nikotynoamidoadeninowy (NADH).
Monitorowanie ich zawartości w organizmie ludzkim jest niezbędne w celu wykrywaniu licznych chorób
[5].
Elektrody modyfikowane są powszechnie wykorzystywane do konstrukcji sensorów
elektrochemicznych w celu poprawy ich czułości, selektywności oraz właściwości elektrokatalitycznych.
W związku z tym obserwuje się bardzo dynamiczny rozwój badań poświęconych nowym materiałom
elektrodowym poprawiającym właściwości użytkowe sensorów elektrochemicznych. Współczesnym
celem staje się konstruowanie sensorów z materiałów przyjaznych środowisku, odnawialnych oraz tanich
i wykazujących wysokie właściwości katalitycznych [6,7].
Polimery zawierające sprzężone wiązania π, zdolne do przewodzenia ładunku elektrycznego,
posiadają szereg bardzo interesujących właściwości, które umożliwiają ich szerokie zastosowanie
w elektrochemii [8]. Polimery przewodzące wykorzystywane były niemalże we wszystkich działach
elektrochemii,
wśród
których
do
najważniejszych
zaliczyć
można:
sensory
i
biosensory
amperometryczne, elektrody modyfikowane do celów elektrokatalizy, baterie i superkondensatory,
polimerowe
ogniwa
fotowoltaiczne,
oraz
urządzenia
elektrochromowe
[9].
Do
najbardziej
rozpowszechnionej grupy polimerów przewodzących należą polimery zawierające grupy aromatyczne,
będące pochodnymi takich monomerów jak anilina, pirol i tiofen oraz ich mono- i wielopodstawione
pochodne. Jest to głównie związane z wysoką stabilnością tych materiałów w stanie przewodzącym,
wysokim przewodnictwem właściwym oraz względnie łatwą syntezą chemiczną lub elektrochemiczną.
Zastosowanie polimerów przewodzących w elektroanalizie jest dość szeroko opisane w literaturze
86
BioOrg 2015
[1-4,10].
Dotychczas
wykazano
silne
właściwości
elektrokatalityczne
wybranych
polimerów
przewodzących co umożliwia oznaczenie wielu substancji z większą czułością i selektywnością
w porównaniu do elektrody niemodyfikowanej [11].
Ligniny są drugimi pod względem rozpowszechnienia na Ziemi naturalnymi polimerami,
stanowiącymi obok celulozy, podstawowy składnik drewna (stanowią 20-30 % masy drewna).
Lignosulfoniany są pochodnymi lignin powstającymi jako produkt odpadowy podczas przemysłowej
produkcji papieru. Ekstrakcja lignin w skali przemysłowej generuje duże ilości lignosulfonianów co
sprawia, że biopolimer ten jest surowcem bardzo tanim. Ze względu na zawartość w strukturze licznych
grup sulfonowych, charakteryzuje się dobrą rozpuszczalnością w wodzie. Posiada również dobre
właściwości adsorpcyjne (obecność grup aromatycznych) oraz niedawno odkryte, ciekawe właściwości
elektrochemiczne, które mogą stanowić w przyszłości najistotniejszą cechę tych biopolimerów [12,13].
Zawierają one bowiem w strukturze liczne grupy metoksyfenolowe, których utlenienie elektrochemiczne
powoduje wytworzenie elektroaktywnych, odwracalnych grup chinon/hydrochinon. Grupy te wykazują
silne właściwości elektrokatalityczne w stosunku do wielu związków pochodzenie biologicznego.
W przeszłości lignosulfoniany były używane jako związki modyfikujące powierzchnię elektrody roboczej
[12]. Badania dotyczyły elektrod modyfikowanych monowarstwami lignin (film Langmuira-Blodgett),
a uzyskane wyniki dowodziły silnego efektu katalizującego utlenienie kwasu askorbinowego oraz
NADH, spowodowanego ligninowym modyfikatorem [14].
Celem
pracy
lignosulfonian/polimer
elektrokatalitycznymi
jest
synteza
przewodzący,
oraz
bioorganicznych
charakteryzujących
zwiększoną
pojemnością
kompozytów
się
przewodzących
ulepszonymi
gromadzenia
ładunku
typu
właściwościami
elektrycznego.
Zaproponowana koncepcja zakłada, że obecne w elektrolicie ujemnie naładowane lignosulfoniany będą
w trakcie elektropolimeryzacji wybranych monomerów (pirol, 3,4-etylenodioksytiofen (EDOT), anilina),
wkomponowywały się w powstającą dodatnio naładowaną matrycę polimerową na skutek
elektrostatycznego oddziaływania. Trwała immobilizacja lignosulfonianów w matrycy polimerowej
umożliwia zwiększenie pokrycia powierzchni grupami elektroaktywnymi (chinon/hydrochinon).
Umożliwia to zwiększenie aktywności elektrochemicznej, związanej z odwracalnymi reakcjami
faradajowskimi, pochodzącymi od grup chinon/hydrochinon zawartych w lignosulfonianach.
Wstępny etap optymalizacji warunków syntezy polegał na doborze odpowiednich stężeń
substratów (lignosulfonian, monomer), optymalnego elektrolitu podstawowego, a także doborze gęstości
prądu i czasu polimeryzacji. Miało to na celu otrzymanie kompozytów składających się z jak największej
ilości wkomponowanego lignosulfonianu, przy zachowaniu wysokiego przewodnictwa i odwracalności
procesów redoks.
W celu przygotowania elektrody wykorzystano standardowy układ trójelektrodowy, w którym
elektrodą roboczą była dyskowa elektroda złota, elektrodę referencyjną stanowiła elektroda
87
BioOrg 2015
chlorosrebrowa (Ag/AgCl), natomiast elektrodą pomocniczą był drut platynowy. Elektropolimeryzację
przeprowadzono przy użyciu gęstości prądu 0,25 mA/cm2 w czasie 300 s. Wytworzono trzy różne
kompozyty: polipirol/lignosulfonian (PPy/Lig), poli 3,4-etylenodioksytiofen/lignosulfonian (PEDOT/Lig)
oraz polianilina/lignosulfonian (PANI.Lig). Elektrolit podstawowy stanowił 0,1M HClO4, w którym
rozpuszczony był monomer (1 mg/cm3 EDOT lub 5 mg/cm3 pirol lub 4,65 mg/cm3 anilina) oraz
lignosulfonian (1 mg/cm3 w obecności EDOT lub 5 mg/cm3 w obecności pirolu lub 0.00465 mg/cm3
w obecności aniliny). Dla celów porównawczych otrzymano również polimery niedomieszkowane
lignosulfonianem (PPy, PEDOT, PANI). Po elektrosyntezie, elektrody modyfikowane przemywano wodą
destylowaną oraz umieszczano w 0,1M HClO4 w celu wykonania serii woltamperogramów cyklicznych
w zakresie od 0,1 V do 0,7 V vs. Ag/AgCl. Właściwości elektrokatalityczne elektrod badano
w środowisku buforu fosforanowego (pH=7.4) w obecności wybranych analitów. Analizie poddano
następujące związki: kwas askorbinowy, hydrazyny, NADH.
Na rysunku 1 A i B przedstawione są woltamperogramy przedstawiające wpływ modyfikacji
elektrod złotych na elektroutlenienie NADH. Modyfikacja elektrody złotej warstwami polimerowymi
(PEDOT i PPy) umożliwia poprawę kinetyki procesu utleniania, gdyż w obecności 2 mM NADH
zaobserwować można nieznaczny wzrost prądu anodowego już przy około 0,17 V (krzywe zielone).
Kształt otrzymanych krzywych sugeruje jednak, że elektrody modyfikowane warstwą polimerów
przewodzących (PEDOT i PPy) nie wykazują silnego efektu katalizującego reakcję utleniania NADH.
Przebieg otrzymanych krzywych jest typowy dla procesów o powolnej kinetyce wymiany elektronów
(bez kontroli dyfuzyjnej). Nie pojawia się na nich pik anodowy, co świadczy, że nie tworzy się warstwa
dyfuzyjna i najwolniejszym etapem jest wymiana elektronów na granicy faz elektroda-elektrolit.
W przeciwieństwie do materiałów polimerowych, kompozyty PEDOT/Lig i PPy/Lig, charakteryzują się
zdecydowaną poprawą kinetyki wymiany ładunku z NADH. Utlenienie NADH zachodzi przy
potencjałach niemalże pokrywających się z potencjałem formalnym mediatora. W przypadku obu
elektrod obecność mediatora redoks powoduje kilkukrotny wzrost gęstości prądu utlenienia, co świadczy
o silnym efekcie katalitycznym.
88
BioOrg 2015
Rysunek 1. (A) Woltamperogramy cykliczne zarejestrowane dla PEDOT/Lig w czystym buforze PBS (krzywa czarna) oraz
w buforze PBS w obecności 2 mM NADH (krzywa czerwona), dla PEDOT w czystym buforze PBS (krzywa niebieska)
oraz w buforze PBS w obecności 2 mM NADH (krzywa zielona). (B) Tak samo jak w (A) dla PPy/Lig i PPy.
Wprowadzenie
lignosulfonianów
w
strukturę
polimerów
przewodzących
pozwoliło
na zdecydowane zwiększenie pokrycia powierzchni aktywnymi grupami chinonowymi. Wytworzone
kompozyty wykazywały silny efekt katalityczny w procesie utlenienia wybranych analitów (kwas
askorbinowy, NADH) Zaproponowana procedura umożliwia wytworzenie wielofunkcyjnych materiałów
elektrodowych mogących znaleźć zastosowanie jako sensory substancji o istotnym znaczeniu
biologicznym.
projekt badawczy DS PB 31-293/2015.
Literatura:
[1] N. F. Atta, A. Galal, R. A. Ahmed (2011) Voltammetric behavior and determination of isoniazid Using PEDOT electrode
in presence of surface active agents. Internationa Journal of Electrochemical Science 6:5097-5113.
[2] B. Muralidharan, G. Gopu, C. Vedhi, P. Manisankar (2009) Determination of analgesics in pharmaceutical formulations
and urine samples using nano polypyrrole modified glassy carbon electrode, Journal of Applied Electrochemistry 39:11771184.
[3] P. Manisankar, C. Vedhi, G. Selvanathan, P. Arumugam (2008) Differential pulse stripping voltammetric determination of
heavy metals simultaneously using new polymer modified glassy carbon electrodes, Microchimica Acta 163:289-295.
[4] J. J. Colleran, C. B. Breslin (2012) Simultaneous electrochemical detection of the catecholamines and ascorbic acid at
PEDOT/S-ß-CD modified gold electrodes, Journal of Electroanalytical Chemistry 667:30-37.
[5] D. G. Pijanowska, A. Kossakowska, W. Torbicz (2011) Electroconductive polymers in (Bio)chemical sensors,
Biocybernetics and Biomedical Engineering 31:43-57.
[6] L. Zheng, J. Song (2009) Curcumin multi-wall carbon nanotubes modified glassy carbon electrode and its electrocatalytic
activity towards oxidation of hydrazine, Sensors and Actuators B: Chemical 135:650-655.
[7] S. M. Golabi, H. R. Zare (1999) Electrocatalytic oxidation of hydrazine at a chlorogenic acid (CGA) modified glassy
carbon electrode. Journal of Electroanalytical Chemistry 465:168-176.
[8] G. Inzelt, M. Pineri, J. W. Schultze, M. A. Vorotyntsev (2000) Electron and proton conducting polymers: recent
developments and prospects, Electrochimica Acta 45:2403-2421.
89
BioOrg 2015
[9] J. W Schultze, H. Karabulut (2005) Application potential of conducting polymers, Electrochimica Acta 50:1739-1745.
[10] J. Li, X. Lin (2007) Electrocatalytic reduction of nitrite at polypyrrole nanowire–platinum nanocluster modified glassy
carbon electrode, Microchemical Journal 87:41-46.
[11] J. Wang, J. Wang, Z. Wang, S. Wang (2006) State electrocatalytic oxidation of ascorbic acid at polypyrrole nanowire
modified electrode, Synthetic Metals 156:610-613.
[12] G.Milczarek, Lignosulfonate-modified electrode for electrocatalytic reduction of acidic nitrite, Electroanalysis 20 (2008)
211-214.
[13] G. Milczarek, T. Rębiś, J. Fabiańska (2013) One-step synthesis of lignosulfonate-stabilized silver nanoparticles, Colloids
and Surfaces B: Biointerfaces 105:335-341.
[14] G.Milczarek (2009) Lignosulfonate-modified electrodes: electrochemical properties and electrocatalysis of NADH
oxidation, Langmuir 25:10345-10353.
90
BioOrg 2015
MODYFIKACJA POWIERZCHNI ZIARNA ŚCIERNEGO I JEJ WPŁYW NA
ADHEZJĘ ZE SPOIWEM ŻYWICZNYM
Mariusz Sandomierski1*, Beata Strzemiecka1
1
Narzędzia ścierne wytwarza się z ziaren ściernych, spoiwa i wypełniaczy. Adhezja pomiędzy
ziarnem ściernym, a spoiwem jest ważnym parametrem w przypadku doboru ziarna i spoiwa. Mała
adhezja powoduje zmniejszenie wykorzystania właściwości skrawnych ziarna podczas jego eksploatacji.
Modyfikacja powierzchni przez wykorzystanie soli diazoniowych ma na celu stworzenie warstwy
organicznej na powierzchni ziarna która zwiększy adhezje ze spoiwem. We wcześniejszych badaniach
sole diazoniowe znalazły zastosowanie w modyfikacjach takich powierzchni jak węgiel [1], żelazo [2]
i tytan [3].
Ziarnem ściernym wykorzystywanym podczas badań był elektrokorund szlachetny. Jako spoiwo
zastosowano nowolak i rezol. Sole użyte do modyfikacji powierzchni ziarna to Variamine Blue B Salt,
a także chlorkowa sól diazoniowa alkoholu 2-aminobenzylowego. Badania były prowadzone w różnych
środowiskach reakcji, optymalny okazał się roztwór soli z dodatkiem kwasu askorbinowego
w podwyższonej temperaturze, w czasie 1 h. Ziarna po procesie modyfikacji były płukane wodą w celu
usunięcia nadmiaru soli diazoniowej. Skuteczność pokrycia powierzchni była oceniana na podstawie
wyników z analiz FTIR, IGC, a także XPS. W kolejnym etapie zostały przygotowane modelowe
narzędzia ścierne, które składały się z 30 g ziarna ściernego, 2,5 g rezolu i 5 g nowolaku. Wszystkie
komponenty były mieszane mechanicznie i umieszczane w formie o wymiarach 12,5cm/1cm/0,4cm
(długość/grubość/szerokość). Formy te następnie umieszczono w piecu i wygrzewano je w zakresach
temperatur, które są stosowane w przemyśle. Dla każdej modyfikacji zostały przygotowane próbki
z ziarna modyfikowanego, a także próbki kontrolne z ziarna niepoddanego modyfikacji. Skuteczność
modyfikacji była badana przy użyciu analizy DMTA, a także analizy mechanicznej. Analiza mechaniczna
polegała na ścieraniu krążka blaszanego (OH18N9) lub prętu (St3S) przy użyciu modelowych narzędzi
ściernych. Efektywność modyfikacji była obliczana na podstawie współczynnika straty masy próbki
ścieranej do straty masy modelowego narzędzia ściernego. Współczynnik rośnie wraz ze wzrostem
adhezji.
Adhezja w przypadku ziaren modyfikowanych przy użyciu soli Variamine Blue B Salt
zmniejszyła się, jest to prawdopodobnie spowodowane zbyt małym powinowactwem pomiędzy grupami
funkcyjnymi soli, a spoiwem. Zwiększenie adhezji nastąpiło w przypadku modyfikacji przy użyciu
91
BioOrg 2015
chlorkowej soli diazoniowej alkoholu 2-aminobenzylowego, co jest spowodowane powinowactwem
pomiędzy grupą wodorotlenową, a żywicą.
Literatura:
[1] A. Adenier, N. Barre, E. Cabet-Deliry, A. Chausse, S. Griveau, F. Mercier, J. Pinson, Ch. Vautrin-Ul (2006) Study of the
spontaneous formation of organic layers on carbon and metal surface from diazonium salts, Surface Science 600:4801-4812.
[2] T. Matrab, M. Save, B. Charleux, J. Pinson, E. Cabet-Deliry, A. Adenier, M. M. Chehimi, M. Delmar (2007) Grafitng
densely-packed poly(n-butyl methacrylante) chains from iron substrate by aryl diazonium surface-initiated ATRP: XPS
monitoring, Surface Science 601:2357-2366.
[3] A. Mesnage, M. A. Magied, P. Simon, N. Herlin-Boime, P. Jegou, G. Deniau, S. Palacin (2011) Grafting polymers to
titania nanoparticles by radical polymerization initiated by diazonium salt, Journal of Material Science 46:6332-6338.
92
BioOrg 2015
FUNKCJONALNE MATERIAŁY HYBRYDOWE SiO2-LIGNOSULFONIAN –
OTRZYMYWANIE ORAZ CHARAKTERYSTYKA
Tadeusz Szalaty, Łukasz Klapiszewski, Małgorzata Norman, Jakub Zdarta,
Katarzyna Siwińska-Stefańska, Teofil Jesionowski*
Zakład Technologii Chemicznej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska
W dzisiejszych czasach rośnie zapotrzebowanie na celulozę i produkty ją wykorzystujące,
co skutkuje powstaniem znacznej ilości produktów odpadowych, którymi są między innymi lignina
(90 tyś. ton/rok) oraz lignosulfoniany (1 mln ton/rok) [1]. Największe znaczenie gospodarcze ze względu
na otrzymywanie mas celulozowych mają procesy: siarczynowy (lignsulfoniany) [2] oraz krafta, którego
produktem ubocznym jest lignina [3]. Obecnie w blisko 90% produkty te są wykorzystywane do celów
energetycznych, dzięki czemu możliwy jest odzysk ciepła niezbędnego do efektywnego roztwarzania
zrębków drzewnych w kotle warzelnym [1-3]. Biopolimery te posiadają duży potencjał aplikacyjny także
ze względu na swoją zróżnicowaną strukturę i właściwości.
Do głównych kierunków zastosowania lignosulfonianów zaliczyć można: otrzymywanie
produktów małocząsteczkowych tj. wanilina [4], fenol [5], produkcję klejów [5], środków
dyspergujących [6] oraz przygotowanie mieszanek betonowych [7]. Obiecującą drogą jest również
otrzymywanie materiałów hybrydowych krzemionka-lignosulfonian [8], żelatyna rybia-lignosulfonian [9]
czy polianilina-lignosulfonian [10]. Istotne znaczenie w syntezie takich układów hybrydowych mają
właściwości biopolimeru, czyli bardzo dobra rozpuszczalność w wodzie, biozgodność, niska
cytotoksyczność oraz aktywność przeciwutleniająca [8,9].
W celu otrzymania materiałów hybrydowych SiO2-lignosulfonian, w pierwszym etapie
wytworzono nieorganiczny nośnik dwiema zaproponowanymi metodami, tj. metodą zol-żel (krzemionka
Stöbera) zgodnie z [11] oraz metodą w medium niepolarnym (krzemionka emulsyjna) według [12].
Tak przygotowane krzemionki posłużyły w dalszej kolejności do otrzymywania układów krzemionkalignosulfonian magnezu. Syntezę rozpoczęto od dyspergowania odpowiedniej ilości krzemionki
w 100 cm3 wody destylowanej przez 15 min, po czym wprowadzono lignosulfonian magnezu
(VIANPLAST 55, Biotech Lignosulfonate Hansels GmbH) w następujących udziałach wagowych:
3, 5, 10, 20, 30, 40 i 50 cz. wag. pochodnej ligniny na 100 cz. wag. SiO2. Całość poddano intensywnemu
mieszaniu przez godzinę. Na wyparce próżniowej odpędzono rozpuszczalnik, a osad suszono przez 24 h
w temperaturze 105 °C. Finalne produkty poddano charakterystyce fizykochemicznej, dyspersyjnomorfologicznej i elektrokinetycznej, z wykorzystaniem następujących metod badawczych: spektroskopia
93
BioOrg 2015
FTIR (spektrofotometr VERTEX 70, Bruker), zdjęcia SEM (mikroskop elektronowy EVO40, Zeiss), oraz
pomiar potencjału dzeta (aparat Zetasizer Nano ZS, Malvern Instruments Ltd.).
Na podstawie analizy FTIR stwierdzono, że zaproponowana metoda otrzymywania układów
hybrydowych jest efektywna, ponieważ na wykonanych widmach obecne są charakterystyczne pasma
obu prekursorów (Rys. 1 a i b). Dla wszystkich układów hybrydowych zaobserwować można pasmo
drgań rozciągających grup -OH przy około 3500 cm-1, pasmo grupy karbonylowej przy wartości
1700 cm-1 oraz drgania odpowiadające szkieletowi aromatycznemu. Ponadto zarejestrowano silne pasmo
drgań rozciągających symetrycznych mostka Si-O-Si (1105 cm-1) oraz pasmo drgań asymetrycznych
tychże grup przy wartości liczby falowej równej 860 cm-1.
a)
b)
c)
d)
Rysunek 1. Widma FTIR: a) materiały otrzymane na matrycy z krzemionki emulsyjnej oraz b) układy na bazie krzemionki
Stöbera; zdjęcia SEM układów zawierających 20 cz. wag. lignosulfonianu magnezu na 100 cz. wag. krzemionki: c) strącanej
w medium niepolarnym i d) zsyntezowanej metodą zol-żel.
Ponadto w celu oceny morfologii struktury powierzchni przygotowanych hybryd wykonano
zdjęcia SEM, które zamieszczono na Rys. 1 c i d. Na ich podstawie można zauważyć, że otrzymane
układy mają tendencję do tworzenia agregatów i aglomeratów, niezależnie od zastosowanego
nieorganicznego prekursora.
94
BioOrg 2015
Uzyskano wartości potencjału dzeta dla materiałów, gdzie nośnikiem była krzemionka Stöbera
mieszczące się w zakresie -11 mV do -60 mV. Na tej podstawie można wnioskować, że są one stabilne
elektrokinetycznie w badanym przedziale pH. Podobne rezultaty uzyskano dla materiału na bazie SiO2
emulsyjnej, która również wykazywała stabilność elektrokinetyczną w środowisku o pH > 3.
Zaproponowana metoda otrzymywania materiałów hybrydowych krzemionka-lignosulfonian,
oparta na bazie krzemionek zol-żel oraz emulsyjnej, pozwala na uzyskanie produktu o zdefiniowanych
właściwościach fizykochemicznych, dyspersyjno-morfologicznych oraz elektrokinetycznych. Podczas
analizy otrzymanych układów odnotowano istotny wpływ stosunku użytych reagentów na właściwości
produktu finalnego. Z analizy widm FTIR wynika, że proces otrzymywania materiałów hybrydowych
przebiegł efektywnie, a na widmach zauważalne są pasma charakterystycznych grup funkcyjnych
prekursorów. Uzyskane wyniki potencjału dzeta wykazały, że otrzymane materiały hybrydowe są
stabilne elektrokinetycznie niemal w całym analizowanym zakresie pH, niezależnie od ilości użytego
organicznego prekursora. Przedstawione zdjęcia SEM dowodzą, że otrzymane materiały hybrydowe
krzemionka-lignosulfonian magnezu mają tendencję do aglomeracji.
Praca została sfinansowana i przygotowana w ramach projektu badawczego Politechniki Poznańskiej w
nr 03/32/DSMK/0510.
Literatura:
[1] A. Duval, M. Lawoko (2014) A review on lignin-based polymeric, micro- and nano-structured materials, Reactive &
Functional Polymers 85:78-96.
[2] J. Y. Zhu, M. Subhosh Chandra, F. Gu, R. Gleisner, R. Reiner, J. Sessions, G. Marrs, J. Gao, D. Anderson(2015) Using
sulfite chemistry for robust bioconversion of Douglas-fir forest residue to bioethanol at high titer and lignosulfonate: A pilotscale evaluation, Bioresource Technology 179:390-397.
[3] http://www.tappi.org/content/events/08kros/manuscripts/1-1.pdf (08.11.2015)
[4] E. A. Borges da Silva, M. Zabkova, J. D. Araújo, C. A. Cateto, M. F. Barreiro, M. N. Belgacem, A. E. Rodrigues (2009)
An integrated process to produce vanillin and lignin-based polyurethanes from Kraft lignin, Chemical Engineering Research
and Design 87:1276-1292.
[5] Nour-E. El Mansouri, J. Salvadó (2006) Structural characterization of technical lignins for the production of adhesives:
Application to lignosulfonate, kraft, soda-anthraquinone, organosolv and ethanol process lignins, Industrial Crops and
Products 24:8-16.
[6] W. O. S. Doherty, P. Mousavioun, Ch. M. Fellows (2011) Value-adding to cellulosic ethanol: Lignin polymers, Industrial
Crops and Products 33:259-276.
[7] S. Stryczek, R. Wiśniowski, A. Gonet, Ł. Połowniak (2010) Wpływ wybranych superplastyfikatorów na właściwości
reologiczne zaczynów uszczelniających sporządzanych na osnowie cementu hutniczego, Wiertnictwo Nafta Gaz 27:1-2.
[8] Ł. Klapiszewski, M. Nowacka, K. Siwińska-Stefańska, T. Jesionowski (2013) Lignosulfonate and silica as precursors of
advanced composites, Polish Journal of Chemical Technology 15:105-109.
95
BioOrg 2015
[9] R. Núñez-Flores, B. Giménez, F. Fernández-Martín, M. E. López-Caballero, M. P. Montero, M. C. Gómez-Guillén (2012)
Role of lignosulphonate in properties of fish gelatin films, Food Hydrocolloids 27:60-71.
[10] L. Shao, J. H. Qiu, H. X. Feng, M. Z. Liu, G. H. Zhang, J. B. An, C. M. Gao, H. I. Liu (2009) Structural investigation of
lignosulfonate doped polyaniline, The Journal of Electronic Polymers and Electronic Molecular Metals 159:1761-1766.
[11] Ł. Klapiszewski, M. Królak, T. Jesionowski (2014) Silica synthesis by the sol-gel metod and its use in the preparation of
mulitifunctional biocomposites, Central European Journal of Chemistry 12:173-184.
[12] T. Jesionowski (2002) Characterization of silicas precipitated from solution of sodium metasilicate and hydrochloric acid
in emulsion medium, Powder Technology 127:56-65.
96
BioOrg 2015
BADANIA TERMOGRAWIMETRYCZNE HYBRYDOWYCH MATERIAŁÓW
ŻELATYNOWO-SILOKSANOWYCH
Bogna Sztorch1,2*, Robert Przekop2
1
Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, , ul. Umultowska 89B 61-614 Poznań
2
Centrum Zaawansowanych Technologii UAM, ul. Umultowska 89C 61-614 Poznań
Układy żelatyna/siloksany stanowią interesującą ze względu na swoje właściwości funkcjonalne
klasę materiałów hybrydowych [1-4]. Ze względu na prostotę syntezy oraz łatwo dostępne substraty
metoda opisana w pracy [5] stanowi ciekawą alternatywę dla wielu kosztownych materiałów opartych
o biopolimery. Jednym z istotnych parametrów materiałów i biomateriałów jest ich odporność termiczna.
Z tego względu poświęca się wiele uwagi charakteryzacji termicznej układów oraz opisowi procesu
termicznej degradacji i dekompozcji. Za połączenie żelatyny i silokasnów w przypadku metody opisanej
w pracy [5] jest odpowiedzialny proces transestryfikacji (Rys.1), prowadzący do powstania trwałych
wiązań kowalencyjnych pomiędzy strukturą biopolimeru i strukturą żelu polisiloksanowego. Proces
termicznej degradacji i dekompozycji prowadzi do nieodwracalnego zniszczenia tej struktury.
W
omawianych
badaniach
poddano
charakteryzacji
materiały
hybrydowe
żelatyna/siloksany
modyfikowane glikolem propylenowym (seria A) i włóknami naturalnymi (seria B).
O
H3C
OH +
CH3
O O CH3
Si
O
CH3
OH
O
H3C
CH3
O O CH3
Si
O
CH3
O
O
OH
R
O
NH
(A)
+ H2N
CH3
O O CH3
Si
+
O
CH3
R
(B)
O
H3C
OH
Rysunek 1. Mechanizm tworzenia wiązania między czynnikiem sprzęgającym (IN50) i żelatyną,
poprzez reakcję transestryfikacji kwasem octowym.
Synteza była prowadzona na podstawie pracy [5]. Do żelowania używano układu bazowego
opartego na tetraetoksysilanie modyfikowanym 3-glicydoksypropylotrimetoksysilanem (IN50), do układu
dodawana była żelatyna w ilości 25 % w/w (1GEN) i 35 % w/w (2GEN) i 45 % w/w (3GEN)
97
BioOrg 2015
w przeliczeniu na łączną zawartość SiO2 w końcowej próbie. Stosunek SiO2
TEOS
: SiO2
Silan
wynosił dla
każdej próby 5:3. Dodatkowo w serii A zastosowano dodatek 2 % wagowych glikolu polipropylenowego,
a w serii B dodatek 2 % włókien lnianych o rozdrobnieniu 0-0.25 mm. Roztwory były wylewane na
poliestrowe szalki Petriego i suszone w stałej temperaturze 303 K przez 7 dni. Otrzymane suche żele były
poddawane badaniom termograwimetrycznym na aparacie TG Libra 209 firmy Netzsch.
Rysunek 2. Układ A1G1.
Rysunek 3. Układ B1G1.
Zarówno układy modyfikowane glikolem (seria A) jak i włóknami naturalnymi mają obszary
charakterystyczne dla hybryd żelatyna/siloksany. W każdym termogramie możemy wyróżnić dwa
charakterystyczne obszary odpowiedzialne za rozkład struktur białkowych i ostateczną dekompozycję
98
BioOrg 2015
układu. W obu przypadkach obserwujemy przesunięcie pierwszego maksimum krzywej DTG do niższych
wartości wraz ze wzrostem zawartości żelatyny. Dla układów zawierających jako modyfikator włókna
naturalne interesującym zjawiskiem jest zmniejszenie ubytku masy w obszarze pierwszej dekompozycji
i wzrost udziału procentowego w procesie drugiego z efektów.
Literatura:
[1] S. Smith, P. Shajesh, P. Mukundan, T. D. R. Nair, K. G. K. Warrier (2007) Synthesis of biocompatible hydrophobic silica–
gelatin nano-hybrid by sol–gel process, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 55: 38-43
[2] H. J. Watzke, C. Dieschbourg (1994) Novel silica-biopolymer nanocomposites: the silica sol-gel process in biopolymer
organogels, Advanced in Colloids and Interface Science 50:1-14.
[3] M. Schuleit, P. L. Luisi (2001) Enzyme immobilization in silica-hardened organogels, Biotechnology and Bioengineering
72:249-253.
[4] D. M. Liu, I.W. Chen (1999) Control of strain relaxation in tensile and compressive oxide thin films, Acta Materialica
47:4535-4544.
[5] P. Pietras, R. Przekop, H. Maciejewski (2013) New approach to preparation of gelatine/SiO2 hybrid systems by the sol-gel
process, Ceramics – Silikáty 57:58-65.
99
BioOrg 2015
MIKROKAPSUŁKI POLIMEROWE –
SYNTEZA I ZASTOSOWANIE W PROCESIE USUWANIA
METALI ODPADOWYCH Z ROZTWORÓW WODNYCH
Agnieszka Szwak*, Oliwia Twarda
Wodne roztwory odpadowe zawierające szkodliwe jony metali są obecnie poważnym problemem
wielu zakładów produkcyjnych. Dążenie do możliwości jak najwyższej minimalizacji tego rodzaju
odpadów, stawia coraz wyższe wymagania w zakresie opracowania skutecznych metod ich odzysku.
Ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz jest obecnie najczęściej stosowaną metodą rozdzielania i odzyskiwania
metali w wielu dziedzinach przemysłu. Jednak ze względu na wymaganie użycia dużych ilości
rozpuszczalników węglowodorowych poszukiwane są coraz to nowsze techniki, które na równi
z ekstrakcją ciecz-ciecz będą się charakteryzowały wysoką selektywnością. Jedną z metod pozwalających
na eliminacje rozpuszczalnika węglowodorowego jest enkapsulacja ekstrahenta w polimerycznej otoczce.
Mikroenkapsulacja jest procesem zamykania cząstek stałych bądź kropel cieczy o wymiarach
rzędu mikrometrów w powłoki polimerowe. Mikroenkapsułkowanie wykonuje się w celu: (i) otrzymania
materiałów o nowych cennych właściwościach, (ii) ochrony substancji wrażliwych przed środowiskiem
zewnętrznym, (iii) zamaskowania smaku, koloru oraz zapachu substancji, (iv) zabezpieczenia
toksycznych substancji, (v) uzyskania kontrolowanego uwalniania leków [1].
Wykorzystanie mikrokapsułek, w odróżnieniu od standardowej ekstrakcji ciecz-ciecz, ogranicza
stosowanie dużych ilości rozpuszczalników organicznych i pozwala na łatwe rozdzielenie odzyskanych
metali. Zaletą użycia mikrokapsułek jest duża powierzchnia kontaktu międzyfazowego, wysoka
selektywność, łatwe oddzielenie ich od roztworu oraz możliwość regeneracji złoża [2,3]. Ponadto
odzyskane metale, takie jak rtęć, można bezpiecznie przechowywać w mikrokapsułkach [3].
Mikrokapsułka polimerowa jest zbudowana z rdzenia oraz materiału tworzącego powłokę
(Rys. 1.).
Rysunek 1. Podstawowa budowa struktury mikrokapsułkowej.
100
BioOrg 2015
Rdzeniem jest aktywna substancja, chroniona przez warstwę polimerową. Cząsteczki danej
substancji są izolowane i zabezpieczane przed działaniem środowiska zewnętrznego we wnętrzu
polimerowej mikrokapsułki. Ścianki zewnętrzne mikrokapsułek zbudowane z makrocząsteczek
zapewniają charakter inertny powłoki oraz ochronę i izolację substancji aktywnej, a specyficzna budowa
ścian polimerowych umożliwia kontakt substancji z roztworem otaczającym mikrokapsułkę.
W zależności od rodzaju substancji aktywnej oraz pożądanych właściwości finalnego produktu,
zastosować można różnorodne polimery oraz kopolimery, które będą tworzyć powłokę chroniącą rdzeń
mikrokapsułki. Jednym z materiałów mogących formować powłokę mikrokapsułki jest diwinylobenzen
(DVB) [4]. Jako czynnik sieciujący wykorzystuje się go w układzie poli(styren-diwinylobenzen) [5,6].
Tego rodzaju kopolimer winylowy posiada dużą odporność termiczną i chemiczną oraz możliwość
regulacji struktury porów, decydującą o właściwościach sorpcyjnych materiału i szybkości transportu
jonów przez ziarno polimeru. W literaturze tematu istnieje kilka doniesień literaturowych dotyczących
innych materiałów polimerowych pełniących funkcję inertnej powłoki mikrokapsułki, na przykład:
poliuretany [7], biodegradowalny kopolimer poli(kwasu mlekowego) z poli(kwasem glikolowym)
(PLGA) [8] czy poli(metakrylan metylu) (PMMA) [9,10].
Jedną z metod wykorzystywaną do otrzymania mikrokapsułek polimerowych jest proces
polimeryzacji in-situ. Stosuje się ją w przypadku monomerów lub komonomerów winylowych,
np. styren, metakrylan metylu lub diwinylobenzen. Monomer wraz z inicjatorem rozpuszcza się w fazie
rozpuszczalnikowej niemieszającej się z wodą. Tak przygotowany roztwór, wraz z fazą wodną łączy się
z dodatkiem emulgatora, prowadząc do powstania emulsji. Proces polimeryzacji, inicjowany w fazie
wodnej, rozpoczyna się działaniem wyższej temperatury, powodując wydzielenie się polimeru, który
tworzy powłokę na granicy dwóch niemieszających się faz (Rys. 2.). Enkapsulowana może być faza
wodna lub faza rozpuszczalnikowa. Metody tej nie można zastosować do enkapsulacji ciał stałych [11].
Rysunek 2. Schemat otrzymywania mikrokapsułek metodą polimeryzacji in situ
101
BioOrg 2015
Podczas prezentacji zostaną omówione wyniki przeprowadzonych syntez mikrokapsułek
polimerycznych poli(styren-diwinylobenzen) zawierających modelowe ekstrahenty z grupy pochodnych
ketonów alkilowo-pirydynowych.
Literatura:
[1] N. V. Jyothi, P. M. Prasanna, S. N. Sakarkar , K. S. Prabha, P. S. Ramaiah, G. Y. Srawan, (2010) Microencapsulation
techniques, factors influencing encapsulation efficiency, Journal of Microencapsulation 27(3):187-197.
[2] W. W. Yang, G. S. Luo, X. C. Gong (2005) Polystyrene microcapsules containing Aliquat 336 as a novel packing material
for separation of metal ions, Hydrometallurgy 80 (3):179-185.
[3] A. Alcazar, I. Garrido, E. M. Garcia, A. de Lucas, M. Carmona, J. F. Rodriguez (2015) New type of highly selective
microcapsules for the removal of mercury from surface polluted waters, Separation and Purification Technology 154(5):255262.
[4] S. Kiyoyama, S. Yonemura, M. Yoshida, K. Shiomori, H. Yoshizawa, Y. Kawano, Y. Hatate (2007) Extraction rate of
palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-n-octylamine as the extractant, Reactive and Functional
Polymers 67(6):522-528.
[5] A. Alcazar, A. de Lucas, M. Carmona, J. F. Rodriguez (2011) Synthesis of sulphonated microcapsules of P(St-DVB)
containing di(2-ethylhexyl)phosphoric acid, Reactive & Functional Polymers 71(8):891-898.
[6] S. Nishihama, N. Sakaguchi, T. Hiraj, I. Komasawa (2002), Extraction and separation of rare earth metals using
microcapsules containing bis(2-ethylhexyl)phosphinic acid, Hydrometallurgy 64(1):35-42.
[7] D. Saihi, I. Vromana, S. Giraud, S. Bourbigot (2006) Microencapsulation of ammonium phosphate with a polyurethane
shell. Part II. Interfacial polymerization technique, Reactive and Functional Polymers 66(10):1118-1125.
[8] A. Matsumoto, T. Kitazawa, J. Murata, Y. Horikiri, H. Yamahara (2008) A novel preparation method for PLGA
microspheres using non-halogenated solvents, Journal of Controlled Release 129(3):223-227.
[9] R. Al-Shannaq, M. Farid, S. Al-Muhtaseb, J. Kurdi (2015) Emulsion stability and cross-linking of PMMA microcapsules
containing phase change materials, Solar Energy Materials and Solar Cells 132:311-318.
[10] P. Teeka, A. Chaiyasat, P. Chaiyasat (2014) Preparation of poly(methyl methacrylate) microcapsules with encapsulated
Jasmine oil, Energy Procedia 56:181-186.
[11] M. Kostrzewska, J. Molenda, T. Prot (2000) Termoekspandujące materiały polimerowe, Polimery 3:178-183.
102
BioOrg 2015
POTENCJALNE LEKI ANTYRESORPCYJNE:
BADANIA IN SILICO I SORPCJA NA HYDROKSYAPATYCIE
Rafał Tomczak1*, Monika Pietrzyńska1, Danuta Rusińska-Roszak1, Joanna Zembrzuska2,
Adam Voelkel1
1
2
Bisfosfoniany stanowią istotną grupę związków chemicznych, które znalazły szerokie
zastosowanie w leczeniu chorób układu kostnego, będących skutkiem zaburzeń metabolizmu wapnia.
Choć dokładny mechanizm molekularny funkcjonowania tych substancji nie został w pełni wyjaśniony,
przypuszcza się, że ich korzystne efekty terapeutyczne wynikają z bezpośredniego oddziaływania na
osteoklasty i osteoblasty, co w rezultacie prowadzi do zahamowania resorpcji tkanki kostnej oraz
pobudzenia procesu kościotworzenia [1]. Cechą charakterystyczną bisfosfonianów stosowanych obecnie
jako leki antyresorpcyjne jest to, że wykazują silne powinowactwo do fazy nieorganicznej kości, której
podstawową składową jest hydroksyapatyt. Pomimo wielu przeprowadzonych badań, mechanizm sorpcji
tych związków na powierzchni kości wciąż budzi wiele wątpliwości. Najczęściej reprezentowany pogląd
wyraża przekonanie, że zjawisko to jest efektem wiązania, jakie tworzy się pomiędzy grupami
fosfonianowymi tych substancji, a jonami wapnia obecnymi w strukturze hydroksyapatytu [2].
Wprawdzie zdolność tych leków do chemicznego wiązania się z tkanką kostną nie znajduje pełnego
odzwierciedlenia w ich efekcie terapeutycznym wynikającym z oddziaływań na poziomie komórkowym,
to analiza sorpcji na hydroksyapatycie posiada istotne znaczenie na etapie badań wstępnych [3].
Głównym problemem ograniczającym skuteczność działania bisfosfonianów jest ich niska
biodostępność (1-7 %) i niedostateczna wchłanialność z przewodu pokarmowego, co związane jest ściśle
z ich lipofobowym charakterem i zdolnością do kompleksowania różnego rodzaju jonów, w tym np. Mg2+
[4]. Fakt ten skłania do poszukiwania nowych leków antyresorpcyjnych, które pozbawione będą
niekorzystnych właściwości, a przy tym wykazywać będą podobny wpływ na układ kostny.
Celem
badań
była
analiza
sorpcji
na
hydroksyapatycie
wybranych
związków
fosforoorganicznych, w tym estrów kwasu ortofosforowego(V). W zależności od struktury danego
związku wykorzystano technikę UV (dla substancji z pierścieniem aromatycznym) lub LC-MS/MS.
Próbki do badań sporządzono przy użyciu płynu Tris∙HCl∙NaCl w pH 7,2-7,3. Podjęto również próbę
porównania otrzymanych wyników doświadczalnych z badaniami in silico przeprowadzonymi przy
użyciu programu Gaussian® 09 dla soli typu anion związku-Ca2+ zoptymalizowanych w bazie funkcyjnej
6-31+G(d,p) na poziomie DFT/B3LYP.
103
BioOrg 2015
Potencjalne działania farmakologiczne i toksyczne przebadanych związków oszacowano
wykorzystując program PASS (ang. Prediction of Activity Spectra for Substances), który opracowany
został w Instytucie Chemii Biomedycznej Rosyjskiej Akademii Nauk w Moskwie do oceny spektrum
bioaktywności związków chemicznych, w tym potencjalnych leków na etapie ich projektowania [5].
Badania finansowane przez Narodowe Centrum Nauki, numer projektu: 03/32/PNCN/2829
Literatura:
[1] E. V. Giger, B. Castagner, J.-C. Leroux (2013) Biomedical applications of bisphosphonates, Jornal of Controled Release
167(2):175-188.
[2] E. Sewerynek, M. Stuss (2007) Bisfosfoniany – leki antyresorpcyjne o działaniu przeciwbólowym? Przegląd Menopauzalny
6(5):276-282.
[3] R. Bartl, B. Frisch, E. von Tresckov, C. Bartl (2007) Bisphosphonates in Medical Practice, Springer-Verlag, Berlin,
Niemcy
[4] S. Reinsdorf, B. Habermann, K. Hochmuth, A. A. Kurth (2007) Bisphosphonate in der Osteoporosetherapie. Standards
und perspektiven, Orthopäde 36(2):110–117.
[5] D. A. Filimonov, V. V. Poroikov, E. I. Karaicheva, R. K. Kazarian, A. P. Budunova, E. M. Mikhailovskii, A. V.
Rudnitskikh, L. V. Goncharenko, I. V. Burov (1995) The computerized prediction of the spectrum of biological activity of
chemical compounds by their structural formula: the PASS system. Prediction of activity spectra for substance,
Eksperimental'naia i klinicheskaia farmakologiia 58(2):56-62.
104
BioOrg 2015
HYDROŻELE KOLAGENOWO-ELASTYNOWE DLA INŻYNIERII
TKANKOWEJ SIECIOWANE SKROBIĄ DIALDEHYDOWĄ ORAZ PEKTYNĄ
Katarzyna Węgrzynowska-Drzymalska1*, Joanna Skopińska-Wiśniewska2, Anna Bajek3,
Małgorzata Maj3, Halina Kaczmarek1, Alina Sionkowska2
1
Katedra Chemii i Fotochemii Polimerów, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7
Katedra Chemii Biomateriałów i Kosmetyków, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7
3
Katedra Medycyny Regeneracyjnej, Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy, ul. Jagiellońska 13-15;
Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7
2
Zadaniem inżynierii tkankowej jest stworzenie optymalnego materiału o odpowiednich
właściwościach, który mógłby służyć jako zamiennik uszkodzonej tkanki, bądź narządu i wspomóc jej
regenerację. Skafoldy opierają się przede wszystkim na naturalnych polimerach, w szczególności na
kolagenie i elastynie, które występują w strukturze macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM) [1]. Włókna
kolagenowe oraz ich sieci tworzą ECM dla większości tkanek miękkich i twardych tj. kości, chrząstek,
ścięgien oraz skóry w organizmie człowieka [2]. Kolagen występuje w odmiennych strukturach
morfologicznych w różnych tkankach [3,4]. Wszystkie typy kolagenów wykazują charakterystyczną
strukturę potrójnej helisy. Wyróżnić wśród nich możemy kolageny fibrylarne i niefibrylarne [5,6].
Sekwencja aminokwasowa kolagenu układa się w charakterystyczny tryplet -Gly-X-Y-. Obecność
glicyny w każdej trzeciej pozycji aminokwasowej jest niezbędna w celu umożliwienia szczelnego
upakowanie trzech α łańcuchów w cząsteczce tropokolagenu, natomiast pozycje X i Y są w większości
zajęte przez prolinę i 4-hydroksyprolinę [5]. Elastyna jest wysoce usieciowanym, nierozpuszczalnym
biopolimerem, składającym się z kowalencyjnie związanych cząsteczek tropoelastyny. Posiada
niezwykły skład aminokwasowy, bo aż 75 % jej zawartości stanowią aminokwasy hydrofobowe: glicyna,
walina
i alanina [7,8]. W procesie tworzenia wiązania sieciującego w elastynie uczestniczą dwa łańcuchy
tropoelastyny, między którymi z reszt lizyny pod wpływem działania oksydazy lizylowej powstaną
wiązania desmozyny, bądź izodesmozyny [9]. Materiały białkowe sieciuje się, w celu poprawienia ich
właściwości fizycznych, chemicznych, mechanicznych oraz odporności na degradację [10]. Skrobia
dialdehydowa stanowi polimeryczny dialdehyd wytwarzany na skutek selektywnego utleniania skrobi
nadjodanem, który rozszczepia wiązanie C2-C3 łańcucha polisacharydowego skrobi z wytworzeniem
dwóch grup aldehydowych [11]. Pektyna jest polisacharydem składającym się głównie z reszt kwasu
D-galakturonowego, zestryfikowanych grupami metylowymi [12].
Celem pracy było określenie efektywności sieciowania materiałów kolagenowych oraz
kolagenowo-elastynowych przy użyciu skrobi dialdehydowej oraz pektyny, porównanie otrzymanych
105
BioOrg 2015
wyników sieciowania materiału białkowego skrobią dialdehydową z wynikami uzyskanymi dla
materiałów sieciowanych pektyną oraz uzyskanie materiałów dla zastosowań w inżynierii tkankowej.
Kolagen został otrzymany ze ścięgien szczurzych ogonów. Hydrolizaty elastyny zostały
otrzymane poprzez izolację ze świńskich aort. Otrzymany liofilizat kolagenu rozpuszczono
w 0,1M kwasie octowym i otrzymano 1% roztwór kolagenu, natomiast sproszkowany liofilizat
hydrolizatów elastyny rozpuszczono w wodzie destylowanej i otrzymano 1% roztwór elastyny.
Mieszaniny kolagenowo-elastynowe składały się objętościowo z 95% kolagenu i 5% elastyny oraz
90 % kolagenu i 10 % elastyny. Tak otrzymane mieszaniny sieciowano przy użyciu skrobi dialdehydowej
oraz pektyny przez dodatek odpowiedniej ilości danego czynnika sieciującego (5% oraz 10% dodatek
objętościowy). Dializa otrzymanych układów była przeprowadzona względem wody dejonizowanej
i trwała 7 dni. Otrzymane żele zostały poddane odpowiednim analizom.
Zliofilizowane hydrożele wykazują porowatą strukturę, co
potwierdzają obrazy ze
skaningowego mikroskopu elektronowego. Wielkość porów jest niejednorodna. Analiza obrazów SEM
dowodzi, że ich rozmiar jest zróżnicowany i zależy zarówno od dodatku hydrolizatów elastyny, jak i
ilości i rodzaju czynnika sieciującego. Wyższa zawartość hydrolizatów elastyny powoduje spadek
wartości modułu sprężystości otrzymanych żeli. Sieciowania skrobią dialdehydową prowadzi do
zwiększenia sztywności żeli, podczas gdy próbki zawierające pektynę są mniej odporne na ściskanie.
Badanie odpowiedzi komórkowej dla otrzymanych hydrożeli dowodzi, iż materiał ten jest atrakcyjny dla
fibroblastów mysich 3T3. W przypadku serii próbek z 5% i 10% dodatkiem hydrolizatów elastyny,
sieciowanie tego materiału skrobią dialdehydową korzystnie wpływa na wzrost przeżywalności komórek
3T3.
Dodatek skrobi dialdehydowej i pektyny powoduje tworzenie się wiązań sieciujących
w otrzymanym materiale. Jednakże żele zawierające skrobię dialdehydową są znacznie bardziej sztywne
niż materiały sieciowane pektyną. Wyniki te ukazują, że skrobia dialdehydowa jest lepszym środkiem
sieciującym niż pektyna. Skrobia dialdehydowa może znaleźć zastosowanie, jako środek sieciujący dla
materiałów białkowych stosowanych w medycynie i inżynierii tkankowej.
Autorzy pragną podziękować Narodowemu Centrum Nauki (NCN, Polska, Grant nr: UMO2011/03/D/ST8/04600) za zapewnienie wsparcia finansowego na realizację tego projektu.
Literatura:
[1] M. Martowicz, J. Laska (2010) Biomateriały polimerowe w regeneracji ubytków skóry, Inżynieria Biomateriałów
13(95):2-6.
[2] A. Kuzan, A. Chwiłkowska (2011) Różnorodność i funkcje kolagenu w tętnicach, Polski Merkuriusz Lekarski
31(182):111-112.
106
BioOrg 2015
[3] S. A. Sell, P. S. Wolfe, K. Garg, J. M. McCool, I. A. Rodriguez, G. L. Bowlin (2010) The use of natural polymers in tissue
engineering: A focus on electrospun extracellular matrix analogues, Polymers 2:524-527.
[4] R. Parenteau-Bareil, R. Gauvin, F. Berthod (2010) Collagen – Based Biomaterials for Tissue Engineering Applications,
Materials 3:1864-1869.
[5] K. A. Czubak, H. M. Żbikowska (2014) Structure, function and biomedical significance of collagens, Annales Academiae
Medicae Silesiensis 68(4):246-253.
[6] W. Friess (1998) Collagen – biomaterial for drug delivery, European Journal of Pharmaceutices and Biopharmaceutics
45(2):114-116.
[7] W. F. Daamen, J. H. Veerkamp, J. C. M. van Hest, T. H. van Kuppevelt (2007) Elastin as a biomaterial for tissue
engineering, Biomaterials 28(30):4379-4386.
[8] S. M. Mithieux, J. E. J. Rasko, A. S. Weiss (2004) Synthetic elastin hydrogels derived from massive elastic assemblies of
self-organized human protein monomers, Biomaterials 25(20):4921-4922.
[9] N. Annabi, S. M. Mithieux, G. Camci-Unal, M. R. Dokmeci, A. S. Weiss, A. Khademhosseini (2013) Elastomeric
recombinant protein-based biomaterials, Biochemical Engineering Journal 77:111-114.
[10] W. Dzierża, T. Czerniawski (2000) Właściwości mechaniczne i termiczne polimerów. Skrypt dla studentów chemii, wyd.
Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Toruń,
[11] L. Song, C. Cruz, S. R. Farrah, R. H. Baney (2009) Novel antiviral activity of dialdehyde starch, Electronic Journal of
Biotechnology 12(2):1-2.
[12] A. G. J. Voragen, G.-J. Coenen, R. P. Verhoef, H. A. Schols (2009) Pectin, a versatile polysaccharide present in plant
cell walls, Structural Chemistry 20(2):263-267.
107
BioOrg 2015
ZASTOSOWANIE LIMONENU JAKO KOMONOMERU W POLIMERYZACJI
RODNIKOWEJ METAKRYLANU METYLU
Ewa Wiśniewska*, Karolina Mozelewska
Zakład Biomateriałów i Technologii Mikrobiologicznych/Instytut Polimerów,
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, al. Piastów 45, 70-311 Szczecin
W ramach poszukiwań rozwiązań alternatywnych dla związków chemicznych pochodzenia
petrochemicznego coraz więcej rozwiązań daje nam „zielona chemia”. Jednym z przykładów jest
wykorzystanie limonenu pochodzącego przede wszystkim ze skórek pomarańczy przez specjalistów
z wielu dziedzin [1-3]. Celem naszych badań było otrzymanie kopolimerów z monomeru naturalnego –
limonenu (LIM) oraz syntetycznego – metakrylanu metylu (MMA).
Limonen, który jest głównym składnikiem olejku pomarańczowego, otrzymywano w procesie
destylacji z parą wodną skórek pomarańczy pod ciśnieniem atmosferycznym. Jej wydajność względem
użytej masy skórek wynosiła 1,2 – 2,6%. Przed procesem kopolimeryzacji usuwano inhibitor
z metakrylanu metylu poprzez ekstrakcję 10% roztworem wodnym wodorotlenku sodowego. Materiały
polimerowe otrzymano w wyniku kopolimeryzacji wolnorodnikowej w roztworze.
Sumaryczne stężenie monomerów w procesie polimeryzacji/kopolimeryzacji wynosiło 7
mol/dm3. Inicjatorem był 2,2’-azobis(izobutyronitryl) w ilości 0,06 mol/dm3. Jako rozpuszczalnik
stosowano N,N-dimetyloformamid. Kopolimeryzacje były wykonywane przy różnych stosunkach
molowych metakrylanu metylu i limonenu (tabela 1). Otrzymane polimery/kopolimery wytrącano w 90%
roztworze metanol/woda. Następnego dnia polimery/kopolimery filtrowano z metanolu na lejku
Büchnera, przemywano metanolem w celu usunięcia pozostałości nieprzereagowanych substratów
i suszono do stałej masy w suszarce próżniowej.
Tabela 1. Warunki prowadzenia poli-/kopolimeryzacji w roztworze.
oznaczenie
kopolimeru/
polimeru
ML1 (2h)
ML1 (5h)
ML1,5
ML2 (2h)
ML2 (5h)
ML2,5
ML3
PMMA
PMMA
stężenie molowe
limonenu
[mol/dm3]
3,50
3,52
2,81
2,33
2,35
2,00
1,76
0
0
stężenie
molowe MMA
[mol/dm3]
3,50
3,57
4,20
4,67
4,68
5,00
5,37
7,00
7,00
108
stosunek
[LIM]:
[MMA]
1:1
1:1
1:1,5
1:2
1:2
1:2,5
1:3
0:1
0:1
czas
[min]
temperatura
[˚C]
wydajność
[%]
120
300
300
120
300
120
120
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
4,1
7,3
16,4
12,7
22,3
18,4
23,4
24,1
22,4
BioOrg 2015
Metodę spektroskopii w podczerwieni wykorzystano do badania struktury chemicznej
otrzymanych materiałów [4]. Wykonano widma absorpcyjne w zakresie 4000-400 cm-1 dla substratów
oraz produktów polireakcji na spektrofotometrze ALPHA firmy Bruker. Monomery badano w postaci
cieczy w świetle przechodzącym pomiędzy płytkami z KBr, a polimer i kopolimery w postaci proszku
z wykorzystaniem przystawki ATR.
a)
-1
2990 cm
b)
c)
-1
2948 cm
PMMA
ML3
1644 cm-1
ML2,5
ML2
ML1,5
ML1
Rysunek 1. Fragmenty widm FTIR dla PMMA i kopolimerów przy liczbie falowej ok. 3000 cm-1 (a),
ok. 1600 cm-1 (b) oraz poniżej 1000 cm-1 (c) potwierdzające otrzymanie kopolimerów
Na rysunku 1a) przedstawiono obszar widma przy liczbie falowej ok. 3000 cm -1. Pasma na wykresie
zmieniają się wraz ze wzrostem zawartości limonenu w makrocząsteczce. Piki przy liczbie falowej 2990
cm-1 oraz 2948 cm-1 są charakterystyczne dla rozciągających wiązań C-H w grupie CH3-O-. Dla PMMA
wyższy jest drugi pik, natomiast przy zwiększaniu się zawartości limonenu w mieszaninie reakcyjnej,
a tym samym i w kopolimerze, na zboczu pojawia się nowy pik przy liczbie falowej 2923 cm -1
pochodzący od rozciągających wiązań C-H w grupach CH2 i CH3, co świadczy o wzroście ilości wiązań
C-H w głównym łańcuchu kopolimerów. Ponadto różnice obserwuje się przy liczbie falowej 1644 cm-1
(rysunek 1b)). Pasmo to jest charakterystyczne dla wiązań podwójnych w pierścieniu limonenu i jest
bardziej intensywne im większa jest jego ilość w makrocząsteczce. Wykresy FTIR dla kopolimerów
i polimerów różnią się również w zakresie poniżej 1000 cm-1, co przedstawiono na rysunku 1c).
Wszystkie opisane różnice w widmach absorpcyjnych kopolimerów w stosunku do PMMA potwierdzają
wbudowanie się w łańcuch polimeru drugiego monomeru - limonenu. Zmiany są bardziej widoczne
w widmach kopolimerów otrzymanych przy większej zawartości limonenu w mieszaninie reakcyjnej.
W celu określenia struktury kopolimeru metakrylanu metylu i limonenu, a w szczególności
stwierdzenia ich składu, wykorzystano metodę protonowego rezonansu magnetycznego (Bruker
DPX400) [2, 4]. Widma 1H NMR otrzymanych kopolimerów przedstawione są na Rysunku 2.
109
BioOrg 2015
(A)
ML3
(B)
(A)
(B)
ML2,5
ML2
(A)
(B)
Rysunek 3. Struktura chemiczna
otrzymanego kopolimeru.
(A)
ML1,5
(A)
(B)
(B)
ML1
Rysunek 2. Widma 1 H NMR kopolimerów.
W celu analizy kopolimerów skupiono się na sygnałach protonów o przesunięciu chemicznym:
5,35 ppm pochodzących od limonenu (A) oraz 3,62 ppm od MMA (B) (oznaczenia protonów we wzorze
na rys. 3). Na wszystkich widmach 1H NMR widoczny jest sygnał (B). Sygnał (A) jest wyraźnie
widoczny dla kopolimerów z większą zawartością limonenu (ML1, ML1,5 oraz ML2), ale występuje
również przy stosunku molowym monomerów MMA:LIM 3:1 (kopolimer ML3), co potwierdza, że w
każdym przypadku otrzymano kopolimery metakrylan metylu / limonen.
W kopolimeryzacji rodnikowej otrzymano kopolimery z monomerów: syntetycznego
(metakrylanu metylu) i naturalnego (limonenu) oraz ustalono warunki prowadzenia polireakcji w
roztworze. Wydajność kopolimeryzacji jest większa przy mniejszej zawartości limonenu w mieszaninie
reakcyjnej. Porównanie widm FTIR i 1H NMR kopolimerów do PMMA potwierdza wbudowanie się w
łańcuch makrocząsteczki drugiego monomeru: limonenu w ilości wzrastającej wraz ze zwiększeniem
jego udziału w mieszaninie wyjściowej monomerów, przy czym, na podstawie ilościowej analizy 1H
NMR, obserwuje się dużą różnicę w ilości merów MMA przypadających na mer limonenu w kolejnych
kopolimerach, zwiększoną w stosunku do udziału molowego monomerów w roztworze reakcyjnym.
Literatura:
[1] S. Sharma, A. K. Srivastava (2005) Free radical copolymerization of limonene with butyl methacrylate: Synthesis and
charakterization, Indian Journal of Chemical Technology 12:2235–2240
[2] Y. Zhang, M. A. Dubé (2014) Copolymerization of n-Butyl Methacrylate and d-Limonene, Macromol. React. Eng. 8(12): 805-812
[3] S. Sharma, A. K. Srivastava (2004) Synthesis and characterization of copolymers of limonene with styrene initiated by
azobisisobutyronitrile, European Polymer Journal 40:2235–2240
[4] R. M. Silverstein, F. X. Webster, D. J. Kiemle (2005) Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych, PWN,
Warszawa
110
BioOrg 2015
OCENA EFEKTYWNOŚCI USUWANIA JONÓW KADMU(II) I OŁOWIU(II)
Z WYKORZYSTANIEM MATERIAŁU LIGNOCELULOZOWEGO
Mateusz Wiśniewski, Przemysław Bartczak, Teofil Jesionowski*
Politechnika Poznańska, Wydział Technologii Chemicznej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej,
ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań,
Postępujący rozwój przemysłu, jak i wzrost ludności przyczynia się do co raz większych
problemów związanych z zanieczyszczeniem środowiska różnymi niebezpiecznymi substancjami.
Skażenie systemów wodnych jonami metali jest obecnie jednym z największych zagrożeń współczesnego
świata ze względu na ich mobilność w ekosystemie i możliwość akumulacji w strukturze tkanek roślin
i zwierząt. Jony metali szkodliwych dla środowiska po przekroczeniu dopuszczalnych stężeń wykazują
wiele właściwości toksycznych, kancerogennych czy mutagennych. W dużym stopniu przyczyniają się
do tego jony ołowiu(II) i kadmu(II). Z tego względu należy stosować oraz poszukiwać efektywne
techniki pozwalające usunąć niebezpieczne związki występujące w układach wodnych. Obecnie do
oczyszczania wody stosuje się metody takie jak: strącanie chemiczne, wymianę jonową, ekstrakcję,
procesy elektrochemiczne, techniki membranowe oraz adsorpcję. Większość z tych metod pomimo
wysokiej skuteczności jest skomplikowana oraz wiąże się z wysokimi kosztami. Ważne jest, aby starać
się zastosować rozwiązania technologiczne bardziej ekonomiczne, mogące przyczynić się do
zredukowania ilości jonów metali szkodliwych dla środowiska w ściekach komunalnych, jak i
przemysłowych. Naukowcy wykazują w ostatnich latach zwiększone zainteresowanie procesem adsorpcji
będącym alternatywną metodą dla innych technik, której niewątpliwymi zaletami są niskie koszty
procesowe oraz możliwość zastosowania szerokiej gamy efektywnych adsorbentów, w tym sorbentów
typu
low-cost
w celu oczyszczania roztworów wodnych. Sorbenty typu low-cost są to materiały powszechnie
występujące w przyrodzie, bądź będące odpadami lub produktami ubocznymi w przemyśle czy rolnictwie
i należy podkreślić, że w dużej mierze są to materiały lignocelulozowe takie jak: trociny, kory drzew,
słoma, otręby zbóż, trawy i inne. Do ich głównych zalet można zaliczyć niski koszt wydobycia, ogólną
oraz łatwą dostępność, wysoką efektywność w usuwaniu zanieczyszczeń, zmniejszenie odpadów
biologicznych i chemicznych. Pozytywnym aspektem stosowania adsorpcji jest możliwość regeneracji
sorbentu i jego wielokrotne użycie, co przyczynia się do obniżenia kosztów procesu. Dodatkowo należy
nadmienić, że występowanie danego sorbentu w różnych szerokościach geograficznych determinuje jego
różne właściwości sorpcyjne [1-4].
W przedstawionych badaniach wykonano testy adsorpcji jonów ołowiu(II) i kadmu(II) na
sorbencie lignocelulozowym (trociny topoli) pozyskanym z przemysłu drzewno-papierniczego. Ustalono
111
BioOrg 2015
wpływ wielu parametrów prowadzenia procesu (czas kontaktu, stężenie jonów metali w układzie, pH
układu reakcyjnego, masa sorbentu i temperatura) na efektywność usuwania jonów szkodliwych dla
środowiska z układów wodnych. Dla użytego adsorbentu lignocelulozowego wykonano również testy
desorpcji z wykorzystaniem wody oraz kwasu solnego jako czynników wymywających. Dodatkowo
wyznaczono kinetykę procesu adsorpcji jonów kadmu(II) i ołowiu(II) za pomocą modeli
pseudo-pierwszego (PFO) [5] oraz pseudo-drugiego rzędu (PSO) [6], dzięki którym można w lepszy
sposób zrozumieć sam przebieg procesu oraz ustalić jego optymalne parametry. Otrzymane wyniki
przedstawiono w Tabeli 1.
Tabela 1. Parametry kinetyczne modeli pseudo-pierwszego rzędu oraz pseudo-drugiego rzędu dla procesu adsorpcji jonów
kadmu(II) i ołowiu (II) z roztworów modelowych o stężeniu 50 mg/L na sorbencie lignocelulozowym
Parametr
Model kinetyczny
PFO
PSO
Jon metalu
Symbol
Jednostka
Cd(II)
Pb(II)
qe exp
mg/g
9,10
9,32
qe cal
mg/g
2,23
1,51
k1
1/min
0,054
0,038
r2
-
0,853
0,703
qe cal
mg/g
9,14
9,34
k1
g/mg·min
0,101
0,128
2
-
0,999
0,999
r
Wykonane badania potwierdziły znaczące zdolności sorpcyjne adsorbentu lignocelulozowego dla
jonów metali szkodliwych dla środowiska. Uzyskane wyniki potwierdzają, że skuteczność procesu
adsorpcji jonów metali kadmu(II) i ołowiu(II) zależy od następujących parametrów: czasu kontaktu
adsorbat-adsorbent, stężenia jonów metali w roztworze, pH układu modelowego, temperatury
prowadzenia procesu oraz masy użytego adsorbentu. Właściwie dobrane i określone parametry mają
istotny wpływ na poprawę wydajności procesu adsorpcji jonów metali z układów wodnych.
Literatura:
kraft lignin and its use as a novel ‘green’ sorbent for hazardous metal ions removal, Chemical Engineering Journal 260:684–
693.
[2] F. Ciesielczyk, P. Bartczak, T. Jesionowski (2014) Removal of nickel(II) and cadmium(II) ions from aqueous solutions
using an oxide adsorbent of MgO·SiO2 type, Desalination and Water Treatment DOI: 10.1080/19443994.2014.925832.
112
BioOrg 2015
[3] A. P. Lim, A. Z. Aris (2013) A review on economically adsorbents on heavy metals removal in water and wastewater,
Reviews in Environmental Science and Bio/Technology DOI 10.1007/s11157-013-9330-2.
[4] K. Pei-Sin, L. Siew-Ling, H. Sie-Tiong, H. Yung-Tse, O. Siew-Teng (2014) Removal of hazardous heavy metals from
aqueous environment by low-cost adsorption materials, Environmental Chemistry Letters 12:15–25.
[5] S. Lagergren (1898) Zur theorie der sogenannten adsorption geloster stoffe. Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens
Handlingar 24:1–39.
[6] Y. Ho, G. Mckay ,D.A.J. Wase, C.F. Foster (2000) Study of the sorption of divalent metal on to peat, Adsorption Science
& Technology 18:639–650.
113
BioOrg 2015
KAPSUŁKI SKROBIOWE – WŁAŚCIWOŚCI SKROBIOWYCH
BIOMATERIAŁÓW POLIMEROWYCH STOSOWANYCH W FARMACJI
Anna Barnaś, Anna Zając
Zakład Tworzyw Sztucznych, Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, 61-138 Poznań
Biologiczne życie na Ziemi, a także dzisiejsza cywilizacja są niemożliwe bez udziału materiałów
polimerowych. Tworzywa sztuczne to przykład sukcesu na skalę globalną, a przemysł ten
rozpowszechnia się nieprzerwanie od ponad 50 lat. Jednym z obszarów zastosowań związków
wielkocząsteczkowych jest farmacja [1], w której dużą uwagę poświęca się opracowaniu kapsułek
z otoczką skrobiową jako alternatywa dla materiału pochodzenia zwierzęcego – żelatyny.
Skrobia składa się z dwóch frakcji: amylozy oraz amylopektyny i należy do naturalnych,
odnawialnych biopolimerów. W skali przemysłowej pozyskiwana jest z nasion, bulw i korzeni roślin [2].
Charakterystyczną właściwością skrobi, ważną w technologii postaci leku jest fakt, iż amyloza należy do
polimerów liniowych (ze względu na obecność wiązań α-1,4-glikozydowych), które w wyniku
rozpuszczenia w zimnej wodzie tworzą roztwór koloidalny o strukturze fazowej, nie wykazującej
tendencji do spęczania oraz klajstrowania. Wiązanie α-1,6-glikozydowe występujące w amylopektynie,
decyduje o braku rozpuszczalności substancji w zimnej wodzie, zaś w gorącej wodzie tworzy roztwór
o dużej lepkości [3].
Celem badań było opracowanie mieszaniny skrobi z gliceryną i wodą, stanowiącej materiał
na otoczki kapsułek. Analizie poddano siedem rodzajów tego biopolimeru o odmiennym pochodzeniu:
z nasion amarantusa, kukurydzy, ryżu, skrobię niemodyfikowaną oraz trzy skrobie modyfikowane
i określono ich właściwości. Przeprowadzono standardowe badania wykonywane w zakładach
farmaceutycznych podczas kontroli surowca. Wyznaczono wielkość ziaren, określono lepkość substancji,
zbadano stratę masy po suszeniu, a także zmierzono czas rozpadu próbek w wodzie i sztucznym kwasie
żołądkowym. Decydującym kryterium, weryfikującym możliwość zastosowania analizowanych próbek,
było określenie czasu rozpadu, który wynosił, zgodnie z normą mniej niż 30 min w przypadku skrobi
ryżowej, kukurydzianej i z nasion amarantusa. Wstępne badania rokują, iż wymienione polimery mogą
znaleźć zastosowanie w farmacji jako materiał na kapsułki.
Literatura:
[1] J. F. Rabek (2009) Współczesna wiedza o polimerach, Wydawnictwo PWN, Warszawa, Polska.
[2] W. Leszczyński (2004) Skrobia – surowiec przemysłowy, budowa i właściwości, Zeszyty Problemowe Postępów Nauk
Rolniczych 500:69-98.
[3] O. S. Kittipongpatana (2007): Physicochemical and Pharmaceutical properties of carboxymethyl rice starches modified
from native starches with different amylase conten, Cereal Chemistry 84(4):331-833
114
BioOrg 2015
UKŁADY CHITYNA-POSS JAKO EFEKTYWNE NOŚNIKI
W PROCESIE IMMOBILIZACJI ENZYMÓW
Jakub Zdarta, Marcin Wysokowski, Małgorzata Norman, Przemysław Bartczak,
Artur Jędrzak, Tadeusz Szalaty, Teofil Jesionowski*
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska,
W niniejszej pracy zaprezentowano metodykę procesu immobilizacji lipazy z Candida antarctica
na powierzchni nowatorskich matryc powstałych w wyniku funkcjonalizacji powierzchni chityny
związkami z grupy poliedrycznych oligomerycznych silseskwioksanów (POSS). W oparciu
o zrealizowane badania, potwierdzono efektywne unieruchomienie enzymu, a także dobrano optymalne
warunki jego prowadzenia. W ramach przeprowadzonych analiz określono także aktywność,
jak i stabilność powstałych układów biokatalitycznych.
Immobilizacji enzymów polega na ich trwałym związaniu, z nierozpuszczalnym w środowisku
reakcji nośnikiem, co skutkuje powstaniem katalizatora w formie heterogenicznej, którego właściwości
są odmienne, w porównaniu do wolnego białka. Zazwyczaj produkty te charakteryzują się zwiększoną
odpornością na wpływ takich parametrów jak temperatura i pH, a dodatkowo zachowują swoją
aktywność katalityczną przez dłuższy okres czasu [1].
Aby zwiększyć powinowactwo enzymów do matrycy przeprowadza się proces modyfikacji
powierzchni nośnika [2]. Skutkuje on wytworzeniem mocnych i stabilnych oddziaływań pomiędzy
enzymem i nośnikiem co znacząco utrudnia elucję biokatalizatora z podłoża, przez co nie dochodzi
do zanieczyszczenia mieszaniny reakcyjnej białkiem. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest także
prowadzenie reakcji w reaktorach przepływowych oraz okresowych [3].
W procesie immobilizacji enzymów, jako matryce, wykorzystanych może zostać szereg bardzo
zróżnicowanych materiałów, których dobór w dużej mierze zależy od rodzaju osadzanego enzymu oraz
procesu, gdzie dany układ może znaleźć zastosowanie [4]. Wykorzystywane są zarówno matryce
pochodzenia nieorganicznego, wśród nich krzemionka, tlenki metali, czy hydroksyapatyt, jednak bardzo
szeroką grupę nośników stanowią materiały organiczne, zarówno syntetyczne, jak i naturalne. Wśród
tych drugich należy wymienić celulozę, chitynę oraz chitozan [5]. W ostatnich czasach coraz
popularniejsze stają się nośniki kompozytowe, które łączą w sobie zalety materiałów pochodzenia
organicznego oraz nieorganicznego [6].
Pierwszym etapem procesu funkcjonalizacji chityny było jej zmielenie i egalizacja. Następnie
biopolimer umieszczono w reaktorze i dodano 10 cz. wag. modyfikatora z grupy oligomerycznych
polisilseskwioksanów: MethacrylPOSS oraz VinylPOSS w roztworze odpowiedniego rozpuszczalnika.
115
BioOrg 2015
Układ poddano mieszaniu przez 1 h, następnie rozpuszczalnik odparowano, a powstały produkt
wysuszono.
Immobilizację lipazy prowadzono w reaktorach do których odważono 500 mg nośnika
chitynowego, przed i po modyfikacji, po czym dodano stałą objętość roztworu enzymu (15 cm 3)
o zmiennym stężeniu. Preparaty poddano wytrząsaniu przez zadany okres czasu, a następnie odsączono
pod zmniejszonym ciśnieniem, wysuszono i poddano dalszym analizom.
Aktywność oraz stabilność termiczną i chemiczną immobilizowanej lipazy określono w oparciu
o reakcję hydrolizy palmitynianu-para-nitrofenylu, która katalizowana jest przez otrzymany układ.
Pomiary spektrofotometryczne wykonano na spektrofotometrze Jasco V750 (Jasco, Japonia) przy
długości fali 410 nm.
Przeprowadzone
testy
umożliwiły
określenie
aktywności
katalitycznej
preparatów
po immobilizacji powstałych z wykorzystaniem niemodyfikowanej oraz modyfikowanej związkami typu
POSS chityny, a także zdefiniowanie który czas prowadzenia procesu pozwala na otrzymanie preparatów
odznaczających się zachowaniem najwyższej aktywności. Otrzymane rezultaty zaprezentowano
w Tabeli 1.
Tabela 1. Zachowana aktywność katalityczna produktów po immobilizacji
lipazy z Candida antarctica (LCA)
Nazwa próbki
Czas immobilizacji
[h]
Zachowana
aktywność
katalityczna [%]
Δq
[%]
1
71,4
2,4
24
68,5
2,3
96
63,2
2,6
1
74,8
2,1
24
81,4
2,2
96
75,8
2,1
1
78,2
2,4
24
87,6
2,3
96
73,4
2,0
3
Chityna + LCA 5 mg/cm
3
Chityna + VPOSS + LCA 5 mg/cm
3
Chityna + MPOSS + LCA 5 mg/cm
Zachowaniem najwyższej aktywności katalitycznej (ponad 87 %) charakteryzują się preparaty
powstałe
po
24
h
immobilizacji
z
wykorzystaniem
matrycy
chitynowej
zmodyfikowanej
MethacrylPOSSem. Warto także zauważyć, że układy nośnik-POSS-enzym charakteryzują się lepszymi
właściwościami hydrolitycznymi, od tych, powstałych z wykorzystaniem niemodyfikowanej chityny.
Fakt ten może być wytłumaczony unieruchomieniem większych ilości białka katalitycznego, a także
zwiększoną odległością biokatalizatorów od powierzchni nośnika. Ułatwiony jest wówczas dostęp do
116
BioOrg 2015
centrum aktywnego enzymu, a co za tym idzie ograniczeniu ulegają opory dyfuzyjne związane
z transportem substratów i produktów.
W oparciu o pomiary spektrofotometryczne wykazano, że preparaty immobilizowanej lipazy
charakteryzują się zachowaniem nawet do 90% początkowych właściwości katalitycznych. Udowodniono
również, że czasem, po którym otrzymuje się układy o najwyższej aktywności jest okres 24 h.
Dodatkowo, lipaza unieruchomiona na powierzchni funkcjonalizowanej chityny odznacza się wyższymi
zdolnościami hydrolitycznymi.
Praca została sfinansowana i przygotowana w ramach projektu badawczego Politechniki Poznańskiej nr
03/32/DSMK/0510.
Literatura:
[1] T. Jesionowski, J. Zdarta, B. Krajewska (2014) Enzymes immobilization by adsorption: A review, Adsorption 20:801-821.
[2] P. Zucc, E. Sanjust (2014) Inorganic materials as supports for covalent enzyme immobilization: Methods and mechanisms,
Molecules 19(9):14139-14194.
[3] A. Liese, L. Hilterhaus (2013) Evaluation of immobilized enzymes for industrial applications, Chemical Society Reviews
42:6236-6249.
[4] N. Chauhan, J. Narang, P. Sunny, C.S. Pundir (2013) Immobilization of lysine oxidase on a gold–platinum nanoparticles
modified Au electrode for detection of lysine, Enzyme and Microbial Technology 52:265-271.
[5] B. Krajewska (2004) Application of chitin- and chitosan-based materials for enzyme immobilizations: A review, Enzyme
and Microbial Technology 35(2-3):126-139.
[6] J. Zdarta, Ł. Klapiszewski, M. Wysokowski, M. Norman, A. Kołodziejczak-Radzimska, D. Moszyński, H. Ehrlich, H.
Maciejewski, A.L. Stelling, T. Jesionowski (2015) Chitin-lignin material as a novel matrix for enzyme immobilization, Marine
Drugs 13(4):2424-2446.
117
BioOrg 2015
TERMODYNAMICZNE I KINETYCZNE ASPEKTY USUWANIA PESTYCYDU
Z MODELOWYCH ROZTWORÓW WODNYCH Z WYKORZYSTANIEM
MATERIAŁU POCHODZENIA ROŚLINNEGO
Sonia Żółtowska, Przemysław Bartczak, Teofil Jesionowski*
Politechnika Poznańska, Wydział Technologii Chemicznej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej,
*e-mail: [email protected]
Jakość wody na całym świecie uległa drastycznemu pogorszeniu w przeciągu ostatnich
kilkudziesięciu lat. Jest to spowodowane przede wszystkim niewłaściwą działalnością człowieka,
wzrostem liczby ludności, intensywną industrializacją świata oraz nierozważnym gospodarowaniem
zasobami naturalnymi [1]. Głównymi źródłami zanieczyszczeń wód gruntowych są ścieki komunalne,
toksyczne odpady przemysłowe oraz ścieki z pól uprawnych. W ostatnich latach wiele niebezpiecznych
substancji zostało wykrytych w wodzie pitnej, wśród nich można wyróżnić: pestycydy, związki fenolu,
produkty do pielęgnacji ciała, antybiotyki oraz leki hormonalne. Zawartość tych związków w wodzie
często przekracza dozwolone stężenia, co skutkuje zwiększeniem możliwości występowania poważnych
problemów zdrowotnych u ludzi [1-4]. Z wymienionej grupy pestycydy stanowią największe
niebezpieczeństwo dla równowagi ekosystemu, głównie ze względu na ich powszechne użycie oraz
wysoką toksyczność nawet przy niskim stężeniu [5].
Kwas 2,4-dichlorofenoksyoctowy (2,4-D) jest jednym z najpopularniejszych herbicydów
stosowanym w rolnictwie, sadownictwie oraz ogrodnictwie [5]. Znajduje się w większości komercyjnych
środków do zwalczania chwastów [6]. Kwas 2,4-D ze względu na swoje szerokie zastosowanie,
toksyczność i słabą biodegradowalność stanowi główne zanieczyszczenie wód powierzchniowych
i gruntowych [7].
Na świecie rozwijanych jest wiele technik oczyszczania wód, które charakteryzują się różną
skutecznością [1]. Jednak największymi wadami tych metod są wysokie koszty operacyjne i utrzymania
instalacji, wytwarzanie toksycznego szlamu i skomplikowane procedury użytkowe. Adsorpcja uważana
jest za jedno z lepszych rozwiązań ze względu na prostą konstrukcję instalacji i łatwą obsługę.
Dodatkowo możliwość stosowania materiałów nisko kosztowych (ang. low-cost) jako adsorbentów czyni
te metodę alternatywą dla konwencjonalnych technik [1-3].
W ramach zrealizowanych badań dokonano wnikliwej analizy termodynamicznej i kinetyki
adsorpcji pestycydu – kwasu 2,4-dichlorofenoksyoctowego na materiale pochodzenia roślinnego (kłoci
wiechowatej Cladium mariscus). Adsorbent pozyskano z okolic Chełmna (woj. lubelskie).
Znajomość parametrów termodynamicznych jest niezbędna do analizy procesu adsorpcji,
ponieważ dostarczają one szczegółowych informacji dotyczących zmian energetycznych zachodzących
118
BioOrg 2015
w trakcie procesu [8]. Badania adsorpcji wykonano dla różnych stężeń roztworów modelowych (20, 30,
50 i 100 mg/L) w trzech różnych temperaturach (25, 30 i 35 °C). Otrzymane wyniki przedstawiono
w Tabeli 1.
Tabela 1. Parametry termodynamiczne adsorpcji kwasu 2,4 -D
na powierzchni kłoci wiechowatej
Stężenie kwasu
2,4-D
(mg/L)
ΔH
(kJ/mol)
ΔS
(J/mol/K)
20
-184.08
50
100
o
ΔGo
(kJ/mol)
o
25 °C
30 °C
35 °C
-574.73
-12.81
-9.93
-7.06
-126.41
-400.57
-7.04
-5.04
-3.03
-37.80
-119.09
-2.31
-1.72
-1.12
Wartości ΔH świadczą o egzotermicznym charakterze procesu, natomiast dane ΔG dla procesu
adsorpcji kwasu 2,4-D we wszystkich trzech temperaturach wskazują, że proces jest samoistny. Wraz ze
wzrostem temperatury samorzutność procesu maleje, co jest zgodne z egzotermicznym charakterem
procesu. Ponadto wartości zmiany entropii układu opisują losowość w oddziaływaniach między
adsorbentem a adsorbatem. Jednakże ujemne wartości ΔS wskazują na złożone oddziaływania pomiędzy
adsorbentem a adsorbatem, mogące powodować zmiany w strukturze adsorbentu i adsorbatu.
W toku badań określono również kinetykę procesu adsorpcji kwasu 2,4-D z roztworów
modelowych o stężeniu 10 oraz 50 mg/L. W tym celu wykorzystano modele pseudo-pierwszego rzędu
(typu Lagergrena) [9] oraz pseudo-drugiego rzędu (opisanego przez Ho) [10]. Modele te przedstawiają
korelacje pomiędzy zmianami stężenia adsorbatu w funkcji czasów prowadzenia procesu adsorpcji aż do
ustalenia stanu równowagi. Analizując uzyskane rezultaty stwierdzono, że dane eksperymentalne
bezpośrednio korespondowały z modelem kinetyki pseudo-drugiego rzędu. Potwierdzeniem danej
zależności jest uzyskany wysoki współczynnik korelacji (r2 = 0,998-0,999) dla modelu pseudo-drugiego
rzędu.
Wyznaczenie parametrów termodynamicznych i kinetycznych procesu adsorpcji jest istotne,
ze względu na kontrolę efektywności usuwania zanieczyszczeń, w tym kwasu 2,4-D z układów wodnych.
Dodatkowo w znaczący sposób ułatwi wykorzystanie kłoci wiechowatej jako adsorbentu herbicydu ze
ścieków rzeczywistych.
119
BioOrg 2015
Literatura:
[1] A. Bhatnagar, M. Sillanpaa, A. Witek-Krowiak (2015) Agricultural waste peels as versatile biomass for water purification
– A review, Chemical Engineering Journal 270:244-271.
[2] I. Ali, M. Asim, T. A. Khan (2012) Low cost adsorbents for the removal of organic pollutants from wastewater, Journal of
Environmental Management 113:170-183.
[3] V. K. Gupta , P. J.M. Carrott , M. M.L. Ribeiro Carrott & Suhas (2009) Low-cost adsorbents: growing approach to
wastewater treatment—a review, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 39(10):783-842.
[4] M. Ahmaruzzaman, V. K. Gupta (2011) Rice husk and its ash as low-cost adsorbents in water and wastewater treatment,
Industrial & Engineering Chemistry Research 50(24):13589-13613.
[5] V.O. Njoku, M. Asif, B.H. Hameed (2014) 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid adsorption onto coconut shell-actovated
carbon: isotherm and kinetic modeling, Desalination and Water Treatment 55(1):1-10.
[6] M. Bziuk (2001) Pestycydy występowanie oznaczanie i unieszkodliwianie, Wydawnictwo WNT, Warszawa, Polska.
[7] A. Chaparadza, J.M. Hossenlopp (2011) Removal of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid by calcined Zn-Al-Zr layered double
hydroxide, Journal of Colloid and Interface Science 363:92-97.
[8] F. Chen, C. Zhou, G. Li, F. Peng (2012) Thermodynamics and kinetics of glyphosate adsorption on resin D301, Arabian
Journal of Chemistry DOI: 10.1016/j.arabjc.2012.04.014.
[9] Lagergren S. (1898) About the theory of so-called adsorption of soluble substances, Kungliga Svenska Vetensk Handl
24:1-39.
[10] Ho Y. S., McKay G. (1999) Pseudo-second order model for sorption processes, Process Biochemistry 34:451-465.
120
BioOrg 2015
WŁAŚCIWOŚCI ANTYBAKTERYJNE MATERIAŁU HYBRYDOWEGO
CHLOROFILINA - GĄBKI MORSKIE
Barbara Żurańska1, Wiktor Tomala1, Małgorzata Norman1, Katarzyna Czaczyk2, Anna Dobrowolska2,
Teofil Jesionowski1*
1
Politechnika Poznańska, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Zakład Technologii Chemicznej,
2
Uniwersytet Przyrodniczy, Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, ul. Wojska Polskiego 48, 60-627 Poznań
* e-mail [email protected]
Celem niniejszej pracy było zbadanie właściwości antybakteryjnych układu szkielet gąbki
morskiej-chlorofilina. Materiał hybrydowy otrzymano w procesie adsorpcji. Wykazano jego działanie
antybakteryjne przeciwko gram-dodatnim mikroorganizmom z gatunku Staphylococcus aureus
(Gronkowiec złocisty).
Gąbki występują głównie w wodach morskich w strefie przybrzeżnej, przywierają do dna
morskiego, koralowców lub skał. Mogą one poruszać się z niewielką prędkością. Są zwierzętami
kolonijnymi. Bronią się przed drapieżnikami wytwarzając biotoksyny lub używając swoich igieł.
Ich struktura jest prosta, nie posiadają tkanek, narządów oraz symetrii ciała. Gąbki zbudowane są ze
szkieletu posiadającego elementy organiczne (włókna kolagenowe) i nieorganiczne (krzemionkowe lub
wapienne). Głównym elementem jest kolagen w formie szkieletu włóknistego zwanego sponginą.
Najważniejsze klasy gąbek to: Demospongiae, Hexactinellida, Calcarea i Homosclermorpha. Główne
zastosowania gąbek związane są z ich naturalną funkcją – filtracją, co wykorzystywane jest w medycynie
i farmacji [1-3].
Rysunek 1. Wzór strukturalny soli sodowej kompleksu miedziowego chlorofiliny
121
BioOrg 2015
Chlorofilina jest to półsyntetyczna, rozpuszczalna w wodzie pochodna chlorofilu, o wzorze
sumarycznym C34H31CuN4Na3O6, której najpowszechniejszą formą jest sól sodowa kompleksu
miedziowego (SCC) (Rys. 1). Tworzy się podczas zmydlania chlorofilu i miedziowania powstałego
produktu. Chlorofilina osłabia mutagenne i rakotwórcze działanie związków mających struktury
policykliczne poprzez tworzenie z nimi kompleksów. Jest ona szeroko stosowana w przemyśle
spożywczym, farmacji, kosmetykach oraz suplementach diety. Może być używana jako przeciwutleniacz,
jest skuteczna wobec reaktywnych form tlenu [4,5].
Wykazano antybakteryjną aktywność chlorofiliny przeciw bakteriom Staphylococcus aureus
i Klebsiella pneumonia. Antybakteryjne działanie wobec bakterii gram-dodatnimi polega na tworzeniu
szczelne kompleksy z receptorami na powierzchni ich ściany komórkowej. Działanie takie, w połączeniu
z właściwościami fotouczulającymi wykorzystano m. in. w technikach nietermicznego odkażania
powierzchni materiałów opakowaniowych [6,7].
Przeprowadzono badania na układzie chlorofilina-szkielet gąbki morskiej (otrzymany z roztworu
SCC o stężeniu 1000 mg/L). Naważki materiału hybrydowego zawieszono w 1 ml sterylnej wody. Jako
kontrolę wykorzystano antybiotyk tetracyklinę, roztwory barwnika SCC oraz gąbki bez dodatku
barwników. Zabezpieczone i magazynowane w temperaturze -20 °C zawiesiny mikroorganizmów
wskaźnikowych rozmrażano w temperaturze pokojowej, a potem przełożono do probówek zawierających
10 ml podłoża bulionowego z dodatkiem glukozy. Zaszczepione podłoże odłożono na czas 15 min w celu
zaabsorbowania mikroorganizmów na jego powierzchni. Mikroorganizmami wskaźnikowymi użytymi
w teście były bakterie Staphylococcus aureus. W następnym etapie badań, na powierzchni
przygotowanego podłoża sporządzano studzienki o średnicy 9 mm, do których nanoszono 100 μl
zawiesiny (w przypadku naważek) lub 100 μl roztworu (w przypadku SCC). Następnie płytki
z naniesionymi próbami inkubowano w temperaturze 35 °C ± 2 ºC przez dobę. Po upływie czasu
inkubacji oceniano aktywność przeciwbakteryjną na podstawie średnicy stref zahamowania wzrostu
bakterii wskaźnikowych.
Wykazano, że układ szkielet gąbki morskiej-SCC zmniejsza wzrost wyżej wymienionego gramdodatniego mikroorganizmu. Pomimo iż efekt ten nie jest obserwowany dla pierwszych dwóch próbek
(1 do 10 mg) aktywność przeciwbakteryjna pojawia się i rośnie wraz ze wzrostem zawartości SCC. Brak
aktywności przeciwbakteryjnej nie oznacza braku biologicznie czynnych składników, które są obecne,
lecz w ilościach niewystarczających do zahamowania wzrostu komórek Straphylococcus aureus. Szkielet
gąbki morskiej bez żadnych modyfikacji nie wykazywał właściwości antybakteryjnych przeciw
badanemu gatunkowi bakterii. Nawet jeśli hybrydowy materiał SCC-szkielet gąbki morskiej nie jest tak
aktywny jak SCC, istnieją inne czynniki, które sprawiają, że ten materiał jest dużo bardziej przydatny niż
czysty barwnik, na przykład nierozpuszczalność w wodzie umożliwia jego ponowne użycie.
Antybakteryjne działanie SCC można wyjaśnić jej doskonałymi właściwościami fotouczulającymi.
122
BioOrg 2015
Praca została przygotowana i sfinansowana w ramach projektu badawczego Politechniki Poznańskiej
nr 03/32/DSMK/0510.
Literatura:
[1] N. Thakur, W. Müller (2004) Biotechnological potential of marine sponges, Current Science, 86(11):1506-1512.
[2] A. Barros, I. Aroso, T. Silva (2014) Surface modification of silica-based marine sponge bioceramics induce hydroxyapatite
formation, Crystal Growth & Design, 14:4545–4552.
[3] C. Jura (2002) Bezkręgowce, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, Polska.
[4] J. C. Kephart (1955) Chlorophyll derivatives – Their chemistry, commercial preparation and uses, Economic Botany,
9(1):3–38.
[5] T. Tumolo, U. M. Lanfer-Marquez (2012) Copper chlorophyllin: A food colorant with bioactive properties? Food
Research International, 46(2):451-459.
[6] Z. Luksiene, E. Paskeviciute (2012) Novel approach to decontaminate food-packaging from pathogens in non-thermal and
not chemical way: Chlorophyllin-based photosensitization, Journal of Food Engineering, 110:317-323.
[7] G. López-Carballo, P. Hernández-Muñoz, R. Gavara, M. J. Ocio (2008) Photoactivated chlorophyllin-based gelatin films
and coatings to prevent microbial contamination of food products, International Journal of Food Microbiology, 126:65-70.
123
BioOrg 2015
OPTYMALIZACJA PROCESU IMPREGNACJI CELULOZY BAKTERYJNEJ
POCHODNĄ KWASU TŁUSZCZOWEGO
Anna Żywicka1*, Joanna Gajowy2, Mirosława El Fray2, Karol Fijałkowski1
(odstęp pojedynczy, 10
Katedra Immunologii, Mikrobiologii i Chemii Fizjologicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie,
Al. Piastów 45, 71-311 Szczecin
2
Zakład Biomateriałów i Technologii Mikrobiologicznych, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Al.
Piastów 45, 71-311 Szczecin
(odstęp
, 10
1
Syntetyczne polimery jako biomateriały znalazły szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach
medycyny m.in. jako opatrunki, implanty czy protezy, nie tylko w chirurgii, ale również w okulistyce,
czy stomatologii. Pomimo wielu zalet jednym z głównych czynników ograniczających ich szerokie
zastosowanie jest brak biokompatybilność [1]. Stosunkowo nowym odkryciem w dziedzinie
nanobiomateriałów jest celuloza bakteryjna (CB). W ostatnim czasie poświęca się temu biopolimerowi
coraz więcej uwagi, ze względu na unikalne właściwości i możliwość zastosowana go w wielu gałęziach
przemysłu. Szczególnie interesująca jest możliwość wykorzystania CB w medycynie. Celuloza
bakteryjna, w porównaniu do celulozy roślinnej, jest wyjątkowo jednorodnym pod względem
chemicznym, wytrzymałym pod względem mechanicznym, nietoksycznym i biokompatybilnym
polisacharydem [2]. CB może być stosowana jako opatrunek do trudno gojących się ran czy rozległych
oparzeń, a także w medycynie implantacyjnej [3]. Ze względu na wysokim stopień uwodnienia,
zastosowanie CB znacznie przyspiesza gojenie się ran (nawet o 40 %), zwiększa komfort podczas zmiany
opatrunku i łagodzi ból, natomiast porowatość tego materiału zapewnia wymianę gazową z otoczeniem
[4].
Pomimo wielu zalet CB nie posiada właściwości antybakteryjnych. Lecznice działanie
opatrunków na bazie CB można jednak wzmocnić impregnując je substancjami antybakteryjnymi. Jak
dotąd do impregnacji CB wykorzystano m.in. penicylinę, klindamycynę, ampicylinę czy wankomycynę.
Celulozę bakteryjną impregnowano również nanocząsteczkami srebra czy substancjami stymulującymi
angiogenezę [5]. Jednak ze względu na szerzącą się liczbę szczepów antybiotykoopornych
i wieloopornych intensywnie poszukuje się nowych substancji o właściwościach antybakteryjnych, które
nie indukowałyby oporności względem mikroorganizmów. Interesującą grupą substancji pochodzenia
naturalnego są długołańcuchowe nienasycone kwasy tłuszczowe, które są dobrze znane jako inhibitory
wzrostu mikroorganizmów. Na szczególną uwagę zasługuje tutaj kwas linolowy, należący do grupy
nienasyconych kwasów tłuszczowych typu omega-6, w przypadku którego wykazano właściwości bójcze
wobec wirusów, bakterii oraz grzybów [6].
124
BioOrg 2015
Celem pracy jest impregnacja celulozy bakteryjnej solą amoniową dimeryzowanego kwasu
linolowego – DLA-N oraz analiza właściwości antybakteryjnych uzyskanego materiału.
Do syntezy celulozy wykorzystano szczep Gluconacetobacter xylinus (ATCC 23769), który jest
modelowym mikroorganizmem wykorzystywanym w badaniach dotyczących celulozy bakteryjnej.
Syntezę celulozy prowadzono przez 3, 5 i 7 dni w 28 °C w warunkach stacjonarnych, wykorzystując
standardowa pożywkę wykorzystywaną do produkcji celulozy bakteryjnej Herstin-Schramma (H-S) [7].
Analizowano % zawartość wody uzyskanej CB, jej wodochłonność oraz ubytek wody w czasie (retencja).
Dokonano również analizy struktury wykorzystując elektronowy mikroskop skaningowy (SEM).
Do impregnacji CB wykorzystano solą amoniową dimeryzowanego kwasu linolowego (DLA-N), która
jest substancją należącą do rodziny długołańcuchowych kwasów tłuszczonych i stanowi dimer
nienasyconego kwasu linolowego. Jako kontrolę porównawczą użyto CB impregnowaną erytromycyną.
Bakteriobójcze i bakteriostatyczne właściwości impregnowanej CB względem S. aureus
i S. epidermidis określano na podłożu stałym za pomocą metody dyfuzyjno-krążkowej oraz w podłożu
płynnym poprzez wyznaczenie krzywej wzrostu.
Ze względu na odmienną strukturę chemiczną DLA-N i ER badano również szybkość uwalniania
substancji z celulozy. Po impregnacji celuloza była moczona w wodzie 24 i 48 godziny, a następnie
badano aktywność bakteriobójczą względem dwóch modelowych mikroorganizmów, wykorzystując test
redukcji MTT.
Biorąc pod uwagę celulozę uzyskaną po 3, 5 i 7 dniach hodowli największą % zawartością wody
cechowała się CB uzyskana z 7-dniowej hodowli. W przypadku analizy poziomu wodochłonności, który
wyrażono w procentach uwzględniając wagę suchej i mokrej celulozy, największą wodochłonnością
cechowała się celuloza uzyskana po 3 dniach hodowli. Pomimo wysokiego poziomu wodochłonności
w przypadku CB uzyskanej z 3-dniowej hodowli ubytek wody w czasie był znacznie szybszy niż
w przypadku CB uzyskanej po 7 dniach hodowli. Analizowane parametry wodne związane są
z usieciowieniem nanofibryli w strukturze CB, co zostało potwierdzone za pomocą SEM. Ze względu na
wysoką % zawartość wody i dużą retencją do dalszych analiz wykorzystano celulozę uzyskanej
z 7-dniowej hodowli.
Wykorzystując metodę dyfuzyjno krążkową stwierdzono, że celuloza impregnowana DLA-N
i ER wykazywała działanie antybakteryjne względem dwóch badanych mikroorganizmów. Wyższe
stężenie substancji skutkowało wyższą aktywnością przeciwbakteryjną. W przypadku kontroli, czyli
nieimpregnowanej celulozy, nie obserwowano strefy zahamowania wzrostu, co potwierdziło,
że aktywność antybakteryjna związana jest z adsorpcją DLA-N i ER.W przypadku wykorzystania mokrej
CB obserwowano silne zahamowanie wzrostu S.aureus i S.epidermidis w ciągu 8 godzin inkubacji
względem kontroli. CB po wysuszeniu ulegała słabszej rehydracji i pomimo wysokiego poziomu
125
BioOrg 2015
chłonności zaadsorbowała ona mniej substancji niż CB w postaci mokrej membrany, przez co CB
w postaci suchej wykazywała słabsze właściwości antybakteryjne.
Wykazano, że DLA-N znacznie silniej wiąże się z celulozą w procesie impregnacji i uwalnia się
wolniej w porównaniu do ER. Po 48 godzinach w wodzie ER została całkowicie wypłukana z celulozy,
co skutkowało brakiem właściwości antybakteryjnych.
Celuloza bakteryjna może być efektywnie impregnowana solą amonową dimeryzowanego kwasu
linolowego zarówno w postaci mokrej jak i suchej. DLA-N wiąże się z celulozą bakteryjną równie
skutecznie jak erytromycyna. Celuloza bakteryjna impregnowana solą amonową dimeryzowanego kwasu
linolowego wykazuje jednak dużo dłuższe działanie bakteriobójcze, względem S. aureus i S. epidermidis
w porównaniu do materiału impregnowanego erytromycyną .
Literatura:
[1] Y. X. Wang, J. L. Robertson, J. Spillman, R. O. Claus (2004) Effects of the chemical structure and the surface properties of
polymeric biomaterials on their biocompatibility, Pharmaceutical Research 21:1362-1373.
[2] W. Czaja, D. Romanovicz, R. M. Brown (2004) Structural investigations of microbial cellulose produced in stationary and
agitated culture, Cellulose 11(3-4):403-411.
[3] S. Bielecki, H. Kalinowska (2008) Biotechnologiczne nanomateriały, Postępy Mikrobiologii 47(3):163-169.
[4] S. Bielecki, H. Kalinowska, A. Krystynowicz, K. Kubiak, M. Kołodziejczyk, M. De Groeve (2012) Wound dressings and
cosmetic materials from bacterial nanocellulose, w: Bacterial NanoCellulose: A sophisticated multifunctional material, CRC
Press Taylor & Francis Group.
[5] B. Wei, G. Yang, F. Hong (2011) Preparation and evaluation of a kind of bacterial cellulose dry films with antibacterial
properties, Carbohydrate Polymers 84:533-538.
[6] J Gajowy, D. Bolikal, J. Kohn, M. El Fray (2014) Synthesis and Characterization of Fatty Acid/Amino Acid SelfAssemblies, Journal of Functional Biomaterials 5:211-231.
[7] K. C. Cheng, J. M. Catchmark, A. Demirci (2009) Effect of different additives on bacterial cellulose production by
Acetobacter xylinum and analysis of material property, Cellulose 16:1033-1045.
126
BioOrg 2015
CHEMIA BIOORGANICZNA
127
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
WYKORZYSTANIE GRUP TIOLOWYCH DO SEPARACJI PEPTYDÓW N-HCY
Z OSOCZA KRWI
Jędrzej Dąbrowski1*, Łukasz Marczak1, Marta Sikora1, Izabela Bielińska1, Hieronim Jakubowski1,2,3
1
2
Instytut Chemii Bioorganicznej, PAN, Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań
Departament of Microbiology and Molecular Genetics, UMDNJ-New Jersey Medical School, 185 S Orange Ave,
Newark, NJ 07103
3
Wydział Biochemii i Biotechnologii, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Dojazd 11, 60-632 Poznań
Hiperhomocysteinemia
czyli
podwyższone
stężenie
homocysteiny
(Hcy)
we
krwi,
przekraczające 10 µM, może być czynnikiem zwiększającym ryzyko chorób układu krążenia, tj. zawału
serca, choroby zakrzepowo-zatorowej, a także choroby neurodegeneratywnej oraz wystąpienia
komplikacji podczas ciąży [1]. Hcy obecna w osoczu może również być przekształcana do cyklicznego
tiolaktonu homocysteiny (HTL) w procesie katalizowanym przez syntetazę metionylo-tRNA. HTL z
kolei może specyficznie reagować z ε-aminowymi grupami reszt lizynowych łańcucha białkowego.
Modyfikacje te mogą prowadzić do zaburzenia właściwości fizyko-chemicznych białek będąc przyczyną
zmian strukturalnych i funkcjonalnych proteomu człowieka [2]. Stan podwyższonego stężenia
homocysteiny (nawet powyżej 100 µM) może być spowodowany mutacją genu kodującego beta-syntazę
cystationinową (CBS), która to mutacja występuje z częstotliwością 1:3000000 osobników. Zwiększona
zawartość Hcy w organizmie może być również spowodowana źle zbalansowaną dietą, ubogą w kwas
foliowy, witaminy B6 i B12, które są kofaktorami enzymów biorących udział w katalitycznej reakcji
transsulfurylacji Hcy do cysteiny lub remetylacji do metioniny [3],[4], chorobami takimi jak chroniczna
niewydolność nerek [5] oraz związkami chemicznymi będącymi antagonistami dla kofaktorów reakcji
transsulfurylacji
czy
remetylacji
Hcy
(niektóre
leki
neurotyczne).
Wczesna
diagnoza
hiperhomocysteinemii jest kluczowa dla przeciwdziałania chorobom powodowanym przez zbyt wysoką
akumulację Hcy w organizmie. Głównym problemem podczas prowadzenia badań nad strukturą i funkcją
N-homocysteinylowanych białek jest ich niska zawartość w osoczu, dlatego też niezbędne jest
opracowanie metod służących selektywnemu wychwyceniu obecnych w próbce, modyfikowanych białek
lub peptydów. Rozwiązaniem tego problemu może być wykorzystanie reakcji wiązania grup tiolowych
dołączonego do lizyn tiolaktonu homocysteiny (ryc.1) ze złożem posiadającym dwusiarczkowe grupy
2-tiopirydylowe (Thiopropyl Sepharose 6B) (ryc.2).
In vitro modyfikowane tiolaktonem białka (albumina, fibrynogen), zostały poddane hydrolizie
przy użyciu trypsyny (cięcie za resztami lizyny lub argininy), po czym otrzymane peptydy zostały
poddane reakcji tworzenia mostków disiarczkowych na złożu zawierającym wolne grupy tiolowe. Po
odmyciu peptydów nie związanych z fazą stacjonarną zredukowano wiązania –S-S- za pomocą DTT.
128
BioOrg 2015
Otrzymane peptydy były następnie analizowane z wykorzystaniem spektrometru Maldi-ToF/ToF oraz
układu LC-MS/MS, z czego jedynie analiza LC-MS dała istotne wyniki analizy porównawczej. W celu
potwierdzenia N-homocysteinylacji otrzymane peptydy poddano fragmentacji za pomocą spektrometru
mas Thermo QExactive z analizatorem typu Orbitrap.
Wyniki przeprowadzonych doświadczeń wykazały, że wykorzystanie złoża z grupami tiolowymi
istotnie zwiększa ilość identyfikowanych peptydów modyfikowanych tiolaktonem homocysteiny.
Potwierdza
to
aplikacyjne
zastosowanie
użytego
złoża
w
oczyszczaniu
i
selekcji
N-homocysteinylowanych peptydów pochodzących z białek występujących w osoczu. Opisywana
metoda może być również wykorzystana jako pierwszy krok w dalszych badaniach struktury i
funkcji N-homocysteinylowanych białek.
Rysunek. 1 N-homocysteinylacja reszt lizynowych z wykorzystaniem Hcy- tiolaktonu
Rysunek. 2 Struktura, aktywacja i reakcja Thiopropyl Sepharose 6B z grupą tiolową
129
BioOrg 2015
Literatura:
[1] B.A. Maron i J. Loscalzo (2009) The treatment of hyperhomocysteinemia, Annu Rev Med 60:39–54
[2] H. Jalubowski (1999) Protein homocysteinylation: possible mechanism underlying pathological consequences of elevated
homocysteine levels, FASEB J 13(15):2277–2283
[3] H. Jakubowski (1997) Metabolism of homocysteine thiolactone in human cell cultures. Possible mechanism for
pathological consequences of elevated homocysteine levels, J Biol Chem 272(3):1935–1942
[4] E. Lonn, S. Yusuf, M.J. Arnold, P. Sheridan, J. Pogue, M. Micks, M.J. McQueen, J. Probstfield, G. Fodor, C. Held, J.
Genest (2006) Homocysteine lowering with folic acid and B vitamins in vascular disease N Engl J Med 354(15):1629-32
[5] S. Zoungas, B.P. McGrath, P. Branley, P.G. Kerr (2005) Cardiovascular morbidity and mortality in the Atherosclerosis
and Folic Acid Supplementation Trial (ASFAST) in chronic renal failure: a multicenter, randomized, controlled trial, J Am
Coll Cardiol 47(6):1108-16
130
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
BIOTRANSFORMACJE KASKADOWE ANDROSTENDIONU W WYBRANYCH
KULTURACH GRZYBÓW STRZĘPKOWYCH
Ewa Kozłowska*, Monika Dymarska, Edyta Kostrzewa-Susłow, Tomasz Janeczko
Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. C.K. Norwida 25,50-375 Wrocław
Androstendion (AD) (androst-4-en-3,17-dion) jest steroidem zaliczanym do grupy androstanu
z wiązaniem podwójnym pomiędzy 4 a 5 atomem węgla oraz dwiema grupami karbonylowymi
w pozycjach 3 oraz 17 (Rys. 1.). Związek ten jest naturalnie produkowany w organizmach ssaków przez
korę nadnerczy oraz w niewielkich ilościach przez jądra i jajniki. Androstendion ma niską aktywność
biologiczną (1/5 aktywności testosteronu) ale jest prekursorem bardziej aktywnego testosteronu
u mężczyzn oraz estradiolu i estronu u kobiet [1]. Pochodne AD zawierające grupy hydroksylowe
w pozycjach 6β oraz 14α są inhibitorami aromatazy i znalazły zastosowanie w leczeniu
hormonozależnych nowotworów piersi, macicy oraz pęcherza moczowego [2].
O
H
H
H
O
Rysunek 1. Androstendion
14-α-hydroksyandrostendion
(14-α-OH-AD)
uzyskano
w
wyniku
biotransformacji
androstendionu przy użyciu kultury Chaetomium KCh 6651 opisanej w patencie nr 201922 [3].
W pracy wykorzystano 9 szczepów grzybów strzępkowych (Fusarium equiseti KCh 15,
Fusarium oxysporum KCh 21, Syncephalastrum racemosum KCh 105, Penicillium lilacinum AM 111,
Absida cylindospora KCh 336, Mucor spinosus KCh 398, Mucor hiemalis KCh 450, Aspergillus
ochraceus KCh 456, Chaetomium KCh 6651) oraz 3 szczepy drożdży (Rhodotorula rubra KCh 4,
Yarrowia lipolytica KCh 71, Rhodotorula glutinis KCh 242) pochodzących z kolekcji własnej Katedry
Chemii.
W ciągu 10 dniowej biotransformacji najwyższy stopień przereagowania substratu
zaobserwowano w kulturach szczepów: Syncephalastrum racemosum KCh 105, Absida cylindospora
KCh 336 oraz Mucor hiemalis KCh 450. Szczepy te wykorzystano do biotransformacji preparatywnej
wykorzystując po 100 mg 14-α-OH-AD.
131
BioOrg 2015
W wyniku biotransformacji szczepem Syncephalastrum racemosum KCh 105 otrzymano nowe
dihydroksypochodne androstendionu o nieznanym dotąd dla tej grupy związków steroidowych (C19)
położeniu grup hydroksylowych względem siebie - 14α,15β oraz 7α,14α (Rys. 2., Rys. 3.).
Rysunek 2. Struktura przestrzenna 14α,15β-dihydroksyandrostendionu wykonana za pomocą programu Chemsketch
14α,15β-dihydroksyandrostendion posiada grupy hydroksylowe przy sąsiednich atomach węgla,
lecz ich przestrzenne rozmieszczenie (pod i nad płaszczyzną pierścienia) umożliwia utworzenie trwałej
struktury.
Rysunek 3. Struktura przestrzenna 7α,14α-dihydroksyandrostendionu wykonana za pomocą programu Chemsketch
Usytuowanie grup hydroksylowych w 7α,14α-dihydroksyandrostendionie po jednej stronie
szkieletu steroidowego sprawia, że grupy te oddziałują między sobą. Tworzenie się wiązań wodorowych
pomiędzy atomem wodoru i tlenem sąsiedniej grupy hydroksylowej powoduje wygięcie pierścieni
A/B/C/D co powoduje, że przesunięcia chemiczne protonów nieznacznie odbiegają od opisanych dla
innych hydroksypochodnych opisanych w literaturze.
132
BioOrg 2015
Literatura:
[1]A. Malaviya, J. Gomes (2008). Androstenedione production by biotransformation of phytosterols, Bioresource Technology
99: 6725–6737
[2]T. Janeczko, N. Milecka, E. Kostrzewa-Susłow (2012) Przemysłowe znaczenie mikrobiologicznych hydroksylacji związków
steroidowych, Przemysł Chemiczny 91: 767-771
[3] T. Janeczko, J. Dmochowska-Gładysz. Sposób wytwarzania 14α-hydroksyandrost-4-en-3,17-dionu. P-378551 (Dec.
30.12.2008) Patent nr 201922
133
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
SYNTEZA I WŁAŚCIWOŚCI FOTODEGRADACYJNE BARWNIKÓW
SKWARYNOWYCH W ROZPUSZCZALNIKACH ORGANICZNYCH
Przemysław Kuchnicki1*, Urszula Kiełkowska1, Marta Ziegler-Borowska2, Dorota Chełminiak2
Anna Kaczmarek-Kędziera3
1
Zakład Technologii Chemicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7, 87-100 Toruń
Katedra Chemii i Fotochemii Polimerów, Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7, 87100 Toruń
3
Katedra Chemii Materiałów, Adsorpcji i Katalizy, Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul.
Gagarina 7, 87-100 Toruń
2
Barwniki skwarynowe stanowią ważną klasę funkcjonalnych związków chromoforowych,
wykazujących silną absorpcję w zakresie bliskiej podczerwieni i światła widzialnego oraz fluorescencję
w roztworach. Wyjątkowe właściwości chemiczne i fizyczne skwaryn determinowane są ich unikalną
strukturą elektronową typu donor-akceptor-donor, stabilizowaną rezonansowo za pomocą struktury
zwitterionu (Schemat 1) [1]. Ze względu na swoje właściwości, takie jak dobre fotoprzewodnictwo,
wysoką wydajność kwantową fluorescencji, czy intensywną absorpcję i emisję światłą, związki te
znajdują zastosowanie w licznych obszarach istotnych z punktu widzenia technologii. Wykorzystuje się
je jako aktywne materiały w ogniwach słonecznych, fotoprzewodniki,
tranzystory polowe,
fluoroscencyjne markery, czy fotosensybilizatory w terapii fotodynamicznej [2-4].
Rysunek 1. Stabilizowana rezonansowo struktura zwitterionu.
Synteza barwników skwarynowych bazuje na relatywnie prostych metodach, obejmujących
dikondensację związków bogatych w elektrony z 3,4-dihydroksy-3-cyklobuteno-1,2-dionem, tzw.
kwasem kwadratowym. Modyfikacja warunków prowadzenia reakcji pozwala na otrzymanie różnych
pochodnych
skwaryn:
1,3-dipodstawionych
symetrycznych
i
asymetrycznych
związków,
monopodstwaionych semiskwaryn, jak również poliskwaryn [5]. Syntezę symetrycznych pochodnych
134
BioOrg 2015
kwasu kwadratowego prowadzono z zastosowaniem równomolowych ilości substratów w mieszaninie
benzenu i n-butanolu (1:1). Zastosowanie węglowodoru aromatycznego pozwala na azeotropowe
usunięcie ze środowiska reakcji wody, powstającej w wyniku kondensacji. Otrzymano serię pochodnych
kwasu kwadratowego zawierających w swojej strukturze atom azotu.
Prezentowana praca koncentruje się na badaniu właściwości fotodegradacyjnych otrzymanych
barwników w rozpuszczalnikach organicznych. Roztwory zsyntetyzowanych skwaryn, takich jak 2,4-bis[4-(dimetyloamino)fenylo]cyklobutano-1,3-diol,
poddawano
promieniowania
barwników
UV.
Zmiany
w
strukturze
działaniu
kontrolowano
polichromatycznego
za
pomocą
metod
spektroskopowych. Rozpuszczalniki zostały dobrane pod względem wzrastającej stałej dielektrycznej:
chloroform, tetrahydrofuran, dimetylosulfotlenek, dimetyloformamid, etanol. Widoczny jest wpływ ich
właściwości na fotodegradację testowanych skwaryn. Na podstawie otrzymanych wyników można
zauważyć, że związki posiadające połączenie ugrupowania kwasu kwadratowego z atomami azotu
charakteryzują się dużo wyższą stabilnością fotochemiczną niż te, gdzie połączenie jest bezpośrednie
z pierścieniem aromatycznym.
Literatura:
[1] K.Y. Law (1993), Organic Photoconductive Materials: Recent Trends and Developments, Chemical Reviews 93:449-486
[2] Y. Hyodo, H. Nakazumi, S. Yagi (2002), Synthesis and light absorption/emission properties of novel squarylium dimers
bearing a ferrocene spacer, Dyes and Pigments 54:163–171
[3] A.L. Puyad, G.K. Chaitanya, Ch. Prabhakar, K. Bhanuprakash (2012), A comparative study of semi-squaraine and
squaraine dyes using computational techniques: tuning the charge transfer/biradicaloid character by substitution, Journal of
Molecular Modeling 19(1):275-87
[4]Y. Hyodo, H. Nakazumi, S. Yagi (2002), Synthesis and light absorption/emission properties of novel squarylium dimers
bearing a ferrocene spacer, Dyes and Pigments 54:163–171
[5] L. Beverina, P. Salice (2010), Squaraine compounds: tailored design and synthesis towards a variety of material science
applications, European Journal of Organic Chemistry 2010(7):1207-1225
135
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
OTRZYMYWANIE BIOLOGICZNIE CZYNNYCH FLAWONOIDÓW
NA DRODZE BIOTRANSFORMACJI
W WYBRANYCH KULTURACH GRZYBÓW STRZĘPKOWYCH
Sandra Sordon*, Jarosław Popłoński, Tomasz Tronina, Agnieszka Bartmańska, Ewa Huszcza
Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. C. K. Norwida 25, 50-375 Wrocław
Flawonoidy stanowią największą grupę polifenoli roślinnych. Mają istotny wpływ na wzrost
i rozwój rośliny [1]. Różnorodność flawonoidów roślin wynika nie tylko z występowania różnych
szkieletów tych związków, ale również z różnic w ich podstawieniu będących efektem hydroksylowania
oraz metylowania i acylowania grup hydroksylowych. Jedną z bardziej powszechnych modyfikacji jest
też glikozylacja [2].
Flawonoidy obecne w pożywieniu korzystnie wpływają na zdrowie człowieka. Związki te
posiadają m. in. aktywność przeciwutleniającą, przeciwbakteryjną, przeciwgrzybiczną, przeciwwirusową,
przeciwnowotworową, przeciwzapalną oraz przeciwalergiczną [3].
Z uwagi na wiele cennych właściwości biologicznych, flawonoidy są w ostatnim czasie
przedmiotem licznych badań z zakresu technologii żywności, biotechnologii, medycyny oraz farmacji.
Ograniczeniem w zastosowaniu wielu flawonoidów jest ich słaba rozpuszczalność w wodzie oraz krótki
czas przebywania w jelitach, co wpływa na ich niską absorpcję.
Jednym ze sposobów przezwyciężania tych niedogodności jest sprzęganie polifenoli roślinnych
z cząsteczkami cukrów [4]. Glikozydy flawonoidów lepiej rozpuszczają się w wodzie w porównaniu do
ich aglikonów. Na przykład 5-O-α-D-glukopiranozylo-(+)-katechina wykazuje co najmniej 40-krotnie
większą rozpuszczalność w wodzie niż jej aglikon, (+)-katechina. Niektóre glikozydy flawonoidów
charakteryzują się dodatkowo zwiększoną stabilnością termiczną w stosunku do ich aglikonowych form,
czego przykładem mogą być również wspomniane 4'-O-α-D-glukopiranozylo-(+)-katechina i jej aglikon,
katechina [5].
Przykładem chemicznej syntezy glukozydów flawonoidów możne być reakcja izoflawonów,
takich jak daidzeina, genisteina, formononetyna i biochanina A z α-tetraacetylobromoglukozą
w obecności bromku tetrabutyloamoniowego jako katalizatora, prowadząca do O-glukozydów
wspomnianych aglikonów [6].
Zastosowany w tej reakcji katalizator jest uciążliwy dla środowiska. Kolejną niedogodnością
chemicznej glikozylacji jest konieczność uprzedniego blokowania tych grup hydroksylowych, które nie
mają ulegać sprzęganiu z cząsteczką sacharydu.
136
BioOrg 2015
Alternatywą dla klasycznej syntezy chemicznej może być mikrobiologiczna transformacja
naturalnych flawonoidów. Procesy biotransformacji są przyjazne dla środowiska, zachodzą w łagodnych
warunkach i pozwalają na regio- i stereoselektywne modyfikacje substratów [7].
Mikrobiologiczna glikozylacja flawonoidów pozwala na poprawę rozpuszczalności w wodzie
związków bioaktywnych, przez co zwiększa możliwości szerszego wykorzystania tych związków.
Większa rozpuszczalność flawonoidów może poprawić ich wchłanianie w organizmie człowieka.
Ponadto glikozydy otrzymane na drodze mikrobiologicznej transformacji naturalnych flawonoidów
zachowują status związków naturalnych, stąd też będą mogły łatwiej znaleźć zastosowanie jako dodatki
do żywności, czy też jako składniki środków kosmetycznych oraz farmaceutyków.
W prezentowanych badaniach podjęto próby otrzymania glukozydów takich flawonoidów jak:
biochanina A i daidzeina na drodze biotransformacji w wybranych kulturach grzybów strzępkowych.
Literatura:
[1] G. Forkmann, S. Martens (2001) Metabolic engineering and applications of flavonoids, Current Opinion in Biotechnology
12:155–160
[2] T. Desmet, W. Soetaert, P. Bojarovā, W. Kr'en, L. Dijkhuizen, V. Eastwick-Field, A. Schiller (2012) Enzymatic
glycosylation of small molecules: challenging substrates require tailored catalysts, Chemistry a European Journal 18:1078610801
[3] A. Wang, F. Zhang, L. Huang, X. Yin, H. Li, Q. Wang, Z. Zeng, T. Xie (2010) New progress in biocatalysis and
biotransformation of flavonoid, Journal of Medicinal Plants Research. 4:847-856
[4] T. Tronina , A. Bartmańska, M. Milczarek, J. Wietrzyk, J. Popłoński, E. Rój, E. Huszcza (2013) Antioxidant and
antiproliferative activity of glycosides obtained by biotransformation of xanthohumol, Bioorganic and Medicinal Chemistry
Letters 23:1957-1960
[5] M. Ochiai, H. Fukami, M. Nakao, A. Noguchi (2010) Method of glycosylation of flavonoid compounds, United States
Patent Application Publication. Pub. No.: US 2010/0256345 A1
[6] P. Lewis, S. Kaltia, K. Wähälä (1998) The phase transfer catalysed synthesis of isoflavone-O-glucosides, Journal of the
Chemical Society, Perkin Transactions 1 2481-2484
[7] H. Cao, X. Chen, A.R. Jassbi, J. Xiao (2014) Microbial biotransformation of bioactive flavonoids, Biotechnology
Advances http://dx.doi.org/10.1016/j.biotechadv.2014.10.012
137
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
SYNTEZA TIOFOSFORANOWYCH ANALOGÓW
LIZOFOSFATYDYLOETANOLOAMINY (LPE)
Agata Sowińska*, Przemysław Rytczak, Andrzej Okruszek
Instytu Biochemii Technicznej, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 4/10, 90-924 Łódź
Lizofosfolipidy (LPL) to bioaktywne związki zawierające w swojej strukturze pojedynczą resztę
kwasu tłuszczowego przyłączoną do szkieletu fosfoglicerolowego. LPL znane są od dawna, jednak
zainteresowanie tą grupą związków wzrosło dopiero w ostatnim dwudziestoleciu, kiedy to stało się jasne,
że niektóre z nich są ważnymi cząsteczkami sygnałowymi. Poprzez specyficzne receptory membranowe
(receptory sprzężone z białkiem G, GPCR) LPL mogą regulować szereg procesów fizjologicznych
i patofizjologicznych takich, jak proliferacja, ruchliwość i zmiany elektrofizjologiczne komórek, choroby
immunologiczne, procesy nowotworzenia czy syndrom metaboliczny [1].
Lizofosfatydyloetanoloamina (LPE) jest lizofosfolipidem, w którego strukturze do grupy
fosforanowej przyłączona jest reszta etanoloaminy. W latach 90. ubiegłego wieku prowadzone były
liczne badania dotyczące wpływu LPE na rozwój roślin. Jednakże związek ten występuje również
w ludzkiej surowicy. Aktywność biologiczna surowiczej LPE oraz odpowiedzialne za nią mechanizmy
molekularne pozostają jak dotąd nieznane. Ostatnie doniesienia wykazują jednak wpływ LPE na proces
różnicowania neuronów oraz mobilizację wewnątrzkomórkowych jonów wapnia i migrację komórek
nowotworu jajnika. Lepsze zrozumienie roli LPE w regulacji procesów fizjologicznych wymaga dalszych
badań [2].
Dane literaturowe i wcześniejsze doświadczenia Zespołu w syntezie LPL świadczą o wpływie
struktury grupy acylowej na aktywność biologiczną lizofosfolipidów. W związku z tym postanowiliśmy
zsyntezować serię analogów lizofosfatydyloetanoloaminy zawierających ściśle zdefiniowane reszty
kwasu tłuszczowego (14:0, 16:0, 18:0, 18:1). W strukturę syntezowanych analogów wprowadzono także
dodatkowe modyfikacje w celu zwiększenia ich stabilności: jeden z atomów tlenu grupy fosforanowej
zastąpiono atomem siarki, a grupę hydroksylową w pozycji sn2 – grupą metoksylową.
Tiofosforanowe
analogi
lizofosfatydyloetanoloaminy
otrzymywane
były
metodą
oksatiafosfolanową, wykorzystywaną z powodzeniem w chemii nukleotydów. W tym celu zsyntezowane
uprzednio
poddawane
1-acylo-2-metoksyglicerole
były
reakcji
z 2-N,N-diizopropylamino-1,3,2-oksatiafosfolanem w obecności 5-etylotiotetrazolu, a następnie
usiarczaniu [3]. Tak otrzymane pochodne reagowano z etanoloaminą w obecności DBU, otrzymując
końcowy produkt w postaci zwitterjonu. Wszystkie opisane etapy prowadzone były w środowisku
bezwodnym.
138
BioOrg 2015
Syntezowane związki wykorzystane będą w badaniach biologicznych pod kątem aktywacji
kinazy ERK, uwalniania jonów wapnia oraz wpływu na migrację i proliferację komórek prawidłowych
oraz nowotworowych.
Badania finansowane z NCN, grant nr: 2011/01/B/ST5/0638.
Literatura:
[1] A. Drzazga, A. Sowińska, M. Koziołkiewicz (2014) Lysophosphatidylcholine and lysophosphatidylinosiol--novel
promissing signaling molecules and their possible therapeutic activity, Acta Poloniae Pharmaceutica - Drug Research
71: 887-899.
[2] S. Park, D. Im (2015) G protein-coupled receptors for lysophosphatidylethanolamine, Receptors & Clinical Investigation
2: 1-4.
[3] P. Rytczak, A. Drzazga, E. Gendaszewska-Darmach, A. Okruszek (2013) The chemical synthesis and cytotoxicity of new
sulfur analogues of 2-methoxy-lysophosphatidylcholine, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 23: 6794–6798.
139
BioOrg 2015
(KOMUNIKAT
SYNTEZA FLUOROWANYCH MONOSACHARYDÓW ORAZ ICH
ZASTOSOWANIE JAKO POTENCJALNE NOŚNIKI LEKÓW
Joanna Tomaszewska*, Henryk Koroniak
Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań
Reakcje chemii click są powszechnie stosowane w syntezach organicznych m. in. ze względu na
łatwo dostępne reagenty, łagodne warunki reakcji, trwałość oraz stabilność otrzymywanych produktów,
a także zadowalające wydajności reakcji [1]. Dzięki tym zaletom chemia click wpisuje się w zasady
zielonej chemii. Celem pracy jest synteza nowych bloków budulcowych kwasu hialuronowego, które
w swojej budowie posiadają 1,4-dipodstawiony pierścień 1,2,3-triazolowy oraz fluorowany łańcuch
alifatyczny. Heterocykliczne pierścienie triazolowe uważane są za bioizostery, mimetyki wiązań
peptydowych [2], a obecność atomów fluoru zwiększa lipofilowość cząsteczki. Kwas hialuronowy (HA)
znajduje szerokie zastosowanie w kosmetyce oraz medycynie. Badania wykazały, iż praktycznie
wszystkie ludzkie guzy nabłonkowe wykazują powinowactwo do HA, gdyż tkanki otoczone są zrębem
wzbogaconym w hialuronian [3,4].
Interesującym kierunkiem badań są reakcje click katalizowane jonami miedzi(I). Produkty
z 1,4-dipodstawionym pierścieniem 1,2,3-triazolowym otrzymano wykorzystując warunki SHARPLESSÀ
oraz MELDALÀ [5]. Reakcje monosacharydów z podjednostką propargilową oraz fluorowanymi
azydkami przeprowadzono w obecności jodku miedzi(I), natomiast reakcje pomiędzy monosacharydem z
grupą azydkową, a fluorowanymi eterami propargilowymi katalizowane były jonami miedzi(I)
otrzymywanymi in situ w wyniku redukcji CuSO4 przez askorbinian sodu (NaASC). Otrzymane produkty
zostały scharakteryzowane spektroskopowo.
W dalszym etapie badań przeprowadzone zostaną reakcje click z użyciem katalizatora
rutenowego oraz reakcje z innymi monosacharydami, a także syntezy disacharydów oraz wyższych
oligomerów. Otrzymane związki zostaną poddane badaniom biologicznym, aby sprawdzić ich
potencjalną aktywność biologiczną, a w przyszłości wykorzystać je jako nośniki leków np.
przeciwnowotworowych.
Literatura:
[1] P. Mucha, L. Celewicz, J. Barciszewski (2009) Zastosowanie reakcji „click” azydek-alkin do koniugacji biomolekuł Na
pograniczu chemii i biologii, Wyd. Nauk. UAM, t.22: 371-395.
[2] G.C. Tron, T. Pirali, R.A. Billington, P.L. Canonico, G. Sorba, A.A. Genazzani, Click Chemistry Reactions in Medicinal
Chemistry: Applications of the1,3-dipolar Cycloaddition Between Azides and Alkynes (2008) Med. Res. Rev., 28: 278-308.
140
BioOrg 2015
[3] B.P. Toole, T.N. Wight, M.I. Tammi, Hyaluronan-Cell Interactions in Cancer and Vascular Disease (2002) J. Bio. Chem.,
277: 4593–4596.
[4] M.S. Karbownik, J.Z. Nowak, Hialuronian w chorobach nowotworowych – patofizjologia i perspektywy farmakoterapii
(2011) J. Oncol., 61: 380-395.
[5] M. Meldal, C.W. Tornøe Cu-CatalyzedAzide-Alkyne Cycloaddition (2008) Chem. Rev., 108: 2952-3015.
141
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
ANALIZA POTENCJAŁU DYE DECOLOURISING PEROXIDASE TYPU B DYP1B (E C 1.11.1.19) Z PSEUDOMONAS FLUORESCENS PF-5 W PROCESIE
DEGRADACJI LIGNINY
Agata Wasak*, Radosław Drozd
al. Piastów 17, 70-310 Szczecin
Przemysłowa produkcja różnego rodzaju związków chemicznych takich jak polimery czy
dodatki do żywności, opiera się obecnie na przetwórstwie produktów przemysłu petrochemicznego [1].
Jednak ograniczona ilość ropy naftowej, a co za tym idzie wzrastające koszty jej wydobycia, wymuszają
poszukiwanie nowych, odnawialnych źródeł substancji chemicznych. Innowacyjnym rozwiązaniem tego
problemu może okazać się wykorzystanie wiedzy z zakresu inżynierii metabolicznej do modyfikacji
naturalnych szlaków enzymatycznych mikroorganizmów w celu otrzymywania określonych produktów
z naturalnych i odnawialnych surowców.
Lignina jest naturalnym heteropolimerem zbudowanym z podjednostek fenylopropanowych
połączonych wiązaniami arylo-eterowymi i wiązaniami typu węgiel-węgiel (C-C) [2]. Razem z celulozą
i hemicelulozą jest jednym z głównych związków chemicznych budujących tkanki roślin, stanowiąc od
10-30% suchej masy ligninocelulozy [3].W ligninie zmagazynowane jest około 30% niekopalnych
zasobów węgla organicznego na Ziemi oraz ogromne ilości energii chemicznej [4]. Jako naturalny
polimer stanowi ona potencjalne, odnawialne i nie zależne od wahań ropy naftowej źródło
aromatycznych związków chemicznych m. in.: kwasów fenolowych [5]. Skomplikowana, budowa, duża
masa cząsteczkowa oraz nierozpuszczalność w wodzie, powodują że obecnie znane chemiczno - fizyczne
metody degradacji ligniny są mało specyficzne i wydajne. Alternatywą do tych technik jest zastosowanie
potencjału jakim dysponują różnego rodzaju mikroorganizmy produkujące enzymy biodegradujące
ligninę. Najnowsze badania wskazują na użyteczność w tych procesach m. in. bakterii glebowych np.
Pseudomonas fluorescens Pf-5 i Rhodococcus jostii RHA1, wytwarzających peroksydazy określane
mianem ang. dye-decolourising peroxidase (DyP) [3, 6, 7].
Celem badań była analiza potencjału peroksydazy DyP1B w procesie degradacji ligniny
pochodzącej z różnych źródeł oraz identyfikacja produktów jej rozkładu.
Gen dyp1b, odpowiedzialny za produkcję białka DyP1B pochodzący z Pseudomonas fluorescens
Pf-5 został wklonowany do plazmidu pET 151. Następnie peroksydazę DyP1B pozyskiwano z hodowli
rekombinowanej Escherichia coli. Enzym oczyszczano z zastosowaniem techniki IMAC (ang.
142
BioOrg 2015
Immobilized metal affinity chromatography) na złożu Ni Sepharose. Czystość preparatu enzymatycznego
określano za pomocą analizy elektroforetycznej SDS PAGE.
Oczyszczony enzym inkubowano z otrzymanymi różnymi metodami ekstrakcji i pochodzącymi
z różnych źródeł próbami ligniny. W doświadczeniu wykorzystano ligninę z drewna dębu, topoli,
eukaliptusa oraz z miskantu, pozyskane metodami ekstrakcji kwaśnej, alkalicznej lub z zastosowaniem
rozpuszczalników
organicznych.
Produkty
rozkładu
analizowanych
lignin
identyfikowano
z
wykorzystaniem LC MS (ang. Liquid chromatography–mass spektrometry), HPLC (ang. Highperformance liquid chromatography oraz MS-MS (ang. Tandem mass spektrometry).
Peroksydaza DyP1B wykazywała zróżnicowaną zdolność do rozkładu ligniny z drewna topoli
oraz eukaliptusa. Identyfikacja metodą LC MS produktów reakcji wskazała na obecność głównie kwasu
wanilinowego, alkoholu wanilinowego i kwasu ferulowego.
Wykorzystanie zdolności bakteryjnych peroksydaz w procesie utleniania ligniny, jest obiecującą
metodą pozwalającą na jej ukierunkowaną konwersję do funkcjonalnych związków aromatycznych.
Wysoka efektywność hodowli rekombinowanych bakterii i zoptymalizowanie szlaku rozkładu ligniny
z zastosowaniem ich enzymów, może okazać się w przyszłości wydajną technologią produkcji stosowaną
w przemyśle chemicznym i nie tylko.
Literatura:
[1] J. W. Lee, D. Na, J. M. Park, J. Lee, S. Choi, S. Y. Lee (2012) Systems metabolic engineering of micro-organisms for
natural and non-natural chemicals, Nat. Chem. Biol. 8, 536−546
[2] T. D. H. Bugg,* M. Ahmad, E. M. Hardiman, R. Rahmanpour (2011) Pathways for degradation of lignin in bacteria and
fungi, Nat. Prod. Rep.,28, 1883-1896
[3] T. D. H. Bugg, M. Ahmad, E. M. Hardiman, R. Singh (2011) The emerging role for bacteria in lignin degradation and bioproduct formation, Current Opinion in Biotechnology, 22:394–400
[4] A. Leonowicz, J. Rogalski, M. Wojtaś-Wasilewska, J. Luterek (1995) Lignin-distribution, biosynthesis, preparation and
structur, Biotechnologia (1)28: 158-178
[5] P. D. Sainsbury, E. M. Hardiman, M. Ahmad, H. Otani, N. Seghezzi, L. D. Eltis,‡,T. D. H. Bugg (2013) Breaking Down
Lignin to High-Value Chemicals: The Conversion of Lignocellulose to Vanillin in a Gene Deletion Mutant of Rhodococcus
jostii RHA1. ACS Chem. Biol., 8 (10), pp 2151–2156
[6] R. Rahmanpour, T. D.H. Bugg (2015) Characterisation of Dyp-type peroxidases from Pseudomonas fluorescens
Pf-5: Oxidation of Mn(II) and polymeric lignin by Dyp1B, Archives of Biochemistry and Biophysics 574, 93–98
[7] J. N. Roberts, R. Singh, J. C. Grigg, M. E. P. Murphy, T. D. H. Bugg, L. D. Eltis (2011) Characterization of DyeDecolorizing Peroxidases from Rhodococcus jostii RHA, Biochemistry, 50 (23), pp 5108–5119
143
BioOrg 2015
CHEMIA BIOORGANICZNA
POSTERY
144
BioOrg 2015
WYDZIELANIE ZWIĄZKÓW MAŁOCZĄSTECZKOWYCH Z ROZTWORÓW
POFERMENTACYJNYCH TECHNIKAMI MEMBRANOWYMI
Jerzy Antczak*, Mateusz Szczygiełda, Krystyna Prochaska
*
Produkcja biodiesla na całym świecie systematycznie rośnie, z roku na rok zwiększa się również
ilość odpadowego glicerolu, który jest jednym z głównych produktów ubocznych w procesie
otrzymywania biopaliwa [1]. Jednym ze sposobów utylizacji odpadowej gliceryny jest biotechnologiczna
konwersja
z
zastosowaniem
Dzięki
mikroorganizmów.
odpowiednio
wyselekcjonowanym
mikroorganizmom możliwe jest otrzymanie małocząsteczkowych związków organicznych stanowiących
użyteczne surowce przemysłu chemicznego [2].
Jednym z produktów biokonwersji glicerolu jest kwas bursztynowy, ważny surowiec w
przemyśle farmaceutycznym, spożywczym oraz do produkcji tworzyw sztucznych. W roztworach
pofermentacyjnych obok kwasu bursztynowego znajduje się wiele innych związków organicznych, jak
kwasy: mrówkowy, octowy, mlekowy, czy też sole mineralne i niewielkie ilości polialkoholi oraz
proteiny [3]. Jednym z najważniejszych i zazwyczaj najdroższych etapów otrzymywania kwasu
bursztynowego
poprzez
pofermentacyjnego
od
biokonwersję
glicerolu
jest
pozostałych
składników.
jego
Spośród
selektywne
wydzielenie
dostępnych
z
technik
płynu
separacji
małocząsteczkowych związków organicznych z brzeczek pofermentacyjnych istotne znaczenie
odgrywają techniki membranowe, zarówno ciśnieniowe, jak i prądowe [4, 5].
Celem badań przedstawionych w niniejszej pracy było sprawdzenie przydatności nanofiltracji
(NF) z membraną polimerową oraz elektrodializy z membraną bipolarną (EDBM) do selektywnego
wydzielania i zatężania kwasu bursztynowego z wieloskładnikowych roztworów wodnych stanowiących
modelowe oraz rzeczywiste roztwory pofermentacyjne. W badaniach analizowano wpływ składu i
stężenia składników separowanego roztworu na wydajność i efektywność procesu NF, a także wpływ
składu i stężenia składników roztworu oraz gęstości prądu na wydajność i efektywność procesu EDBM.
Separację i zatężanie soli kwasu bursztynowego prowadzono na module OSMONICS
wyposażonym w płaską membranę polimerową SelRO MPF-34 firmy STERLITECH (USA) o granicznej
masie molowej (MWCO) cut-off 200 Da, powierzchni aktywnej (A) 155 cm2 i współczynniku
przepuszczalności hydrodynamicznej równym 0,021 L/m2∙h∙MPa. Procesy NF prowadzono w
temperaturze 25 ± 1 °C, przy ciśnieniu transmembranowym (TMP) równym 1,6 MPa.
Miarą wydajności procesu NF jest gęstość strumienia permeatu J (1):
J=V/(A·t)·10-2
145
(1)
BioOrg 2015
gdzie: V - objętość [dm3], A – powierzchnia aktywna [m2], t – czas [s]
Natomiast efektywność procesu NF określa stopień retencji składników roztworów R (2):
R=(1-Cp/C0)·100%
(2)
gdzie: Cp – stężenie separowanego składnika w permeacie [g/dm3], C0 – stężenie separowanego składnika
w nadawie [g/dm3].
Procesy EDBM prowadzono w trój-komorowym elektrodializerze podłączonym do pompy
perystaltycznej (Verder), wyposażonym w stos elektrodialityczny z dwoma membranami produkcji
PCCell GmbH (Francja) o łącznej powierzchni aktywnej 64 cm2: membraną anionowymienną PC 200D,
zalecaną do separowania dikarboksylowych kwasów organicznych oraz membraną bipolarną PC 200bip.
Stopień odsolenia (ƞ ods) w komorze dializatu zdefiniowano jako:
ƞ ods
(1-Ctdial/C0dial)·100%
=
(3)
gdzie: Ctdial - stężenie kwasu w dializacie po czasie t [g/dm3], C0dial - stężenie wyjściowe kwasu w
dializacie [g/dm3].
Wydajność prądową (Wp) wyliczano ze wzoru (4):
Wp = F·z·V·ΔCdial /n·I·∆t
(4)
gdzie: F – stała Faradaya (96485) [C/mol]; z - wartościowość jonów, V – objętość dializatu [dm3]; ΔCdial
– różnica stężeń w dializacie [mol], n – liczba celi, I – natężenie prądu [A], Δt – czas [s].
Do przygotowania roztworów syntetycznych brzeczek stosowano: kwas bursztynowy (Burszt),
glicerol (Glic), kwas mrówkowy (Mrów), kwas mlekowy (Mlek), kwas octowy (Oct), etanol (EtOH) oraz
laktozę (Lakt). Wszystkie odczynniki zostały dostarczone przez firmę Sigma-Aldrich. Do przygotowania
roztworów używano wodę dejonizowaną o przewodnictwie ≤ 3 µS. pH roztworów roboczych wynosiło
8,5. Do alkalizacji roztworu stosowano wodorotlenek sodu (POCh). Skład badanych roztworów
przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Skład separowanych roztworów
Roztwór
3
C [g/dm ]
Burszt
Glic
Mrów
Mlek
Oct
EtOH
Lakt
R-r 1
3,64
-
-
-
-
-
-
R-r 2
3,64
1,77
-
-
-
-
-
Synt I
3,64
1,77
1,2
0,85
1,22
0,75
0,13
Synt II
36,4
17,86
11,98
8,52
12,25
7,52
1,27
Brzeczka I
3,64
1,77
1,2
0,85
1,22
0,75
0,13
Brzeczka II
36,4
17,86
11,98
8,52
12,25
7,52
1,27
Kwasy dikarboksylowe są słabymi kwasami, co oznacza, że w środowisku o pH < pKa występują
w postaci niezdysocjowanych cząsteczek. Transport cząsteczek przez membrany NF oparty jest na dwóch
mechanizmach: sitowym (I) oraz oddziaływaniu elektrostatycznym pomiędzy jonami a powierzchnią
146
BioOrg 2015
aktywną membrany (II). Mając na uwadze, że masa molowa cząsteczek kwasu bursztynowego jest dużo
mniejsza niż MWCO stosowanej membrany NF, założono, że w analizowanym procesie NF główną rolę
odgrywa mechanizm II. Dlatego też pH filtrowanych roztworów ustalano na 8,5, tj. powyżej pKa2 kwasu
bursztynowego.
Tabela 2. Strumień permeatu r-ru po 1 h procesu NF oraz wody przed procesem i po procesie
Strumień [dm3/(m2∙s)∙10-2]
R-r 1
R-r 2
Synt I
Synt II
Brzeczka I
Brzeczka II
H2O przed NF
4,32
4,32
4,31
4,32
4,32
4,3
Roztwór
3,84
3,49
3,12
1,19
2,17
0,77
H2O po NF
4,32
4,32
4,3
4,31
4,32
4,09
Tabela 2 przedstawiająca wartości strumieni permeatów separowanych roztworów po 1 h
prowadzenia procesu NF oraz strumieni wody przed procesem i po procesie wskazuje na znaczny wpływ
składu filtrowanego roztworu na wydajność procesu NF. Wraz ze wzrostem zarówno ilości, jak i stężenia
składników w separowanym roztworze następuje drastyczny spadek wartości strumienia permeatu.
Strumień roztworu Synt II o składzie najbardziej zbliżonym do rzeczywistej brzeczki pofermentacyjnej,
jak również strumień Brzeczki II, są ponad czterokrotnie mniejsze niż wartości strumieni wody
dejonizowanej. Świadczy to o dużym oporze transportu masy przez membranę, spowodowanym
zanieczyszczeniem oraz polaryzacją stężeniową. Strumienie wody przed procesem i po procesie NF
utrzymują się na podobnym poziomie, co oznacza że powstająca podczas procesu warstwa
zanieczyszczeń jest nietrwała i membrany można całkowicie oczyścić.
Tabela 3. Stopień retencji składników separowanych roztworów po 1 h procesu NF
Roztwór
R [%]
Burszt
Glic
Mrów
Mlek
Oct
EtOH
Lakt
R-r 1
96,14
-
-
-
-
-
-
R-r 2
97,24
5,08
-
-
-
-
-
Synt I
99,1
4,13
0
7,5
2,5
0
0
Synt II
94,12
3,8
0,5
3,48
3,6
0
0
Brzeczka I
93,3
4,12
1,7
6,8
3,1
0
0
Brzeczka II
81,6
11,7
0
44,5
19,4
0
0
Analizując stopień retencji poszczególnych składników separowanych roztworów (tabela 3) widać, że we
wszystkich przebadanych układach, za wyjątkiem Brzeczki II, stopień zatrzymania soli kwasu
bursztynowego przekracza 90%, natomiast retencja pozostałych składników jest niewielka. Różnice
pomiędzy wartościami retencji poszczególnych jonów kwasów karboksylowych wynikają z ich
wartościowości. Ze względu na to, że kwas bursztynowy jest dwuprotonowy, wykazuje silniejsze
oddziaływania elektrostatyczne z powierzchnią aktywną membrany niż pozostałe kwasy jednoprotonowe.
Ponadto, wraz ze wzrostem ilości składników w roztworze, retencja bursztynianów nieznacznie wzrasta.
Niezależnie od składu separowanego roztworu retencja glicerolu (Glic) nie przekracza kilku %, co
147
BioOrg 2015
oznacza, że w procesie NF możliwe jest skuteczne odseparowanie produktów biokonwersji od
wyjściowego glicerolu.
148
BioOrg 2015
Tabela 4. Parametry charakteryzujące proces EDBM
η
i
Roztwór
zat
2
ΔC
dil
3
Wp
[%]
[A/m ]
[%]
50
36,7
[g/dm ]
1,32
90
38
1,5
37
130
46,7
1,68
32
90
37
1,36
34
90
33
0,99
30
130
40,7
1,48
27
Synt II
90
0,3
0,1
2,4
Brzeczka I
90
37
1,36
34
R-r 1
R-r 2
Synt I
62
Przeprowadzono również badania separacji i zatężania soli kwasu bursztynowego, jak również
możliwości konwersji jonów bursztynianowych do kwasu bursztynowego techniką EDBM. W tabeli 4
przedstawiono parametry charakteryzujące wydajność oraz efektywność procesów EDBM. Tak jak
zakładano, transport jonów bursztynianowych przez membranę anionowymienną jest największy przy
dużej gęstości prądu, stopień odsolenia przekracza 46%. Jednak wzrost wartości natężenia prądu, przy
której prowadzona jest elektrodializa skutkuje znacznym spadkiem wydajności procesu. Wraz ze
wzrostem ilości składników w roztworze stopień odsolenia nieznacznie maleje, natomiast 10-krotny
wzrost stężenia składników roztworu (Synt II) całkowicie uniemożliwia efektywne przeprowadzenie
procesu EDBM.
Proces NF można z powodzeniem stosować do zatężania soli kwasu bursztynowego oraz
częściowego odseparowania kwasu od wyjściowego glicerolu. Technika EDBM może być wykorzystana
do zatężania kwasu bursztynowego i odseparowania go od pozostałych składników płynu
pofermentacyjnego, jednak efektywny przebieg EDBM nie jest możliwy dla roztworów o bardzo dużym
stężeniu zawartych w nich substancji.
Literatura:
[1] Międzynarodowy Rynek Biopaliw Stan i Perspektywy, Fundacja Programów dla Rolnictwa FAPA Warszawa, grudzień,
2008
[2] A. Melcer, E. Klugmann - Radziemska, K. Ciunel (2011) Zagospodarowanie fazy glicerynowej z produkcji biopaliw,
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska 1(1)
[3] B. Erickson, J.E. Nelson, P. Winters (2012) Perspective on opportunities in industrial biotechnology in renewable
chemicals, Biotechnol. J. 7:176-185
[4] J.-H. Choi, K. Fukushi, K. Yamamoto (2008) A study on the removal of organic acids from wastewaters using
nanofiltration membranes, Sep. Purif. Technol. 59:17-25
[5] L. Fu, X. Gao, Y. Yang, F. Aiyong, H. Hao, C. Gao (2014) Preparation of succinic acid by bipolar membrane
electrodialysis, Sep Purif Technol 127:212-218
149
BioOrg 2015
GNOJOWICA – NOWE ŹRÓDŁO IZOLACJI PROMIENIOWCÓW O DUŻYM
POTENCJALE BIOTECHNOLOGICZNYM
Adrian Augustyniak*, Paweł Nawrotek
Katedra Immunologii, Mikrobiologii i Chemii Fizjologicznej, Wydział Biotechnologii i Hodowli Zwierząt, Zachodniopomorski
Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, al. Piastów 17, 70-310 Szczecin
Od czasu pierwszej izolacji dokonanej przez Otto Hartza w 1887 roku, promieniowce odegrały
znaczącą rolę w rozwoju mikrobiologii i biotechnologii stosowanej. Poza nielicznymi gatunkami
wywołującymi choroby (np. Actinomyces israeli), liczne są producentami aktywnych metabolitów
wtórnych, takich jak antybiotyki, enzymy i barwniki. Wśród nich na największą uwagę zasługują
przedstawiciele rodzaju Streptomyces, którzy wytwarzają blisko dwie trzecie wszystkich znanych
antybiotyków [1, 2]. Ponadto, bakterie te mają istotne znaczenie dla środowiska naturalnego aktywnie
uczestnicząc w rozkładzie ksenobiotyków, takich jak: węglowodory alifatyczne i aromatyczne, w tym
wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, m.in. naftalen, fenantren i inne [3, 4]. Mimo wielu lat
badań, wciąż istnieje potrzeba odkrywania nowych szczepów z tego rodzaju, zwłaszcza tych o wysokim
potencjale biotechnologicznym. W celu ich pozyskania przeszukuje się liczne środowiska
charakteryzujące się dużym zróżnicowaniem pod względem zawartości składników odżywczych,
warunków pH, bądź składu mikroflory. W tym kontekście wymienia się też środowiska ekstremalne, np.
o dużym zasoleniu, a także osady denne rzek, jezior i mórz [1]. Przykładem interesującego, bardzo
złożonego środowiska może być również gnojowica, która ze względu na sposób powstawania łączy w
sobie zarówno bioróżnorodność mikrobiomów jelita, jak i gleby czy wody [5]. Stwarza to unikalną
możliwość aranżowania interakcji pomiędzy występującymi w niej mikroorganizmami, znajdujących
odzwierciedlenie, np. w procesie horyzontalnego transferu genów, umożliwiającym nabywanie cech,
które mogą promować wzrost szczepów wykazujących wysoki potencjał biotechnologiczny [2, 6].
Dlatego celem prezentowanej pracy było wykazanie czy gnojowica świńska może stanowić nowe,
efektywne źródło izolacji użytecznych promieniowców z rodzaju Streptomyces. Materiał badawczy
stanowiła gnojowica świńska pozyskana z jednej z farm zlokalizowanych na terenie województwa
zachodniopomorskiego oraz wyosobnione z niej szczepy promieniowców. Izolacji dokonywano poprzez
rozcieńczenie gnojowicy metodą rozcieńczeń seryjnych, a następnie wysianie metodą powierzchniową po
100 µL przygotowanych zawiesin na podłoża mineralne (Starch Casein agar) i ogólnowzrostowe
(Tryptone Soy agar). Po pięciu dniach hodowli w temperaturze pokojowej selekcjonowano kolonie
bakteryjne o cechach morfologicznych charakterystycznych dla promieniowców Streptomyces spp. i
przesiewano redukcyjnie w celu wyizolowania w czystej hodowli. Dodatkowo bakterie analizowano w
preparatach mikroskopowych, a także pod kątem wybranych właściwości metabolicznych, w tym
150
BioOrg 2015
zdolności amylo- i proteolitycznych oraz aktywności przeciwdrobnoustrojowej, w celu wstępnej oceny
ich
potencjału
biotechnologicznego.
Łącznie
wyizolowano
dziewięć
szczepów
o
cechach
morfologicznych Streptomyces spp. charakteryzujących się dużym zróżnicowaniem, co wskazuje na fakt,
iż gnojowica stanowi bogate i ważne źródło tych mikroorganizmów. Wymagane są dalsze badania, które
pozwolą na szczegółowe określenie przydatności wyizolowanych bakterii do celów biotechnologicznych.
Literatura:
[1] J. Solecka, J. Ziemska, A. Rajnisz, A. Laskowska, A. Guśpiel (2013) Promieniowce – występowanie i wytwarzanie
związków biologicznie czynnych, Postępy Mikrobiologii 52(1):83–91
[2] D.A. Hopwood (2006) Soil To Genomics: The Streptomyces Chromosome, Annual Review of Genetics 40:1–23
[3] C. Balachandran, V. Duraipandiyan, K. Balakrishna, S. Ignacimuthu (2012) Petroleum and polycyclic aromatic
hydrocarbons (PAHs) degradation and naphtalene metabolism in Streptomyces sp. (ERI-CPDA-1) isolated from oil
contaminated soil, Bioresource Technology 112:83‒ 90
[4] F.Z. Ferradji, S. Mnif, A. Badis, S. Rebbani, D. Fodil, K. Eddouaouda, S. Sayadi (2014) Naphthalene and crude oil
degradation by biosurfactant producing Streptomyces spp. isolated from Mitidja plain soil (North of Algeria), International
Biodeterioration & Biodegradation 86:300‒ 308
[5] A. Pruden, J. Larsson, A. Amézquita, P. Collignon, K.K. Brandt, D.W. Graham, J.M. Lazorchak, S. Suzuki, P. Silley, J.R.
Snape, E. Topp, T. Zhang, Y. Zhu (2013) Management Options for Reducing the Release of Antibiotics and Antibiotic
Resistance Genes to the Environment, Environmental Health Perspectives, 121:878‒ 885
[6] Y. Fan, L.S. Mei, H.H. Ling, C. Ping (2014) Heavy Metal and Antibiotic Resistance in Bacteria Isolated from the
Environment of Swine Farms, Journal of Chemical Society of Pakistan, 36:360‒ 364
151
BioOrg 2015
CZWARTORZĘDOWE SOLE TROPINIOWE: SYNTEZA I WSTĘPNA OCENA
TOKSYCZNOŚCI
Agnieszka Biedziak1, Anna Parus1*, Alicja Szulc1, Agnieszka Zgoła-Grześkowiak2, Grzegorz Framski3
1
2
3
Instytut Chemii Bioorganicznej, Polska Akademia Nauk, ul. Z. Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań
Czwartorzędowe sole tropiniowe stanowią nową grupę surfaktantów, których zastosowanie
upatrywane jest jako potencjalne czynniki przeciwdrobnoustrojowe w stosunku do patogenów roślinnych,
zwierzęcych oraz ludzkich. Tropina oraz alkaloidy tropanowe są czynnikami dobrze poznanymi
i stosowanymi w medycynie. Z kolei w literaturze dotychczas opisano czwartorzędowe sole tropiniowe
jedynie z alkilowym łańcuchem zawierającym od 12 do 16 atomów węgla. Związki te wykazują dużą
aktywność w stosunku do drożdży Saccharomyces cerevisae oraz Candida albicans [1, 2].
Celem pracy było otrzymanie szeregu czwartorzędowych soli tropiniowych zawierających
zarówno łańcuch alkilowy od 12 do 18 atomów węgla, a także grupę estrową oraz benzylową. A
następnie ocena ich toksyczności w stosunku do wybranego konsorcjum bakteryjnego oraz wstępna
ocena biodegradacji tych związków.
Czwartorzędowe sole tropiniowe otrzymano w wyniku działania bromku alkilowego,
bromooctanu etylu lub bromku benzylu na tropinę (rysunek 1.). Jako rozpuszczalnik zastosowano aceton.
Mieszaninę reakcyjną ogrzewano w temperaturze wrzenia rozpuszczalnika od 1 do 5 dni. Syntezę
prowadzono w atmosferze gazu obojętnego, którym był argon. Przebieg reakcji kontrolowano za pomocą
chromatografii cienkowarstwowej (TLC). Struktury związków zostały potwierdzone metodami
spektroskopowymi (1H NMR i
13
C NMR). Widma te wykonane zostały w Instytucie Chemii
Bioorganicznej Polskiej Akademii Nauk w Poznaniu na spektrometrze NMR firmy Bruker dla
częstotliwości 400 MHz dla widm protonowych i 100 MHz dla widm węglowych.
Rysunek 1. Schemat syntezy czwartorzędowych soli tropiniowych
152
BioOrg 2015
Tabela 1. Właściwości fizykochemiczne otrzymanych czwartorzędowych soli tropiniowych
Wydajność
[%]
Stan
skupienia
Temperatura
topnienia
[°C]
Skrót
bromek N-metylo,
N-octanoetylotropiniowy
63
ciało
stałe
195
QST
Ethy
bromek N-benzylo,Nmetylotropiniowy
64
ciało
stałe
243-245
QST
Benz
79
ciało
stałe
228-229
QST
C12
81
ciało
stałe
244-245
QST
C14
83
ciało
stałe
241-242
QST
C16
76
ciało
stałe
238-239
QST
C18
Związek
Struktura
bromek
N-dodekano,Nmetylotropiniowy
bromek
N-metylo,
N-tetradekanotropiniowy
bromek
N-heksadecylo,Nmetylotropiniowy
bromek N-metylo,Noktadecylotropiniowy
W następnym etapie badań określono toksyczność związków w stosunku do wybranego
konsorcjum bakteryjnego. Toksyczność względem mikroorganizmów została określona na podstawie
badań gęstości optycznej (OD 600). Stosowane konsorcjum bakteryjne składało się z następujących
szczepów: Pseudomonas stutzeri, Alcaligenes xylosoxidans, Sphingobacterium sp., Comamonadaceae
bacterium, Nitrobacter freundii, Sphingobacterium kitahiroshimense i Pseudomonas sp. Z uzyskanych
153
BioOrg 2015
wyników obliczono szybkość wzrostu w odniesieniu do prób kontrolnych, co z kolei umożliwiło
wyznaczenie zahamowania wzrostu mikroorganizmów w obecności związku o znanym stężeniu.
Z otrzymanych danych wykreślono krzywe, z których następnie wyznaczono wartości EC 50 (Effective
Concentration), czyli
stężenia substancji potencjalnie toksycznej
wywołujące 50-procentowe
zahamowanie wzrostu mikroorganizmów.
W kolejnym etapie badań przeprowadzono 28 dniowe testy biodegradacyjne. W tym celu
założono hodowle płynne w butelkach szklanych o pojemności 250 ml. Przygotowano odpowiednią ilość
prób ślepych i właściwych, na podstawie których wyznaczono procent biodegradacji. Ślepa próba
wykonywana jest w takich samych warunkach przy użyciu takich samych odczynników, jak próby
właściwe, jednak nie zawiera analizowanego związku. Takie oznaczenie pozwala na ustalenie
i uwzględnienie wpływu stosowanych odczynników na wynik przeprowadzanego eksperymentu. Próby
właściwe zawierają znaną ilość analizowanego związku. Ubytek czwartorzędowych soli tropiniowych
oznaczany był metodą HPLC-MS/MS.
Podsumowując w wyniku reakcji czwartorzędowania otrzymano sześć pochodnych tropiny
z wysoką wydajnością (60-80%). Czwartorzędowe sole tropiniowe wykazują stosunkowo dużą
toksyczność w stosunku do analizowanego konsorcjum bakteryjnego (niskiej wartości EC50). Wysoka
rozpuszczalność tych związków w fazie wodnej i ich słaba podatność na biodegradację, czynią je
potencjalnie trwałym zanieczyszczeniem, co może mieć istotne konsekwencje dla środowiska.
Projekt został sfinansowany ze środków na działalność statutową nr 03/32/DSMK/0464 oraz
03/32/DSMK/0516.
Literatura:
[1] L. Corte, M. Tiecco, L. Roscini, R. Germani, G. Cardinali (2014) FTIR analysis of the metabolomic stress response
induced by N-alkyltropinium bromide surfactants in the yeasts Saccharomyces cerevisiae and Candida albicans, Colloids and
Surface B: Biointerfaces 11:761-771
[2] D.J. Couling, R.J. Beent, K.M. Docherty, J.K. Dixon, E.J. Maggin (2006) Assessing the factors responsible for ionic
liquids toxicity to aquatic organisms via quantitative structure-property relationship modeling, Green Chemistry 8:82-90
154
BioOrg 2015
BIODEGRADACJA MODELOWEGO HOMOGENICZNEGO
OKSYETYLENOWANEGO ALKOHOLU C12EO9 PRZEZ SZCZEP
BAKTERYJNY ENTEROBACTER SPP
Marta Bielawska*, Joanna Zembrzuska, Irena Budnik
Wydział Technologii Chemicznej, Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Zakład Chemii Ogólnej i Analitycznej;
Politechnika Poznańska ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań
Związki powierzchniowo czynne (ZPC) – surfaktanty, są to związki które mogą zmniejszać
napięcie powierzchniowe na granicy faz. Związki te są zbudowane z dwóch części: hydrofobowej
mającej powinowactwo do fazy niepolarnej oraz hydrofilowej posiadającej powinowactwo do fazy
polarnej. Najczęściej stosowaną klasyfikację ZPC, ze względu na budowę chemiczną, przestawiono na
Rysunku 1 [1].
Rysunek 1. Podział związków powierzchniowo czynnych ze względu na budowę cząsteczki [1]
Surfaktanty niejonowe stanowią już dwie trzecie światowej produkcji ZPC. Najczęściej używa
się oksyetylenowanych alkoholi (AE) [2]. Powstają one podczas kondensacji hydrofobowego łańcucha
alkilowego (alkoholi tłuszczowych) z grupą hydrofilową tlenku etylenu. Są szeroko stosowane
w przemyśle, ze względu na szybką biodegradację, stabilność w szerokim zakresie pH, a także dzięki
temu że możemy stosować je z twardą wodą. Biodegradacja tych związków polega na centralnym
rozszczepieniu, w którym to grupa hydrofilowa surfaktantu zostaje odłączona jako poli(glikole
etylenowe) (PEG) od grupy hydrofobowej (łańcucha alkilowego).
Stosunkowo niewielka liczba prac poświęcona jest biodegradacji niejonowych związków
powierzchniowo czynnych (NS), mimo że związki te są największym źródłem antropogenicznego,
organicznego węgla na powierzchni wody. Wiąże się to z tym, że stężenie NS rośnie w wodach rzek [3].
Dlatego tak ważne jest kontrolowanie biodegradacji NS w celu zapewnienia minimalnego ryzyka dla
środowisko [4].
155
BioOrg 2015
Pałeczki gram ujemne Enterobacter spp występują powszechnie w wodach, ściekach, glebach, a
także w przewodzie pokarmowym ludzi i zwierząt. Należą do mikroflory naniesionej, której źródłem
może być gleba, bądź ścieki [5]. Ze względu na swoje rozpowszechnienie są interesującymi
mikroorganizmami z punktu widzenia możliwości biodegradacyjnych NS. Testy biodegradacyjne
pozwalają ocenić podatność na biodegradację analizowanego związku, w tym przypadku modelowego
oksyetylenowanego alkoholu zawierającego 9 grup oksyetylenowych w cząsteczce (C12EO9).
Celem pracy było zbadanie stopnia biodegradacji modelowego homogenicznego niejonowego
surfaktantu C12EO9 przez gram ujemne bakterie Enterobaster spp. strain Z3 podczas testu statycznego.
Stopień biodegradacji oraz potencjalne jej mechanizmy kontrolowano techniką chromatografii cieczowej
sprzężonej z tandemową spektrometrią mas (LC-MS/MS).
Przeprowadzony test biodegradacyjny polegał na przygotowaniu odpowiedniej ilości prób
biodegradacyjnych, na podstawie których określono stopień rozkładu surfaktantu C 12EO9 i powstanie
ewentualnych metabolitów procesu biodegradacji. Szczep bakteryjny, przed testem biodegradacyjnym,
odpowiednio namnażano aż do uzyskania pożądanej objętości medium o odpowiednim stężeniu bakterii.
Jako medium do namnażania bakterii wykorzystano pożywkę wg. Schöberla [6], do której dodano
surfaktant (0,1 mg/L). Miało to na celu sprawdzenie, czy bakterie przystosowane do wykorzystania tego
źródła węgla będą szybciej biodegradowały surfaktant w czasie trwania testu.
W ramach prowadzonych badań przeprowadzono test statyczny z wykorzystaniem C 12EO9 jako
jedynego źródła węgla dla zaszczepki bakteryjnej Enterobacter spp. strain Z3. Test prowadzono
w warunkach pozwalających na odtworzenie naturalnych procesów zachodzących w wodzie rzecznej.
Przygotowane próby wytrząsano w temperaturze pokojowej przez 7 dni. Próbki pobierano na początku
testu, pierwszego, drugiego, czwartego i siódmego dnia trwania testu, następnie bezpośrednio po
pobraniu poddano je sekwencyjnej ekstrakcji ciecz- ciecz z wykorzystaniem octanu etylu i chloroformu
[7]. Po odparowaniu odpowiedniej ilości ekstraktów pozostałość poddano reakcji deprywatyzacji
derywatyzacji z izocyjanianem fenylu, w celu ilościowego oznaczenia glikoli etylenowych (EG1-EG5)
i oksyetylenowanych alkoholi (C12EO1-C12EO9) oraz wolnego alkoholu (C12OH) techniką LC-MS/MS.
Analiza wyników przedstawionych na wykresach (Rysunek 2) pozwala na wyciągnięcie
następujących wniosków. Bakterie w przypadku zastosowania surfaktantu C12EO9 jako jedynego źródła
węgla biodegradują go przez odcinanie jednej grupy oksyetylenowej. Świadczy o tym przyrost stężenia
C12EO8 w pierwszym dniu trwania testu (Rysunek 2A) jak również EG1 (Rysunek 2B). W pierwszym
dniu testu widoczne też jest zwiększenie stężenia oksyetylenowanych alkoholi zawierających 5, 6 i 7
grup
oksyetylenowych,
co
świadczy
o
„łańcuchowej”
biodegradacji
kolejnych
produktów.
Potwierdzeniem zachodzącego procesu biodegradacji jest też zwiększenie stężenia glikoli etylenowych w
początkowej fazie testu.
156
BioOrg 2015
Rysunek 2. Zmiana stężenia oksyetylenowanych alkoholi (A), glikoli etylenowych (B) oraz stopień biodegradacji w teście
biodegradacyjnym z zaszczepką Enterobacter spp. Strain Z3
W miarę upływu czasu obserwuje się spadek wyjściowego C12E9 oraz produktów jego
degradacji. W czwartym dniu testu stopień biodegradacji wyniósł 100%, co świadczy, iż bakterie szczepu
Enterobacter spp strain Z3 szybko przystosowały się do wykorzystania surfaktantu jako jedynego źródła
węgla. Wpływ na tak szybką biodegradację może mieć dodatek surfaktantu do medium, w którym
namnażano bakterie.
Badania zostały zrealizowane przy finansowym wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego,
projekt badawczy DS. PB 31-293/2015.
Literatura:
[1] R. Zieliński (2000) Surfaktanty. Towaroznawcze i ekologiczne aspekty ich stosowania, Wydawnictwo Akademii
Ekonomicznej w Poznaniu, Poznań
[2] CESIO Statistics, 2012 Cefic Sector Group, (strona internetowa)
http://www.cefic.org/Documents/Industry%20sectors/CESIO/CESIO-Statistics-2012.pdf. [10.05.2015].
[3] A. Szymański, B. Wyrwas, A. Jesiołowska, S. Kaźmierczak, T. Przybysz, J. Grodecka, Z. Łukaszewski, (2001) Surfactants
in the River Warta: 1990-2000. Polish Journal of Environmental Studies, 10:371-377
[4] A. Szymański, E. Bubień, T. Kurosz, A. Wolniewicz, Z. Łukaszewski (2002) Biodegradation of Fatty Alcohol Ethoxylates
under the Conditions of the Die-Away Test, Polish Journal of Environmental Studies, 11:429-433.
[5] I. Budnik, J. Zembrzuska, Z. Łukaszewski (2012) Biodegradacja oksyetylenowanych alkoholi przez szczep bakteryjny
wyselekcjonowany z wody rzecznej, w: Młodzi dla techniki, Politechnika Warszawska, Płock, 153-159.
[6] P. Schőberl (1991) Coupling the OECD confirmatory test with continuous ecotoxicity tests. Tenside Surf Det 28:6–14
[7] M. Frańska, R. Frański, A. Szymański, Z. Łukaszewski (2003) A central fission pathway in alkylphenol ethoxylate
biodegradation. Water Research 37:1005-1014
157
BioOrg 2015
PRÓBKOWANIE CHEMICZNE I PRZEWIDYWANIE STRUKTUR
PRZESTRZENYCH RNA
Marcin Biesiada1,2, Katarzyna Pachulska-Wieczorek1, Ryszard W. Adamiak2,3, Katarzyna J. Purzycka1
1
Zespół Struktury i Funkcji Retroelementów, Instytut Chemii Bioorganicznej, Polska Akademia Nauk, Noskowskiego 12/14,
61-704 Poznań,
2
Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska, Piotrowo 2, 60-965 Poznań.
3
Zespół Struktury i Funkcji RNA, Instytut Chemii Bioorganicznej, Polska Akademia Nauk, Noskowskiego 12/14, 61-704
Poznań
RNA – kwas rybonukleinowy jest biopolimerem złożonym z czterech różnych jednostek –
nukleotydów: adenozyny, cytozyny, guanozyny i urydyny. Centralny dogmat biologii molekularnej mówi
o tym, że RNA pełni funkcję nośnika informacji z DNA do białka, czyli jest matrycą w procesie
translacji. Jednak w komórce znajduje się wiele innych RNA pełniących bardzo ważne funkcje, np.
microRNA (miRNA), które regulują procesy biologiczne, czy rybozymy, które analogicznie do enzymów
białkowych są katalizatorami.
Wszystkie wyżej wymienione funkcje RNA są zależne od jego struktury. Poznanie struktury
RNA jest więc istotne dla zrozumienia jego funkcji. Jednakże z powodu tego, że cząsteczki RNA są duże
i labilne konformacyjnie, jednoznaczne określenie ich struktury przy pomocy jądrowego rezonansu
magnetycznego (NMR), czy metodami krystalograficznymi nie jest łatwe. Stąd na znaczeniu zyskują
programy do przewidywania struktur przestrzennych RNA. Jednak mają one pewne ograniczenia. Im
mniejsza cząsteczka i mniej złożona oraz im więcej homologów ta cząsteczka posiada, tym większe
prawdopodobieństwo przewidzenia prawidłowego modelu badanego RNA.
Programy komputerowe do przewidywania struktur przestrzennych RNA można podzielić na
dwie grupy. W pierwszej grupie znajdują się programy, do których wprowadzana jest jedynie sekwencja
RNA. Natomiast drugą grupę stanowią programy, które oprócz sekwencji wymagają podania struktury
drugorzędowej, czyli schematu parowania się poszczególnych nukleotydów. Największe znaczenie ma
druga grupa, zwłaszcza, gdy jest wsparta danymi otrzymanymi z eksperymentów próbkowania struktury,
zarówno na poziomie struktury 2D i 3D [1].
Metody pozwalające określić strukturę 2D RNA opierają się na różnicy między właściwościami
reszt nukleotydowych występujących w rejonach jednoniciowych, a tymi, które tworzą pary kanoniczne –
Watsona-Cricka. W próbkowaniu enzymatycznym, cząsteczki biologiczne – enzymy hydrolityczne np.
nukleaza S1 może rozszczepiać wiązanie fosfodiestrowe w regionach jednoniciowych. W próbkowaniu
chemicznym stosuje się różne odczynniki, które hydrolizują wiązanie fosfodiestrowe, np. Pb 2+ lub
modyfikują dostępne centra nukleozasad (nieuwikłane w parowanie typu Watsona-Cricka), np. ketoksal,
CMCT (1-cykloheksylo-(2-morfolinoetylo)karboimid), czy DMS (siarczan dimetylu). Najpopularniejszą
158
BioOrg 2015
metodą próbkowania RNA jest metoda SHAPE (Selective 2'-hydroxyl acylation analyzed by primer
extension) wykorzystująca reagenty, takie jak NMIA (bezwodnik kwasu 2-karboksyfenylo-Nmetylooctowego), czy 1M7 (kwasu 2-karboksy-(7-nitro)fenylo-N-metylooctowego), która w odróżnieniu
od pozostałych metod pozwala na określenie struktury 2D z dokładnością jednonukleotydową niezależnie
od rodzaju reszty nukleotydowej [2, 3].
Poza eksperymentalnymi metodami określania struktury 2D RNA, możliwe jest uzyskanie
informacji o oddziaływaniach dalekiego zasięgu. Eksperymenty typu mutate-and-map czy MOHCA
(multiplexed hydroxyl cleavage analysis) pozwalają na rozpoznanie reszt nukleotydowych znajdujących
się blisko w przestrzeni do mutowanej (mutate-and-map) czy zmodyfikowanej (MOHCA) reszty
nukleotydowej [4]. Natomiast analiza z wykorzystaniem rodników hydroksylowych identyfikuje rejony
RNA wyeksponowane do roztworu [2].
RNAComposer [5, 6] jest w pełni zautomatyzowanym serwerem do przewidywania struktury
przestrzennej RNA, który wymaga podania sekwencji oraz struktury drugorzędowej. Umożliwia on
budowanie modeli struktur w szerokim zakresie długości łańcucha nukleotydowego, otrzymywanych z
wysoką rozdzielczością i dokładnością. Modele przewidywane są w bardzo krótkim czasie.
Wykorzystanie RNAComposera w połączeniu z danymi uzyskanymi z badań eksperymentalnych
zwiększa dokładność określenia struktury przestrzennej RNA. Szczegółowa analiza struktury RNA
umożliwia głębszy wgląd w kluczowe procesy komórkowe oraz zrozumienie w jaki sposób reguluje ona
funkcje RNA.
Badania są finansowane przez NCN [2012/06/A/ST6/00384] oraz MNiSW [0492/IP1/2013/72].
Literatura:
[1] M. Magnus, D. Matelska, G. Lach, G. Chojnowski, M.J. Boniecki, E. Purta, W. Dawson, S. Dunin-Horkawicz, M.J.
Bujnicki (2014) Computational modeling of RNA 3D structures, with the aid of experimental restraints, RNA Biol. 11(5):52236
[2] K.M. Weeks (2010) Advances in RNA Secondary and Tertiary Structure Analysis by Chemical Probing, Curr. Opin. Struct.
Biol. 20(3): 295–304
[3] S. Lusvarghi, J. Sztuba-Solinska, K.J. Purzycka, J.W. Rausch, S.F.J. Le Grice (2013) RNA Secondary Structure Prediction
Using High-throughput SHAPE, J Vis Exp. (75):50243
[4] C.Y. Cheng, F.C. Chou, W. Kladwang, S. Tian, P. Cordero, R. Das (2015) Consistent global structures of complex RNA
states through multidimensional chemical mapping, eLife 4:e07600
[5] M. Popenda, M. Szachniuk, M. Antczak, K.J. Purzycka, P. Lukasiak, N. Bartol, J. Blazewicz, R.W. Adamiak. Automated
3D structure composition for large RNAs, Nucleic Acids Res. 40(14):e112.
[6] K.J. Purzycka, M. Popenda, M. Szachniuk, M. Antczak, P. Lukasiak, J. Blazewicz, R.W. Adamiak (2015) Automated 3D
RNA structure prediction using the RNAComposer method for riboswitches, Methods Enzymol. 553:3-34
159
BioOrg 2015
WPŁYW SAPONIN Z DZIEWANNY POSPOLITEJ NA BAKTERIE
ŚRODOWISKOWE
Magdalena Bigaj*, Marta Galikowska, Aleksandra Łabińska, Wojciech Smułek, Agata Zdarta,
Ewa Kaczorek
Zakład Chemii Organicznej, Instytut Inżynierii i Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4,
60-965 Poznań
Dziewanna (Verbascum) jest rośliną z rodziny trędownikowatych pochodzącą z północnozachodniej Azji. Występuje w Europie, Ameryce Północnej i w północnej części Afryki. Nie wymaga
szczególnych warunków glebowych ani klimatycznych. Rośnie na nieużytkach, na glebach jałowych,
piaszczystych i kamienistych oraz na skrajach lasów. W drugim roku wegetacji wytwarza pęd osiągający
1,5 m wzrostu. Liście są jajowate, skrętoległe, w całości pokryte puszystymi, srebrnymi włoskami.
W górnej części łodygi wyrastają korony kwiatowe – pięciopłatkowe, zrośnięte na dole, tworzące rurki
w kielichach. Kwiaty najczęściej są żółte (czasem białe, pomarańczowe, purpurowe lub niebieskie).
W suche i słoneczne dni zrywa się tylko te płatki, które się w pełni rozwinęły. Mają one przyjemny
miodowy zapach i słodkawy smak. W celach leczniczych zbiera się kwiaty, korony kwiatowe, czasem
owoce (nasiona). Zawierają one wiele cennych składników odżywczych. Należą do nich między innymi
saponiny, flawonoidy, związki śluzowe i karotenoidy [1].
Saponiny to nielotne, szeroko rozpowszechnione w przyrodzie naturalne związki powierzchniowo
czynne zaliczane do biosurfaktantów roślinnych [2]. Nazwa saponin pochodzi od łacińskiego słowa sapo
(mydło) – ponieważ dzięki połączeniu polarnych i niepolarnych elementów strukturalnych w swoich
cząsteczkach widocznym efektem działania saponin może być tworzenie się emulsji lub piany [3].
Biosurfaktanty wykazują wiele zalet w stosunku do surfaktantów chemicznych: cechuje je większa
biodegradowalność oraz bardzo niska toksyczność. Z tego powodu coraz częściej wykorzystywane są
w
wielu
gałęziach
przemysłu
np.
medycynie,
przemyśle
kosmetycznym,
spożywczym
i petrochemicznym [4], dlatego konieczne jest jak najlepsze poznanie ich właściwości.
Biosurfaktanty bardzo często stosowane są w układach z drobnoustrojami, aby zwiększyć
efektywność działania mikroorganizmów dzięki obniżeniu napięcia powierzchniowego cieczy.
Hydrofobowość powierzchni komórek bakteryjnych odgrywa decydujące znaczenie w oddziaływaniach
komórek z innymi powierzchniami. Surfaktanty mają zdolność do modyfikowania hydrofobowości
powierzchni komórek bakteryjnych w zależności od rodzaju środka powierzchniowo czynnego, jego
stężenia i właściwości powierzchniowych komórek [5].
Zrozumienie mechanizmów oddziaływań bakterii i biosurfaktantów, ich adsorpcji na granicy
faz, stanowić może podstawę do podjęcia racjonalnych strategii zastosowań takich układów na szerszą
160
BioOrg 2015
skalę. Docelowo badania układów biosurfaktant/mikroorganizmy mogą przyczynić się do zastąpienia
surfaktantów syntetycznych substancjami naturalnymi, przyjaznymi ludziom oraz środowisku.
Celem niniejszej pracy było zbadanie toksyczności ekstraktu z dziewanny dla mikroorganizmów
środowiskowych oraz analiza właściwości powierzchniowych układu biosurfaktant/mikroorganizmy. Do
badań wykorzystano ekstrakt z kwiatów dziewanny, w którym obecność saponin potwierdzono we
wcześniejszych badaniach. Przeprowadzono testy toksyczności badanego ekstraktu w różnych stężeniach
dla szczepów Pseudomonas mendocina i Acinetobacter genomospecies. Następnie przeanalizowano
hydrofobowość powierzchni komórek oraz potencjał zeta w hodowli bez dodatku ekstraktu z dziewanny
oraz z dodatkiem ekstraktu w stężeniach 0,2g/100mL, 0,5g/100mL i 1g/100mL.
Przeprowadzone badania wykazały, że nawet w dużym stężeniu ekstrakt nie był toksyczny dla
analizowanych szczepów bakterii, co umożliwia jego zastosowanie w układach badawczych oraz
przemysłowych z wykorzystaniem mikroorganizmów środowiskowych, gdzie może on zastępować
surfaktanty chemiczne. Przeprowadzone analizy właściwości powierzchniowych mikroorganizmów nie
wykazały znaczącego wpływu dodatku ekstraktu z dziewanny na hydrofobowość i potencjał zeta
powierzchni mikroorganizmów, jednak dla pełniejszego poznania wpływu biosurfaktantu na analizowane
szczepy niezbędne wydaje się przeanalizowanie wpływu ekstraktu z dziewanny na właściwości bakterii
w modelowym układzie przemysłowym, w którym biosurfaktanty mogłyby być zastosowane.
Badania zostały sfinansowane ze środków Rektora Politechniki Poznańskiej przyznanych dnia
29.04.2015.
Literatura:
[1] Geoff Burnie i wsp. (2005) Botanica. Rośliny ogrodowe, Wyd. Könemann. ISBN 3-8331-1916-0
[2] S. Böttger, E. Westhof, K. Siems, M. F. Melzig (2013) Structure–activity relationships of saponins enhancing the
cytotoxicity of ribosome–inactivating proteins type I (RIP–I), Toxicon 73:144–150
[3] J. P. Vincken, L. Heng, A. de Groot, H. Gruppen (2007) Saponins, classification and occurrence in the plant kingdom,
Phytochemistry 68:275–297
[4] M. Piotrowski, J. Lewandowska, K. Wojciechowski (2011) Biosurfaktanty jako zamienniki syntetycznych surfaktantów,
Inż. Ap. Chem. 50 (5):90-91
[5] E. Kaczorek, K. Sałek, U. Guzik, T. Jesionowski, Z. Cybulski (2013) Biodegradation of alkyl derivatives of aromatic
hydrocarbons and cell surface properties of a strain of Pseudomonas stutzeri, Chemosphere 90:471–478
161
BioOrg 2015
OZNACZANIE W ŚRODOWISKU ZWIĄZKÓW ZAKŁÓCAJĄCYCH
RÓWNOWAGĘ HORMONALNĄ
1
Beata Czarczyńska-Goślińska *, Agnieszka Zgoła-Grześkowiak2, Magdalena Jeszka-Skowron2
1
Uniwersytet Medyczny im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu, Katedra i Zakład Technologii Postaci Leku, ul. Grunwaldzka 6,
60-780 Poznań
2
Politechnika Poznańska, Zakład Chemii Ogólnej i Analitycznej, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań
W środowisku znajduje się ogromna ilość substancji stanowiących zagrożenie dla zdrowia
człowieka i innych żywych organizmów. Pewne grupy tych związków zakłócają funkcjonowanie
gruczołów dokrewnych i określane są jako EDCs (ang. endocrine-disrupting compounds). Zalicza się do
nich: polichlorowane bifenyle (PCBs), wielopierśceniowe węglowodory aromatyczne (WWA), niektóre
pestycydy, alkilofenole, parabeny, dioksyny, flawony, fitoestrogeny, niektóre metale ciężkie itp. [1, 2].
Związki tego typu wykazują zdolność do naśladowania endogennych estrogenów, zaburzania syntezy i
metabolizmu endogennych hormonów lub modulowania receptorów estrogenowych [3]. Zakłócenie
funkcjonowania gruczołów dokrewnych może prowadzić do zaburzeń reprodukcyjnych, w tym do
bezpłodności oraz potencjalnego zwiększenia zagrożenia powstawania raka.
Toksyczność związków endokrynnych powoduje zwrócenie szczególnej uwagi na metody ich
identyfikacji głównie ze względu na ochronę środowiska. Z tego względu wszystkie etapy oznaczania
tych związków, w tym: przygotowanie próbki, rozdzielanie i oznaczanie wybranych substancji
estrogenowych, stały się niezwykle istotne. Celem niniejszej pracy było oznaczanie wybranych
związków o działaniu endokrynnym z grup fenoli i parabenów w wodach powierzchniowych z obszaru
Wielkopolski.
Pobrano próbki wody z pięciu jezior oraz sześciu rzek. Próbki przefiltrowano i poddano
ekstrakcji do fazy stałej przy użyciu kolumienek ABS Elut-Nexus, 60 mg, 3 ml (kopolimer metakrylan
metylu-diwinylobenzen). Anality eluowano 2 ml acetonitrylu, odparowano do sucha, a pozostałość
rozpuszczono w 100 µl mieszaniny metanol : woda (4:1). Analizę tak przygotowanych próbek
przeprowadzono przy użyciu chromatografu cieczowego UltiMate 3000 (Dionex, USA) sprzężonego ze
spektrometrem mas API 4000 QTRAP (Applied Biosystems/MSD Sciex, USA). Rozdział
chromatograficzny przeprowadzono z użyciem kolumny Hypersil GOLD C18 100 mm
2,1 mm, 1.9 µm
(Thermo Scientific, USA), na którą nastrzykiwano 5 µl próbki. Kolumnę termostatowano w temperaturze
35ºC. Fazę ruchomą stanowiła mieszanina 5∙10-3 mol l-1 octanu amonu w wodzie (A) i metanol (B) o
przepływie 0,22 ml/min. Zastosowano elucję gradientową od 50% B do 80% B w 4 minuty, a następnie
do 95% B w 8 minucie i do 100% B w 10 minucie. Wybrane warunki oznaczania parabenów i
alkilofenoli techniką HPLC-MS/MS przedstawiono w tabeli 1. Przykładowy chromatogram mieszaniny
wzorcowej przedstawiono na rysunku 1.
162
BioOrg 2015
Tabela 1. Wybrane warunki oznaczania parabenów i alkilofenoli techniką HPLC-MS/MS
CE [V]a
-30
-30
-32
-35
-34
-35
-40
-32
-26
-29
-48
Związek
MRM 1 [m/z]
metyloparaben
151 → 92
etyloparaben
165 → 92
propyloparaben
179 → 92
butyloparaben
193 → 92
benzyloparaben
227 → 92
bisfenol-A
227 → 133
kumylofenol
211 → 195
4-tertoktylofenol
205 → 133
4-n- oktylofenol
205 → 106
4-n- nonylofenol
219 →106
nonylofenol
219 →133
a
CE (collision energy) – energia kolizji
XIC of -MRM (31 pairs): 151,0/92,0 Da ID: Metylparaben from Sample 3 (Wz ) of DataSPE.wiff (Turbo S
1,5e6
pray)
Max. 4,5e5 cps.
BP
BzP
1,4e6
CE [V]a
-25
-19
-21
-22
-21
-57
-33
-82
-52
-51
-42
MRM 2 [m/z]
151 → 136
165 → 136
179 → 136
193 → 136
227 → 136
227 → 93
211 → 133
205 → 117
205 → 119
219 → 119
219 → 119
1,3e6
1,2e6
1,1e6
1,0e6
Intens ity, cps
9,0e5
PP
8,0e5
7,0e5
6,0e5
EP
5,0e5
MP
BPA
4-NP
4,0e5
4-n-OP
3,0e5
4-CP
4-n-NP
4-t-OP
2,0e5
1,0e5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
Time, min
Rysunek 1. Chromatogram mieszaniny oznaczanych związków. MP – metyloparaben, EP – etyloparaben, PP –
propyloparaben, BP – butyloparaben, BzP – benzyloparaben, BPA – bisfenol A, 4-CP- kumylofenol, 4-t-OP – 4-tertoktylofenol, 4-NP – 4-nonylofenol, 4-n-OP – 4-n-oktylofenol, 4-n-NP- 4-n-nonylofenol
W próbkach wody wykryto 9 z 11 analizowanych związków. Najwyższe stężenia zanotowano
dla nonylofenolu (między 181 ng/l a 328,6 ng/l). Użycie tego związku zostało ograniczone zgodnie z
dyrektywą Unii Europejskiej [4] lecz stężenie oznaczone w badanych próbkach jest analogiczne, jak
oznaczone w polskich rzekach roku 2009 [5], co świadczy o tym, że dalsza redukcja zużycia
nonylofenolu nie nastąpiła. Stężenia 4-tert-oktylofenolu są również na podobnym poziomie do tych
zanotowanych w roku 2009 [5]. Dla parabenów brak danych literaturowych odnośnie ich obecności w
polskich wodach powierzchniowych. Niemniej jednak proporcje oznaczonych parabenów zgodne są z ich
użyciem, tj. najwięcej oznaczono metyloparabenu, a w drugiej kolejności etyloparabenu.
163
BioOrg 2015
Tabela 2. Zawartość oznaczanych związków w próbkach środowiskowych. MP – metyloparaben, EP – etyloparaben, PP –
propyloparaben, BP – butyloparaben, BzP – benzyloparaben, BPA – bisfenol A, 4-CP- kumylofenol, 4-t-OP – 4-tertoktylofenol, 4-NP – 4-nonylofenol, 4-n-OP – 4-n-oktylofenol, 4-n-NP- 4-n-nonylofenol.
Miejsce poboru próbki
Jezioro Lusowskie
Jezioro Pamiątkowskie
Jezioro Bnińskie
Jezioro Śremskie
Jezioro Bytyńskie
Samica Stęszewska Krosinko
Kanał Mosiński Mosina
Główna Janikowo
Sama Szamotuły
Główna Poznań
Warta Wiórek
Miejsce poboru próbki
Jezioro Lusowskie
Jezioro Pamiątkowskie
Jezioro Bnińskie
Jezioro Śremskie
Jezioro Bytyńskie
Samica Stęszewska Krosinko
Kanał Mosiński Mosina
Główna Janikowo
Sama Szamotuły
Główna Poznań
Warta Wiórek
a
nw – nie wykryto
MP
13,5±1,2
18,3±0,6
9,1±0,9
17,4±0,8
14,0±0,4
13,5±0,5
24,3±0,6
14,2±1,8
11,6±0,1
8,9±0,2
20,3±0,7
4-CP
nw
nw
nw
nw
nw
nw
nw
nw
nw
nw
nw
Stężenie parabenów ng/l±sd
EP
PP
BP
10,1±0,2
5,2±0,4
4,5±0,1
12,2±2
5,5±0,7
4,6±0,5
10,1±0,3
5,2±0,4
4,2±0,1
10,4±0,5
6,8±0,3
4,1±0,3
11,2±0,6
4,7±0,6
5,1±0,7
10,8±0,04
4,5±0,2
3,8±0,2
11,0±0,8
5,0±0,5
3,8±0,2
10,9±0,3
3,9±0,2
4,2±0,4
11,5±1,2
6,8±1
2,9±0,2
9,4±0,2
5,2±0,9
3,1±0,3
11,0±0,1
36,1±0,9
4,5±0,1
Stężenie fenoli ng/l±sd
4-NP
4-n-NP
4-t-OP
4-n-OP
198,8±24,2
Nw
31,4±0,7
5,3±0,4
231,4±5,7
Nw
56,8±1,5
nw
275,7±16,1
Nw
55,9±5,1
4,5±0,8
210,0±13,4
Nw
47,3±6,3
5,1±0,3
217,7±2,2
Nw
63,7±8,8
4,9±1,1
191,2±7,5
Nw
38,4±1,2
3,6±0,1
205,8±19
Nw
49,6±1,5
4,6±0,7
181,4±24,1
Nw
50,7±0,5
4,2±0,5
328,6±59,8
Nw
33,9±0,5
4,8±0,5
203,3±12,3
Nw
109,6±5,8
4,6±0,5
215,5±20,4
nw
51,1±0,3
5,2±0,02
BzP
0,8±0,05
1,0±0,2
0,7±0,07
0,7±0,1
1,1±0,04
0,8±0,1
2,2±0,03
0,8±0,1
0,8±0,1
0,7±0,03
0,7±0,02
BPA
6,9±0,7
4,6±0,9
12,4±1,5
11,1±1,5
21,1±1,8
7,9±0,1
20,8±1,6
8,0±0,2
16,7±1,7
20,9±1,5
22,7±0,3
Badania zostały zrealizowane przy finansowym wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa
Wyższego, projekt badawczy 03/31/DSPB/0296.
Literatura:
[1] A. Biłyk, G. Nowak-Piechota (2004) Synteza chemiczna 26:29-35
[2] D. Błędzka, J. Gromadzińska, W. Wąsowicz (2014) Environment Internationa 67:27-42
[3] A. Sobczak (2012) Medycyna Środowiskowa – Environmental Medicine 15:7-17
[4] Directive 2003/53/EC of the European Parliament and of the Council of 18 June 2003, amending for the 26th time Council
Directive 76/769/EEC relating to restrictions on the marketing and use of certain dangerous substances and preparations
(nonylphenol, nonylphenol ethoxylate and cement), Luxembourg 2003
[5] A. Zgoła-Grześkowiak, T. Grześkowiak, A. Szymański (2014) Przemysł Chemiczny 93:2170-2175
164
BioOrg 2015
LIPOSOMOWE NOŚNIKI ZWIĄZKÓW BIOAKTYWNYCH
Anna Bryła1*, Wojciech Juzwa2, Grażyna Lewandowicz2
1
2
Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, ul. Wojska Polskiego 48, 60-637
Poznań
Czarny bez (Sambucus nigra) jest powszechną rośliną występującą w regionach o klimacie od
umiarkowanego do subtropikalnego. Jest to krzew liściasty osiągający do 6 metrów wysokości, o białych
kwiatach i ciemnych, purpurowych jagodach [1, 2]. Bogactwo antyoksydantów, kwasów organicznych,
witamin, warunkuje rosnące zainteresowanie owocami
czarnego bzu ze strony przemysłu
farmaceutycznego i spożywczego, przy jednoczesnym wysokim zapotrzebowaniu na naturalne środki
lecznicze i żywność funkcjonalną [3]. Potencjalnymi przeszkodami w wykorzystaniu owoców z czarnego
bzu jako źródła związków bioaktywnych jest ich niepożądany, goryczkowy smak oraz obecność
cyjanogennych glikozydów [4, 5]. Dodatkowo, cenne związki bioaktywne są podatne na degradację w
skutek działania ciepła, obróbki mechanicznej, przetwarzania i przechowywania oraz mogą ulegać
interakcjom w matrycy produktu spożywczego [6]. Ponad to, część związków aktywnych, nie jest
efektywnie absorbowana z przewodu pokarmowego [7]. Jednak odpowiedni czas zbiorów i obróbka
termiczna minimalizują poziom związków toksycznych [8]. Rozwiązanie może stanowić kapsułkowanie
związków aktywnych [9, 10]. W literaturze opisano szereg metod mikrokapsułkowania bioaktywnych
składników [11, 12]. Jednak, nanokapsułkowanie zapewnia większą powierzchnię wymiany, wyższą
stabilność, minimalny wpływ na właściwości organoleptyczne produktu [7]. Liposomy są to pęcherzyki
zbudowane z dwuwarstwy fosfolipidowej. Ze względu na pełną biokompatybilność, dobre właściwości
barierowe, małe rozmiary i możliwość przenoszenia zarówno związków hydrofilowych jak
i lipofilowych, są one wykorzystywane jako nanonośniki [13, 14].
Liposomy po raz pierwszy otrzymano i opisano w 1965 roku [15]. Od tamtej pory opracowano
wiele metod wytwarzania liposomów, jednak pierwotna, uwadniania cienkiego filmu lipidowego jest
nadal najczęściej stosowana [16]. Ostateczny wybór metody wytwarzania pęcherzyków jest uzależniony
od ich zastosowania. Liposomy różnią się głownie rozmiarem (osiągają od 20 nm do > 1 µm średnicy)
oraz strukturą (ilość dwuwarstw fosfolipidowych). Dla podaży doustnej rozmiary rzędu 100-200 nm są
odpowiednie, jednak liczba dwuwarstw powinna być jak najniższa celem optymalizacji absorpcji z
przewodu pokarmowego [9, 10]. Dodatkowo, dla zastosowania w żywności, liposomy powinny być
wytwarzane z wykorzystaniem bezpiecznych, popularnych, stosunkowo tanich surowców. Fosfolipidy
ekstrahowane z naturalnych surowców pochodzenia roślinnego i zwierzęcego spełniają te kryteria [17].
Komercyjne preparaty lecytyn z różnych źródeł różnią się przede wszystkim zawartością
fosfatydylocholiny,
fosfatydyloinozytolu,
fosfatydyloetanolaminy
165
oraz
związków
pobocznych:
BioOrg 2015
tryacylogliceroli, steroli, wolnych kwasów tłuszczowych, co znacząco wpływa na właściwości
tworzonych z nich liposomów [18,19]. W zależności od składu wykorzystanej lecytyny, można
spodziewać się odmiennych populacji liposomów, w szczególności różniących się rozmiarami i strukturą.
Celem pracy było porównanie przydatności różnych lecytyn do nanokapsułkowania
bioaktywnych składników żywności.
W badaniach wykorzystano lecytyny z żółtka jaja kurzego, sojową oraz słonecznikową. Jako
przykład koncentratu związków bioaktywnych wykorzystano ekstrakt z owoców czarnego bzu. Liposomy
wytwarzano
metodą
uwadniania
cienkiego
filmu
lipidowego.
Pęcherzyki
oddzielano
od
niezakapsułkowanego ekstraktu z wykorzystaniem sączenia molekularnego. Populacje liposomów
oceniano pod kątem wydajności kapsułkowania, potencjału zeta oraz rozmiaru. Dodatkowo,
przeprowadzono analizę rozkładu rozmiaru i struktury pęcherzyków w populacjach z zastosowaniem
cytometrii przepływowej.
Wykazano, że wszystkie trzy z pośród badanych lecytyn nadają się do wytwarzania liposomów.
Jednak lecytyna sojowa warunkuje uzyskanie najbardziej stabilnego produktu, o najmniejszych
rozmiarach (205 nm). Populacja liposomów z lecytyny sojowej była najbardziej jednorodna pod
względem rozmiaru i struktury, a wydajność kapsułkowania uzyskano na poziomie 25%. Zastosowanie
lecytyn z żółtka jaja kurzego i słonecznika skutkuje znacząco wyższymi wartościami wydajności procesu.
Jednak otrzymane z powyższych surowców liposomy są mniej stabilne i wykazują większe
zróżnicowanie rozmiaru i struktury w odniesieniu do liposomów z lecytyny sojowej.
Literatura:
[1] D. Charlebois, P. L. Byers, C. E. Finn, L. A. Thomas (1995) Elderberry: Botany, Horticulture, Potential. Horticultural
Reviews, John Wiley &Sons Inc, USA, 17(4):213-280
[2] B. Kołodziejczak, K. Drożdżal (2011) Właściwości przeciwutleniające kwiatów i owoców bzu czarnego pozyskiwanego ze
stanu naturalnego, Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 4(77):36-44
[3] I. Ochmian, J. Oszmiański, K. Skupień (2009) Chemical composition, phenolics, and firmness of small blach fruits, J.
Appl. Botany Food Qual. 83:64-69
[4] R. A. Buhrmester, J. E. Ebinger, D. S. Seigler (2000) Sambunigrin and cyanogenic variability in population of Sambucus
Canadensis L. (Caprifoliaceae), Biochem. Syst. Ecol. 28:689-695
[5] S. R. Jensen, B. J. Nielsen (1973) Cyanogenic glucosides in Sambucus nigra, L. Acta Chem. Scand. 27:2661–2662
[6]I. Ioannou, I. Hafsa, S. Hamdi, C. Charbonnel, M. Ghoul, (2012) Review of the effect of food processing and formulation on
flavonol and anthocyanin behaviour, J. Food Eng. 111:208–217.
[7] J. M. Odeberg, A. Lignell, A. Pettersson, P. Hoglund (2003) Oral bioavailability of the antioxidant astaxanthin on humans
is enhanced by incorporation of lipid based formulations, Eur. J. Pharm. Sci. 19:299–304.
[8] K. Kaack, L. Christensen, M. Hughes, R. Eder (2006) Relationship between sensory quality and volatile compounds of
elderflower (Sambucus nigra L.) extracts, J. Eur. Res. Technol. 223:57–70.
[9] M. R. Mozafari, K. Khosravi-Darani, G. G. Borazan, J. Cui, A. Pardakhty, S. Yurdugul (2008a) Encapsulation of food
ingredients using nanoliposome technology, Int. J. Food Prop. 11:833–844.
166
BioOrg 2015
[10] M. R. Mozafari, C. Johnson, S. Hatziantoniou, C. Demetzos (2008b) Nanoliposomes and their applications in food
nanotechnology, J. Liposome Res. 18:309–327
[11] S. Bo, Y. Wenli, Z. Yaping, L. Xiaoyong (2006) Study on microencapsulation of lycopene by spray-drying, J. Food Eng.
76:664–669
[12] S. Guorong, R. Liqun, Y. Huazhong, X. Hua, P. Guoping, L. Sang, Y. Chen (2007) Yeast-cell-based microencapsulation
of chlorogenic acid as a water-soluble antioxidant, J. Food Eng. 80:1060–1067
[13] D. Baomiao, Z. Xiaoming, H. Khizar, X. Shiqin, J. Chengsheng, X. Mingyong, L. Chengmei (2011) Preparation,
characterization and the stability of ferrous glycinate nanoliposomes, J. Food Eng. 102:202–208
[14] W. Zhou, W. Liu, L. Zou, W. Liu, C. Liu, R. Liang, J. Chen (2014) Storage stability and skin permeation of vitamin C
liposomes improved by pectin coating, Colloid Surfaces: Biointerfaces 117:330–337
[15] A. D. Bangham, M. M. Standish, J. C. Watkins (1965) Diffusion of univalent ions across the lamellae of swollen
phospholipids, J. Mol. Biol. 13(1):238–252
[16] L. A. Meure, N. R. Foster, F. Dehghani (2008) Conventional and dense gas techniques for the production of liposomes: a
review, AAPS PharmSciTech 9(3):798–809.
[17] T. M. Taylor, P. M. Davidson, B. D. Bruce, J. Weiss (2005) Liposomal nanocapsules in food science and agriculture.
Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 45:587–605
[18] D. J. McClements (2015) Encapsulation, protection, and release of hydrophilic active components: potential and
limitations of colloidal delivery systems, Adv. Colloid Interface Sci. 219:27–53
[19] T. M. Taylor, P. M. Davidson, B. D. Bruce, J. Weiss (2005) Liposomal nanocapsules in food science and agriculture. Crit.
Rev. Food Sci. Nutr. 45:587–605
167
BioOrg 2015
ADSORPCJA ERYTRYTOLU PO BIOKONWERSJI GLICEROLU
Karolina Cieślak*, Ewa Kaczorek, Andrzej Olszanowski
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60 -965 Poznań
Erytrytol nie jest, w chwili obecnej, szeroko znanym i rozpoznawalnym produktem spożywczym.
Jednak posiada on właściwości, które stają się niezwykle cenne i poszukiwane, przy stale rosnącym
zainteresowaniu społeczeństwa zdrowym trybem życia oraz produktami o charakterze suplementów
diety. Ten alifatyczny alkohol czterowodorotlenowy jest naturalnie występującym cukrem w
winogronach, kukurydzy, sosie sojowym, grzybach jadalnych, a także w winach i piwie [1, 2]. Jest
niskokaloryczny, niekancerogenny (słodzik dla diabetyków), nie oddziałuje na poziom insuliny we krwi
[2]. Jednak do niedawna ze względu na małą wydajność procesu jego pozyskiwania (co przekłada się na
wysoką cenę) nie znalazł szerokiego wykorzystania w przemyśle spożywczym.
Produkcja erytrytolu na świecie na skalę przemysłową prowadzona jest zarówno metodą
chemiczną jak i biologiczną. Proces chemiczny jest mało wydajny i zachodzi w obecności katalizatorów
niklowych w wysokiej temperaturze i podwyższonym ciśnieniu. Dlatego też poszukiwano innych
rozwiązań technologicznych, wśród których metody biologiczne produkcji erytrytolu są bardzo
obiecujące, co zostało praktycznie wykorzystane w Japonii, gdzie prowadzi się proces produkcji
erytrytolu z glukozy w skali przemysłowej przez osmofilne drożdże z rodzaju Aurobasidium sp.
Alternatywnym sposobem otrzymania erytrytolu może być hodowla drożdży Yarrowia lipolityca na
glicerolu [1], co przy zastosowaniu niskiego pH prowadzenia procesu, znacznie obniża jego koszty
poprzez np. brak konieczności przeprowadzania kosztownego procesu sterylizacji podłoża i bioreaktora.
Biotechnologiczna metoda produkcji tego poliolu z odpadowego glicerolu jest w stanie zastąpić
chemiczne metody syntezy erytrytolu [3]. Zastosowanie tych metod w produkcji polioli pozwoli
zwiększyć znaczenie tego produktu na rynku, co będzie odpowiedzią na popyt ze strony konsumentów
w aspekcie ciągle rosnącego zainteresowania zdrową żywnością i aktywnym, sportowym trybem życia.
Jednak etap umiejętnego wydzielenia pozyskanego erytrytolu z brzeczki po fermentacji glicerolu, jest
podstawowym problemem podczas prowadzenia procesów biotechnologicznych. Etap ten jest nie tylko
bardzo czasochłonny, ale także niezwykle skomplikowany i kosztowny. Jednym ze sposobów
wydzielenia produktu końcowego może być zastosowanie układów adsorpcyjnych.
Badania prowadzono na brzeczkach pofermentacyjnych, które zostały otrzymane w wyniku
biokonwersji odpadowego glicerolu, który pochodził z procesu biokonwersji odpadowego glicerolu,
powstałego w wyniku produkcji biodiesla, w ramach projektu „Zielona Chemia”, przy użyciu drożdży
168
BioOrg 2015
Yarrowia lipolityca, w Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu. Tabela 1 przedstawia skład
brzeczek pofermentacyjnych.
TABELA 1 SKŁAD POSZCZEGÓLNYCH BRZECZEK POFERMENTACYJNYCH
O
Erytrytol
[g/l]
Mannitol
[g/l]
254
4
2
7
Kwas
Kwas αcytrynowy ketoglutarowy
[g/l]
[g/l]
5
4
B
130
2
1
2
3
2
C
55
10
2
3
5
4
D
143
5
3
5
16
1
E
50
12
1
24
6
5
Oznaczenie
brzeczki
A
Arabitol
[g/l]
Glicerol
[g/l]
W prowadzonych badaniach zastosowano ponad 50 adsorbentów z grupy sorbentów dostępnych
handlowo (m.in. Poropak Q, Diaion SK116, sita molekularne typu 5A oraz Amberlit XAD4), jak i węgle
aktywne o różnym stopniu uziarnienia od 4 do 400 mesh Analizie HPLC MS/MS poddano próbki
brzeczek pofermentacyjnych po przeprowadzeniu adsorpcji na wybranych adsorbentach. W każdej próbie
oznaczono zawartość następujących produktów biokonwersji glicerolu: erytrytol, mannitol, arabitol, kwas
cytrynowy, kwas α-ketoglutarowy oraz nieprzereagowany glicerol.Zestawienia zdolności sorpcyjnych
poszczególnych sorbentów pod kątem adsorpcji alkoholi cukrowych przedstawiono w postaci wykresów
obrazujących stopień zatrzymania danego składnika na sorbencie. Najwyższym stopieniem zatrzymania
erytrytolu spośród adsorbentów handlowych charakteryzował się amberlite XAD 4 (rys. 1), który w
brzeczce B zaadsorbował prawie 60% erytrytolu, natomiast w brzeczce D ponad 41% tego związku.
Rysunek 1 Zatrzymanie erytrytolu na wybranych adsorbentach handlowych
Na rysunku 2 przedstawiono zatrzymywanie poszczególnych składników brzeczki na węglach
aktywnych o różnym stopniu uziarnienia dla brzeczki A (najwyższa zawartość erytrytolu). W stosunku do
erytrytolu powinowactwo wykazywały wszystkie węgle aktywne, a stopień zatrzymania wynosił od
169
BioOrg 2015
23,5% do 27,4%. W stosunku do erytrytolu największym stopniem zatrzymania charakteryzował się
węgiel aktywny 100-400 mesh, w stosunku do mannitolu najwięcej tego związku zaadsorbował węgiel
aktywny o uziarnieniu 4-8 mesh, natomiast w przypadku arabitolu i glicerolu największym
powinowactwem wykazał się węgiel aktywny 100-400 mesh, odpowiednio zaadsorbował 36% arabitolu
oraz 43% glicerolu. Kwas cytrynowy najłatwiej zaadsorbował się na węglu aktywnym 20-60 mesh,
natomiast kwas α-ketoglutarowy w największym stopniu zatrzymał się na węglu aktywnym 8-20 mesh
oraz 100-400 mesh. Zaobserwowano, że żaden z węgli aktywnych nie wykazuje selektywnego
powinowactwa w stosunku do którejkolwiek z substancji zawartych w brzeczkach pofermentacyjnych.
Rysunek 2 Stopień zatrzymania poszczególnych składników brzeczki A na węglach aktywnych
Zastosowanie wybranych sorbentów może przyśpieszyć i ułatwić wyizolowanie erytrytolu
z brzeczek po konwersji glicerolu przez wyselekcjonowane organizmy. Jednak ze względu na charakter
brzeczek pofermentacyjnych oraz różnorodny skład, jak i fakt, że żaden z przebadanych adsorbentów nie
wykazuje znaczącej selektywności w stosunku do erytrytolu, układy adsorpcyjne mogą być jedynie
jednym z etapów odseparowania pożądanego produktu końcowego.
Badania współfinansowane przez UE z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach
Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Projekt POIG.01.01.02-00-074/09.
Literatura:
[1] L. Tomaszewska, M. Rakicka, W. Rymowicz, A. Rywińska (2014) A comparative study on glycerol metabolism to
erythritol and citric acid in Yarrowia lipolytica yeast cells, FEMS Yeast Research 14:966–976
[2] H.J. Moon, M. Jeya, I. W. Kim, J.K. Lee (2010) Biotechnological production of erythritol and its application, Applied
Microbiology and Biotechnology 86: 1017-1025
[3] A. Rywińska, P. Juszczyk, M. Wojtatowicz, M. Robak, Z. Lazar, L. Tomaszewska, W. Rymowicz (2013) Glycerol as a
promising substrate for Yarrowia lipolytica biotechnological applications, Biomass and Bioenergy 48: 148-166
170
BioOrg 2015
BADANIE AKTYWNOŚCI ANTYNOWOTWOROWEJ NOWYCH
POCHODNYCH FOSFATYDYLOCHOLINY ZAWIERAJĄCYCH RESZTĘ
KWASU WERATROWEGO WZGLĘDEM LINII KOMÓRKOWEJ LUDZKIEJ
BIAŁACZKI (MV4-11)
Marta Czarnecka1*, Anna Gliszczyńska1, Marta Świtalska2, Czesław Wawrzeńczyk1
1
Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. C.K. Norwida 25, 50-375 Wrocław
Zakład Onkologii Doświadczalnej, Instytut Immunologii i Terapii Doświadczalnej im. Ludwika Hirszfelda
Polskiej Akademii Nauk, ul. R. Weigla 12, 53-114 Wrocław
2
Polifenole są to związki organiczne charakteryzujące się szerokim wachlarzem aktywności
biologicznej. Warto zwrócić uwagę na jednego z przedstawicieli tej grupy związków – kwas weratrowy
(kwas 3,4-dimetoksybenzoesowy), który występuje m.in. w pełniku chińskim (Trollius chinensis) [1]
i grzybach z gatunku Sparassis crispa [2].
W badaniach in vitro na linii komórkowej keratynocytów człowieka (HaCat) Shin i wsp.
udowodnili, że kwas weratrowy chroni DNA komórek naskórka przed szkodliwym działaniem
promieniowania ultrafioletowego (UVB) poprzez hamowanie tworzenia się cyklobutylowych dimerów
pirymidynowych (CPDs), które prowadzą do powstawania wysoce specyficznych mutacji [3], dzięki
czemu związek ten może być stosowany w ochronie przeciwsłonecznej. Warto również wspomnieć
o innym istotnym działaniu omawianego kwasu. W badaniach na szczurach przeprowadzonych przez
Saravanakumar i in. wykazano, że kwas weratrowy hamuje nadprodukcję tlenku azotu (NO)
w komórkach śródbłonka, który w zwiększonym stężeniu prowadzi do powstawania stanów zapalnych
lub oddziałuje negatywnie na mięśnie gładkie prowadząc do wzrostu ciśnienia krwi w organizmie [4].
Celem przeprowadzonych badań było otrzymanie serii nowych pochodnych fosfatydylocholiny
zawierających w swojej strukturze cząsteczkę kwasu weratrowego. Takie połączenie dwóch aktywnych
biologicznie związków miało skutkować zwiększeniem właściwości antynowotworowych uzyskanych
pochodnych, co zostało potwierdzone badaniami in vitro na linii komórkowej ludzkiej białaczki
(MV4-11).
Badania realizowane są w ramach projektu nr 2013/09/D/NZ9/02457 finansowanego ze środków
Narodowego Centrum Nauki
Literatura:
[1] R. Wang, X. Wu, L. Liu, Y. An (2014) Activity directed investigation on anti-inflammatory fractions and compounds from
flowers of Trollius chinensis, Pakistan Journal of Pharmaceutical Sciences 27 (2):285-288
[2] I. Ferreira, L. Barros, R.Abreu, (2009) Antioxidants in wild mushrooms, Current Medicinal Chemistry 16 (12):1543-1560
[3] S.W. Shin, E. Jung, S. Kim et. al. (2013) Antagonist effects of veratric acid against UVB-induced cell damages, Molecules
18 (5):5405-5419
[4] R. Saravanakumar, B. Murugesan (2011) Veratric acid, a phenolic acid attenuates blood pressure and oxidative stress in
L-NAME induced hypertensive rats, European journal of pharmacology 671 (1-3):87-94
171
BioOrg 2015
BIOTRANSFORMACJE FLAWONOIDÓW W KULTURACH GRZYBÓW
STRZĘPKOWYCH I ROŚLIN
Monika Dymarska*, Tomasz Janeczko, Edyta Kostrzewa-Susłow
Flawonoidy to duża i różnorodna grupa wtórnych metabolitów roślin. Badania prowadzone
z wykorzystaniem enzymów, komórek i tkanek, ale również całych organizmów zwierzęcych (w tym
badania kliniczne z udziałem ludzi) dowodzą, że związki te wykazują zróżnicowaną i często silną
aktywność biologiczną. Szerokie spektrum działania flawonoidów obejmuje m. in. aktywność
przeciwutleniającą, zmienianie aktywności enzymów (w tym enzymów cytochromu P450, które pełnią
istotną
rolę
w
metabolizmie
leków),
działanie
przeciwmikrobiolobiczne,
przeciwalergiczne,
przeciwnowotworowe czy ochronne w stosunku do układu krążenia i komórek wątroby [1, 2, 3].
W związku z wysoką powszechnością w świecie roślinnym, flawonoidy są istotnym składnikiem
diety człowieka. Szacuje się, że każdego dnia przyjmujemy kilkaset miligramów różnych pochodnych
flawonoidowych. Istotnym źródłem tych polifenoli w diecie są m. in. owoce i warzywa, ale również
kawa, herbata, wino i czekolada [4, 5].
Dlatego też duże znaczenie mają badania pozwalające śledzić przemiany flawonoidów, ale też
innych ksenobiotyków w organizmach żywych. Prace mające na celu poznanie szlaków metabolicznych
z wykorzystaniem ssaków są trudne i kosztowne. Dlatego zaproponowano wygodną alternatywę dla tych
badań – biotransformacje w kulturach mikroorganizmów. Procesy te umożliwiają dodatkowo uzyskanie
związków chemicznych, które mogą być wykorzystane jako leki czy składniki aktywne w kosmetykach.
Transformacje mikrobiologiczne są procesami wykorzystywanymi przez ludzi od stuleci. W ten sposób
produkowany jest dziś m. in. alkohol etylowy, ale również wiele substancji wykorzystywanych
w farmacji, takich jak insulina. Zastosowanie biotransformacji ma przewagę nad syntezą chemiczną,
ponieważ umożliwia otrzymanie związków z wysoką regio- i stereospecyficznością przy niewielkim
zużyciu rozpuszczalników i bez konieczności stosowania drogich i obciążających środowisko
katalizatorów [6].
Prowadzone przez nas badania miały na celu wybranie szczepów grzybów strzępkowych
zdolnych do prowadzenia biotransformacji flawonoidów i uzyskanie związków o wyższym potencjale
biologicznym, niż zastosowane substraty. W pracy wykorzystano również kultury kalusa, jako nowy
i potencjalnie atrakcyjny biokatalizator.
Pierwszy etap stanowiły biotransformacje w małej skali. Medium hodowlanym dla grzybów
strzępkowych było podłoże Sabouraud, natomiast dla kultur kalusa – woda. Przebieg biotransformacji był
określany przy wykorzystaniu technik chromatograficznych (TLC, HPLC). Produkty biotransformacji
172
BioOrg 2015
prowadzonych w zwiększonej skali były oczyszczane metodami chromatograficznymi, a ich struktury
określono przy użyciu metod spektroskopowych (NMR).
Wykorzystane w badaniach szczepy grzybów strzępkowych rodzaju Aspergillus były zdolne
m. in. do tworzenia pochodnych estrowych zastosowanych substratów flawonoidowych [7],
przeprowadzania hydrolizy wiązań estrowych dając czyste optycznie produkty [8], prowadzenia
demetylacji [9], a także przekształcania flawanonów do dihydrochalkonów, które charakteryzują się
słodkim smakiem [10]. W kulturach kalusa z substratów flawanonowych uzyskano flawony cechujące się
podwyższoną aktywnością przeciwutleniającą. Uzyskane w toku badań produkty mają szansę znaleźć
zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym i spożywczym.
Literatura:
[1] B. H. Havsteen (2002) The biochemistry and medical significance of the flavonoids, Pharmacology & Therapeutics 96 (23):67-202
[2] A. Muhammad, G. Tel-Cayan, M. Öztürk, S. Nadeem, M. E. Duru, I. Anis, S. W. Ng, M. R. Shah (2015) Biologically
active flavonoids from Dodonaea viscosa and their structure–activity relationships, Industrial Crops and Products 78:66-72
[3] H. P. Hoensch, R. Oertel (2015) The value of flavonoids for the human nutrition: Short review and perspectives, Clinical
Nutrition Experimental 3:8-14
[4] G. Li, Y. Zhu, Y. Zhang, J. Lang, Y. Chen, W. Ling (2013) Estimated Daily Flavonoid and Stilbene Intake from Fruits,
Vegetables, and Nuts and Associations with Lipid Profiles in Chinese Adults, Journal of The Academy of Nutrition and
Dietetics 113 (6):786-794
[5] R. P. Feliciano, S. Pritzel, C. Heiss, A. Rodriguez-Mateos (2015) Flavonoid intake and cardiovascular disease risk,
Current Opinion in Food Science 2:92-99
[6] M.-E. F. Hegazy, T. A. Mohamed, A. I. ElShamy, A.-E.-H. H. Mohamed, U. A. Mahalel, E. H. Reda, l. M. Shaheen, W. A.
Tawfik, A. A. Shahat, K. A. Shams, N. Abdel-Azim, F. M. Hammouda (2015) Microbial biotransformation as a tool for drug
development based on natural products from mevalonic acid pathway: A review, Journal of Advanced Research 6:17-33
[7] E. Kostrzewa-Susłow, M. Dymarska, T. Janeczko (2014) Microbial Transformations of 3-methoxyflavone by Strains of
Aspergillus niger, Polish Journal of Microbiology 63(1):111-114
[8] E. Kostrzewa-Susłow, M. Dymarska, A. Białońska, T. Janeczko (2014) Enantioselective conversion of certain derivatives
of 6-hydroxyflavanone, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 102:59-65
[9] E. Kostrzewa-Susłow, J. Dmochowska-Gładysz, T. Janeczko, K. Środa, K. Michalak, A. Palko (2012) Microbial
Transformations of 6- and 7-Methoxyflavones in Aspergillus niger and Penicillium chermesinum Cultures, Zeitschrift für
Naturforschung C 67 (7-8): 411-417
[10] T. Janeczko, W. Gładkowski, E. Kostrzewa-Susłow (2013) Microbial transformations of chalcones to produce food
sweetener derivatives, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 98:55-61
173
BioOrg 2015
BIOTRANSFORMACJE JAKO UŻYTECZNE NARZĘDZIE DO
OTRZYMYWANIA ZWIĄZKÓW AKTYWNYCH BIOLOGICZNIE
Monika Dymarska*, Tomasz Janeczko, Edyta Kostrzewa-Susłow
Tradycyjna medycyna przez stulecia opierała się na wykorzystaniu roślin, jako źródła związków
o charakterze leczniczym. Wiązało się to z szeregiem ograniczeń: pożądane substancje występują w
roślinie często w niewielkich ilościach, rośliny występują na ograniczonych geograficznie obszarach,
rosną tylko w określonych porach roku [1]. Postęp w medycynie wymusza poszukiwanie nowych źródeł
związków biologicznie aktywnych. Szereg badań dowodzi istotności stosowania w farmacji czystych
optycznie substancji. Nierzadko poszczególne enancjomery tego samego związku znacznie różnią się od
siebie aktywnością biologiczną, na przykład mają odmienne zapachy. Jednym z najbardziej znanych
przykładów jest limonen: R izomer ma zapach cytrusowy z nutą pomarańczową i stanowi główny
składnik olejków ze skórek cytrusów, natomiast S enancjomer limonenu charakteryzuje się zapachem
cierpkim, podobnym do terpentyny z nutą cytrynową [2].
1
2
Rysunek 1. R (1) i S (2) enancjomer limonenu
Tragicznym w skutkach przykładem odmiennej aktywności biologicznej poszczególnych
enancjomerów jest talidomid. Był to środek uspokajający i nasenny powszechnie stosowany w latach 50.
i 60. u ciężarnych kobiet. R enancjomer tego związku posiada działanie terapeutyczne, S enancjomer jest
teratogenny. W wyniku stosowania talidomidu urodziło się ponad 10 000 dzieci z różnego rodzaju
wadami wrodzonymi [3].
Doskonałym sposobem na pokonanie ograniczeń syntezy chemicznej jest wykorzystanie
biotransformacji. Są to procesy prowadzące do specyficznej modyfikacji struktury substratu często
skutkujące otrzymaniem związków czystych optycznie. Jako katalizatory w tych reakcjach
wykorzystywane są izolowane enzymy lub całe komórki bakterii, grzybów strzępkowych, drożdży, ale
też roślin [4, 5].
174
BioOrg 2015
Przykładem najbardziej znanej biotransformacji wykorzystywanej powszechnie w przemyśle
spożywczym jest przekształcanie glukozy do alkoholu etylowego – fermentacja alkoholowa. Proces ten
został opisany przez Ludwika Pasteura, który w 1857 roku odkrył, że za fermentację alkoholową
odpowiadają drożdże [4].
Z zastosowaniem biotransformacji wiąże się wiele korzyści: reakcje zazwyczaj prowadzone są w
pH zbliżonym do obojętnego, w temperaturze otoczenia, pod ciśnieniem atmosferycznym. Minimalna
ilość produktów odpadowych i zmniejszone zużycie energii sprawia, że biotransformacje spełniają
wymogi stawiane przez Green chemistry [4].
Wiele zróżnicowanych grup mikroorganizmów może być wykorzystanych w procesach
transformacji mikrobiologicznej tworząc wysoce specyficzne produkty z tanich substratów, takich jak
poprzemysłowe produkty odpadowe. Układy enzymatyczne mikroorganizmów katalizują wiele
zróżnicowanych typów reakcji: addycję, eliminację, substytucję, reakcje perycykliczne, reakcje
przegrupowania czy reakcje redoks. Hodowla mikroorganizmów jest tania i efektywna. Dodatkowo,
stosowane mogą być różnorodne techniki mające na celu zwiększenie wydajności procesów
biotransformacji, takie jak immobilizacja umożliwiająca prowadzenie procesów ciągłych czy
modyfikacje genetyczne biokatalizatorów (mikroorganizmów, roślin) [4].
Biotransformacje
mogą
być
wykorzystane
do
tworzenia
bloków
budulcowych
wykorzystywanych w produkcji leków, np. formoterolu, salmeterolu używanych w terapii przewlekłej
obturacyjnej choroby płuc [6]. Również wiele witamin jest obecnie produkowanych dzięki zastosowaniu
metod biotechnologicznych. Przykładem jest siedmioetapowy proces syntezy witaminy C, którego
pierwszym etapem jest mikrobiologiczne utlenienie D-sorbitolu do L-sorbozy przez szczep
Gluconobacter oxydans. Witamina B2 jest produkowana przez koncerny BASF czy Roche dzięki
zastosowaniu modyfikowanych genetycznie szczepów bakterii i grzybów: Bacillus subtillis, Ashbya
gossypi, Eremothecium ashbyii czy Candida famata, dzięki temu proces produkcji ryboflawiny jest
jednoetapowy i mniej kosztowny w porównaniu z syntezą chemiczną [7].
W świetle powyższych informacji uzasadnione jest poszukiwanie nowych szczepów zdolnych
do syntezy związków biologicznie aktywnych, a w późniejszym etapie optymalizacja warunków
biotransformacji i podejmowanie prób zwiększania skali tych procesów.
Literatura:
[1] R. Verpoorte, A. Contin, J. Memelink (2002) Biotechnology for the production of plant secondary metabolites,
Phytochemistry Reviews 1:13–25
[2] K. Wińska, B. Potaniec, W. Mączka, M. Grabarczyk, M. Anioł. C. Wawrzeńczyk (2014) Izomery a zapach czyli nos jako
stereochemik, Chemik 68(2):83-90
175
BioOrg 2015
[3] F. S. L. Vianna, M. Z. de Oliveira, M. T. V. Sanseverino, E. F. Morelo, D. de Lyra Rabello Neto, J. Lopez-Camelo, S. A.
Camey, L. Schuler-Faccini (2015) Pharmacoepidemiology and thalidomide embryopathy surveillancein Brazil, Reproductive
Toxicology 53:63-67
[4] M.-E. F. Hegazy, T. A. Mohamed, A. I. El-Shamy, A.-E.-H. H. Mohamed, U. A. Mahalel, E. H. Reda, l. M. Shaheen, W.
A. Tawfik, A. A. Shahat, K. A. Shams, N. Abdel-Azim, F. M. Hammouda (2015) Microbial biotransformation as a tool for
drug development based on natural products from mevalonic acid pathway: A review, Journal of Advanced Research 6:17-33
[5] K. Ishihara, H. Hamadab, T. Hirata, N. Nakajima (2003) Biotransformation using plant cultured cells, Journal of
Molecular Catalysis B: Enzymatic 23:145–170
[6] T. Janeczko. M. Dymarska, E. Kostrzewa-Susłow (2014) Highly enantioselective production of (R)-halohydrins with whole
cells of Rhodotorula rubra KCh 82 culture, International Journal of Molecular Sciences 15:22392-22404
[7] R. Duliński (2010) Biotechnologiczne metody produkcji witamin z wykorzystaniem mikroorganizmów, Żywność. Nauka.
Technologia. Jakość 1 (68):5-19
176
BioOrg 2015
GLIKOZYLACJA FLAWONOIDÓW Z WYKORZYSTANIEM NOWEGO
SZCZEPU ENTOMOPATOGENNYCH GRZYBÓW STRZĘPKOWYCH
Monika Dymarska1*, Tomasz Janeczko1, Jakub Grzeszczuk2, Elżbieta Pląskowska2,
Edyta Kostrzewa-Susłow1
1
Katedra Ochrony Roślin, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Plac Grunwaldzki 24a, 50-363 Wrocław
2
Nadmierne użycie środków ochrony roślin stało się w ciągu kilku ostatnich dziesięcioleci
istotnym problemem w krajach wysoko rozwiniętych i rozwijających się. Często środki te charakteryzują
się niewielką selektywnością i oprócz szkodników zabijają również pożyteczne gatunki owadów.
Skrajnym przykładem, do czego może doprowadzić niekontrolowane użycie środków owadobójczych
jest Maoxian w Chinach, gdzie nadmierne użycie pestycydów doprowadziło do wymarcia dzikich
pszczół. Jabłonie w sadach znajdujących się w tym regionie zapylane są ręcznie przez ludzi [1].
Rosnąca świadomość ekologiczna wśród konsumentów skłania rolników do poszukiwania
alternatyw dla chemicznych insektycydów.
Mączlik ostroskrzydły (Bemisia tabaci) jest istotnym i rozpowszechnionym na całym świecie
szkodnikiem roślin uprawnych. Intensywne stosowanie chemicznych środków ochrony roślin
doprowadziło w wielu regionach do wytworzenia przez tego owada odporności. Alternatywą dla
tradycyjnie stosowanych insektycydów jest wykorzystanie szczepów entomopatogennych grzybów. Na
rynku jest już dostępnych kilka środków opartych na tych mikroorganizmach. W przeciwieństwie do
wielu patogenów, które dostają się do wnętrza owada drogą pokarmową, entomopatogenne grzyby
penetrują ciało gospodarza bezpośrednio przez kutikulę. Proces infekcji jest złożony i obejmuje procesy
mechaniczne, produkcję zróżnicowanych zewnątrzkomórkowych enzymów i pokonanie mechanizmów
obronnych gospodarza po infekcji [2].
Entomopatogenne gatunki grzybów, poza uzdolnieniami pozwalającymi wykorzystać je w
przemyśle rolnym, są zdolne do produkcji wielu związków, które mogą być wykorzystane w przemyśle
farmaceutycznym. Przykładem jest fumorosinon produkowany przez gatunek Isaria fumosorosea, który
może być wykorzystany w leczeniu cukrzycy typu II [3].
Szerokie spektrum aktywności enzymatycznej omawianych grzybów skłoniło nas do
wykorzystania ich jako biokatalizatora w procesach biotransformacji.
Biotransformacje są procesami umożliwiającymi otrzymanie związków o wysokiej aktywności
biologicznej, a także poprawę właściwości chemicznych związków o znanym wysokim potencjale
biologicznym (poprawa rozpuszczalności w wodzie, uzyskanie czystych optycznie enancjomerów) [4, 5].
W badaniach jako substraty wykorzystujemy różnorodne flawonoidy. Jest to szeroka grupa
wtórnych metabolitów roślin wyższych. Pełnią one wiele istotnych funkcji w roślinach: chronią przed
177
BioOrg 2015
atakiem patogenów, przed promieniowaniem ultrafioletowym, stresem oksydacyjnym, ale również nadają
barwę kwiatom i dzięki temu pomagają wabić owady zapylające. Związki z grupy izoflawonów
odpowiadają za symbiozę pomiędzy roślinami motylkowymi a bakteriami wiążącymi azot [6].
Spożywanie przez ludzi pokarmów pochodzenia roślinnego wiąże się z przyjmowaniem
znacznej ilości związków flawonoidowych. Badania dowodzą istotnego pozytywnego wpływu
flawonoidów na nasz organizm. Związki te mają działanie przeciwutleniające, chelatują jony metali,
chronią układ krążenia, działają przeciwnowotworowo i przeciwalergicznie [6].
Dlatego istotne są badania mające na celu poszerzenie biblioteki związków flawonoidowych
przede wszystkim dzięki wykorzystaniu biotransformacji, jako alternatywy dla obciążającej środowisko
naturalne syntezy chemicznej.
W eksperymencie zastosowano entomopatogenny szczep grzyba strzępkowego wyizolowany
z ciała pająka. Jako substrat została wykorzystana daidzeina – związek należący do grupy izoflawonów
występujący w soi. Ekstrakty sojowe bogate w izoflawony stosowane są m. in. w terapii łagodzącej
objawy menopauzy [6].
W
pierwszym
etapie
badań
została
przeprowadzona
czterodniowa
transformacja
mikrobiologiczna w 30 mL podłoża Sabourauda. Postęp biotransformacji był kontrolowany przy
wykorzystaniu technik chromatograficznych (TLC, HPLC). Na podstawie wstępnych badań został
wyznaczony czas trwania biotransformacji w zwiększonej skali. Reakcja prowadzona była w 500 mL
hodowli znajdującej się w 2 L kolbie płaskodennej przy ciągłym wstrząsaniu. Zastosowano 50 mg
substratu rozpuszczonego w 1 mL dimetylosulfotlenku (DMSO). Produkty biotransformacji zostały
wydzielone przy użyciu octanu etylu (trzykrotna ekstrakcja), a następnie rozdzielone poprzez
preparatywną chromatografię cienkowarstwową. Struktury uzyskanych produktów zostały wyznaczone
metodami spektroskopowymi (1H NMR i 13C NMR).
HO
MeO
HO
O
mikroorganizm
O
OH
O
O
O
OH
O
OH
OH
Rysunek 1. Biotransformacje daidzeiny w kulturze entomopatogennego grzyba strzępkowego
Problemem w stosowaniu flawonoidów w przemyśle farmaceutycznym jest ich niska
rozpuszczalność w wodzie [5,7]. Dzięki przedstawionej powyżej reakcji glikozylacji można poprawić
właściwości badanych związków, co może skutkować otrzymaniem nowych składników leków.
178
BioOrg 2015
Literatura:
[1] D. P. Abrol (2012) Pollination Biology, Springer, Holandia
[2] J. Tian, H. Diao, L. Liang, C. Hao, S. Arthurs, R. Ma (2015) Pathogenicity of Isaria fumosorosea to Bemisia tabaci, with
some observations on the fungal infection process and host immune response, Journal of Invertebrate Pathology 130:147-153
[3] L. Liu, J. Zhang, C. Chen, J. Teng, C. Wang, D. Luo (2015) Structure and biosynthesis of fumorosinone, a new protein
tyrosine phosphatase 1B inhibitor firstly isolated from the entomogenous fungus Isaria fumosorosea, Fungal Genetics and
Biology 81:191-200
[4] E. Kostrzewa-Susłow, M. Dymarska, T. Janeczko (2014) Microbial transformations of 3-methoxyflavone by strains of
Aspergillus niger, Polish Journal of Microbiology 63(1):111-114
[5] E. Kostrzewa-Susłow, M. Dymarska, A. Białońska, T. Janeczko (2014) Enantioselective conversion of certain derivatives
of 6-hydroxyflavanone, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 102:59-65
[6] B. H. Havsteen (2002) The biochemistry and medical significance of the flavonoids, Pharmacology & Therapeutics 96(23):67-202
[7] J. Xiao, T. S. Muzashvili, M. I. Georgiev (2014) Advances in the biotechnological glycosilation of valuable flavonoids,
Biotechnology Advances 32:1145-1156
179
BioOrg 2015
ANALIZA STRUKTUR TAUTOMERYCZNYCH AMINOWYCH POCHODNYCH
1,3-TIAZOLIDYN-4-ONU
Łukasz Fijałkowski1*, Marcin Kowiel2, Volodymyr Horishny3, Roman Lesyk3, Andrzej Gzella2,
Alicja Nowaczyk1
1
Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Wydział Farmacji, Collegium Medicum w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja
Kopernika, Dr. A. Jurasza 2, 85-094 Bydgoszcz
2
Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Wydział Farmacji, Uniwersytet Medyczny w Poznaniu ul. Grunwaldzka 6, 60-780
Poznań
3
Katedra Chemii Farmaceutycznej, Organicznej i Bioorganicznej, Wydział Farmacji, Lwowski Narodowy Uniwersytet
Medyczny, Pekarska 69, 79010 Lwów, Ukraina
Układ 1,3-tiazolidyn-4-onu należy do ważniejszych elementów strukturalnych we współczesnej
chemii leków. Pięcioczłonowy pierścień heterocykliczny zawierający 3 atomy C, atomy S, N i O cechuje
szerokie spektrum działania farmakologicznego. Związki zawierające tego typu połączenia wykazują
prawie każdy rodzaj aktywności biologicznej, m.in. działanie: przeciwzapalne, hipoglikemiczne,
przeciwnowotworowe,
przeciwdrgawkowe,
immunostymulujące,
oraz
przeciwdrobnoustrojowe
(obejmujące bakterie, grzyby, wirusy).
Celem pracy jest analiza zjawiska tautomerii aminowo-iminowej oraz keto-enolowej w grupie
pochodnych 2-amino-1,3-tiazol-4(5H)-onu. Badania strukturalne przeprowadzono za pomocą metody
dyfrakcji promieni rentgenowskich, spektroskopii IR oraz obliczeń chemii kwantowej [1]
Literatura:
[1] A. Nowaczyk, M. Kowiel, A. Gzella, Ł. Fijałkowski, V. Horishny, R. Lesyk (2014) Conformational Space and Vibrational
Spectra of 2-[(2,4-dimethoxyphenyl)amino]-1,3-thiazolidin-4-one, Journal of Molecular Modeling, 20:2366–2375
180
BioOrg 2015
ANALIZA PARAMETRÓW FIZYKOCHEMICZNYCH DLA POTENCJALNYCH
LEKÓW UKŁADU SERCOWO-NACZYNIOWEGO
Łukasz Fijałkowski1*, Magdalena Kowalska1, Marta Konieczka1, Katarzyna Kulig2, Alicja Nowaczyk1
1
Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Wydział Farmacji, Collegium Medicum w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja
Kopernika, Dr. A. Jurasza 2, 85-094 Bydgoszcz.
2
Zakład Fizykochemicznej Analizy Leku, Katedra Chemii Farmaceutycznej, Wydział Farmaceutyczny Collegium Medicum
Uniwersytetu Jagiellońskiego, ul. Medyczna 9, 30-688 Kraków.
Szacuje się, że obecnie w Polsce ok. 41% zgonów spowodowanych jest chorobami układu
sercowo - naczyniowego. Ze względu na niewyjaśniony do końca patomechanizm leczenie różnych
zaburzeń pracy układu krążenia stanowi jedno z największych wyzwań współczesnej medycyny.
Przewidywanie użyteczności danego związku jako środka farmakologicznego jest możliwe poprzez
porównanie wartości kluczowych parametrów fizykochemicznych analizowanej struktury oraz środków
leczniczych o potwierdzonej aktywności [1]. W związku z tym dokonano analizy dla grupy pochodnych
pirolidyn-2-onu w kierunku aktywności w układzie krążeniowym [2]. W oparciu o metody chemii
obliczeniowej przeprowadzono analizy porównawcze parametrów Lipińskiego i Vebera w grupach
badanych związków i leków stosowanych klinicznie.
Literatura:
[1] Sapa J, Nowaczyk A, Kulig K. (2011) Antiarrhythmic and antioxidant activity of novel pyrrolidin-2-one derivatives with
adrenolytic properties. Naunyn-Schmiedeberg's archives of pharmacology, 383(1):13-25
[2] Nowaczyk A, Kulig K. (2012) QSAR studies on a number of pyrrolidin-2-one antiarrhythmic arylpiperazinyls. Medicinal
Chemistry Research, 21(3):373-81
[3] Lipinski CA, Lombardo F, Dominy BW, et al. (2012) Experimental and computational approaches to estimate solubility
and permeability in drug discovery and development settings. Advanced drug delivery reviews, 64:4-17
181
BioOrg 2015
WPŁYW IZOMERÓW CHLOROTOLUENU NA WYBRANE SZCZEPY
BAKTERII ŚRODOWISKOWYCH
Marta Galikowska*, Wojciech Smułek, Ewa Kaczorek
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60 -965 Poznań
Izomery chlorotoluenu są związkami wykorzystywanymi w wielu gałęziach przemysłu. Stosuje
się je do produkcji środków ochrony roślin, lakierów czy farb, przez co ich światowa produkcja wynosi
ponad 130 tys. ton rocznie [1]. Należą do lotnych substancji, które w niewielkich ilościach rozpuszczają
się w wodzie. Ponadto działają toksycznie na organizmy żywe. Ich powszechne wykorzystanie zwiększa
ryzyko przedostawania się ich do środowiska, co skutkuje skażeniem wód powierzchniowych oraz gleb.
Węglowodory, które wykazują dużą hydrofobowość, a zatem są słabo rozpuszczalne w wodzie,
charakteryzują się niską biodostępnością w stosunku do mikroorganizmów, przez co ich rozkład jest
utrudniony [2].
Odpowiedzią komórek mikroorganizmów na pojawienie się w ich otoczeniu hydrofobowych
zanieczyszczeń jest uruchomienie szeregu mechanizmów adaptacyjnych. Z jednej strony następuje
wzmocnienie ochrony komórki poprzez przebudowę błony komórkowej (np. zmiana profilu kwasu
tłuszczowych), produkcję zewnątrzkomórkowych polisacharydów, zmiana hydrofobowości powierzchni
komórki i in. Jednocześnie rozpoczyna się produkcja enzymów, odpowiedzialnych za degradację
składników zanieczyszczeń [3]. Większość drobnoustrojów posiada enzymatyczne systemy, które
pozwalają na katabolizm związków aromatycznych występujących w przyrodzie. Jakkolwiek proces
biodegradacji związków aromatycznych przez bakterie jest złożony [4].
Badania miały na celu określenie wpływu toluenu oraz trzech izomerów chlorotoluenu na
wybrane szczepy bakterii środowiskowych: Achromobacter sp., Aeromonas salmonicida oraz Raoultella
planticola wyizolowanych z gleby skażonej substancjami ropopochodnymi. Oznaczono toksyczność
toluenu oraz izomerów chlorotoluenu w stosunku do testowanych szczepów bakterii, jak i
mikrobiologiczną adhezji mikroorganizmów do węglowodorów (MATH) opisaną przez Rosenberga [5].
Wykonane badania wykazały, że badanie związki wykazują zróżnicowany wpływ na wybrane szczepy
bakteryjne. W teście toksyczności zauważono, że dodatek toluenu oraz jego chlorowych pochodnych
negatywnie wpływa na szczep Achromobacter sp. – zaobserwowano inhibicję wzrostu komórek,
natomiast w przypadku szczepu
Aeromonas salmonicida zaobserwowano przyrost biomasy
mikroorganizmów w układzie z toluenem oraz 2-chlorotoluenem. Dla bakterii szczepu Raoultella
planticola, stymulatorami wzrostu okazały się, także przy wyższych stężeniach, toluen, 2-chlorotoluen
oraz 4-chlorotoluen.
182
BioOrg 2015
Badania hydrofobowości pozwoliły zaobserwować odpowiedź komórek bakteryjnych na
obecność badanych substancji w hodowlach. Niewielki wzrost hydrofobowości zaobserwowano podczas
hodowli szczepów A. salmonicida jak i Achromobacter sp., gdzie źródłem węgla był toluen i jego
pochodne. Układem odniesienia była tutaj hodowla na glukozie. W przypadku szczepu R. planticola
zaobserwowano odmienną tendencję – podczas hodowli na glukozie szczep ten charakteryzował się
bardziej hydrofobowymi właściwościami, niż w hodowlach na toluenie i jego pochodnych.
Poczynione obserwacje wskazują na różnorodne reakcje badanych szczepów środowiskowych
wobec toksycznych związków aromatycznych – toluenu i trzech izomerów chlorotoluenu.
Praca została przygotowana i sfinansowana w ramach projektu badawczego Politechniki Poznańskiej nr
03/32/DSPB/0500
Literatura:
[1] D. Dobslaw, K.-H. Engesser (2011) Degradation of 2-chlorotoluene by Rhodococcus sp. OCT 10, Microbiology
Biotechnology 93:2205-2214
[2] E. Kaczorek, K. Salek, U. Guzik, B. Dudzinska-Bajorek, A. Olszanowski (2013) The impact of long-term contact of
Achromocacter sp. 4(2010) with diesel oil – Changes in biodegradation surface properties and hexadecane monooxygenase
activity, International Biodeterioration & Biodegradation 78:7-16
[3] A. R. Johnsen, U. Karlson (2004) Evaluation of bacterial strategies to promote the bioavailability of polycyclic aromatic
hydrocarbons, Applied Microbiology and Biotechnology 63:452–459
[4]
E. Kwapisz (2006) Szlaki tlenowej biodegradacji węglowodorów ropy naftowej, Biotechnologia, 2:166-188
[5] M. Rosenberg (1984) Bacterial adherence to hydrocarbon: a useful technique for studying cell surface hydrophobicity,
FEMS Microbiology Letters 22:289–295
183
BioOrg 2015
ZASTOSOWANIE EKSTRAKTU Z CZARNUSZKI - NIGELLA SATIVA DO
OPRACOWANIA NOWEGO NUTRACEUTYKU O DZIAŁANIU
PRZECIWBAKTERYJNYM I PRZECIWZAPALNYM – THYMOXAN
Grzegorz Gawron*1, Leszek Kadziński1, Bogdan Banecki1, Paulina Werner1, Krzysztof Lemke2,
Wojciech Krzyczkowski2, Alicja Ołdak2
1
Katedra Biologii Molekularnej i Komórkowej/Międzyuczelniany Wydział Biotechnologii UG-GUMed, Uniwersytet Gdański,
ul. Kładki 24, 80-822 Gdańsk
2
Biovico sp. z. o. o. ul. Hryniewickiego 6B/135, 81-340 Gdynia
Prowadzono badania, których efektem jest powstanie opartego o ekstrakty roślinne produktu
Thymoxan o działaniu przeciwbakteryjnym oraz przeciwzapalnym. Rośliny, na których prowadzono
badania, były od wieków stosowane w tradycyjnej medycynie wschodniej. Opracowany preparat w
głównej mierze opiera się na olejku z czarnuszki (Nigella Sativa).
Izolację związków aktywnych biologicznie z nasion czarnuszki prowadzono wykorzystując
rozmaite metody ekstrakcji: ekstrakcję parą wodną, ekstrakcję rozpuszczalnikami organicznymi w
aparacie Soxhleta oraz ekstrakcję z wykorzystaniem dwutlenku węgla w warunkach nadkrytycznych.
Skład ekstraktów uzyskanych ostatnią z wymienionych metod wykazuje silną zależność od zastosowanej
temperatury oraz ciśnienia, dlatego wymagała ona dokładnej optymalizacji. Zawartość związków
aktywnych – olejków eterycznych oraz kwasów tłuszczowych - ilościowo oraz jakościowo określano
stosując technikę chromatografii gazowej sprzężonej ze spektrometrią mas.
Aby określić zawartość kwasów tłuszczowych, olejki zostały poddane reakcji estryfikacji
metanolowej. Dzięki przemianie kwasów tłuszczowych w estry metylowe, możliwa była analiza tych
związków pod kątem ilościowym z wykorzystaniem chromatografii gazowej. Następnie zbadano wpływ
poszczególnych związków zawartych w nasionach czarnuszki na wzrost pięćdziesięciu szczepów
bakterii, w tym wielu szczepów gronkowca złocistego, również szczepów wielolekoopornych. Dalszym
krokiem był wybór metody ekstrakcji prowadzącej do powstania najbogatszego w pożądane substancje
olejku, czyli tymochinonu, tymolu oraz p-cymenu. Uzyskany tą metodą olejek został również zbadany
pod kątem wpływu na wzrost bakterii. Wyniki wskazują na silne, hamujące wzrost wszystkich użytych
szczepów gronkowca złocistego oraz szeregu innych szczepów, działanie otrzymanego olejku, a także
jego właściwości przeciwzapalne.
184
BioOrg 2015
Badania zostały przeprowadzone w ramach projektu: „Opracowanie oraz wdrożenie nowych
immunomodulujących oraz przeciwbakteryjnych nutraceutyków.” realizowanego w ramach Programu
Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka.
Literatura:
1. H. J. Harzallah, B.Kouidhi, Guido Flamini, A. Bakhrouf, T.i Mahjoub (2011) Chemical composition, antimicrobial potential
against cariogenic bacteria and cytotoxic activity of Tunisian Nigella sativa essential oil and thymoquinone, Food Chemistry
129:1469–1474
2. Z. Solati, B. Sham Baharin, H. Bagheri (2012) Supercritical carbon dioxide (SC-CO2) extraction of Nigella sativa L. oil
using full factorial design, Industrial Crops and Products 36:519–523
3. M. Kiralan, G. Özkan, A. Bayrak, M. Fawzy Ramadan (2014) Physicochemical properties and stability of black
cumin(Nigella sativa) seed oil as affected by different extraction methods, Industrial Crops and Products 57:52–58
185
BioOrg 2015
PORÓWNANIE ODCZYNNIKÓW KONDENSUJĄCYCH W SYNTEZIE
OLIGOPEPTYDÓW
Monika Gensicka
Katedra Chemii Organicznej, Politechnika Gdańska, ul. Gabriela Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk
Od wielu lat prowadzi się poszukiwania związków wykazujących aktywność biologiczną.
Przykładem takiej substancji jest tuftsyna. Tetrapeptyd ten naturalnie występuje w organizmie ssaków,
wykazując działanie przeciwbakteryjne, przeciwwirusowe, a także przeciwnowotworowe [1, 2].
Otrzymałam odpowiednio chronione pochodne tuftsyny. W celu utworzenia wiązania
amidowego wykorzystałam metodę mieszanych bezwodników oraz odczynniki kondensujące jak EDCI,
EEDQ, DCC oraz T3P. Deprotekcję osłony Boc przeprowadziłam za pomocą kwasu trifluorooctowego, z
kolei osłony Fmoc przy użyciu 30% roztworu dietyloaminy w chloroformie. Otrzymane przeze mnie
związki oczyściłam na kolumnie chromatograficznej wypełnionej żelem krzemionkowym oraz na
płytkach TLC. Struktury chemiczne wszystkich pochodnych scharakteryzowałam za pomocą widm 1H
NMR i MS. Uzyskane analogi tuftsyny po deprotekcji osłony Boc z N-końcowego aminokwasu będę
łączyła ze związkami heterocyklicznymi.
Praca finansowana przez Narodowe Centrum Nauki (NCN) grant nr 2014/13/B/NZ7/02234.
Literatura:
[1] V.A. Najjar, K. Nishioka (1970) Tuftsin: a natural phagocytosis stimulating peptide, Nature 228:672-673
[2] M. Fridkin, V.A. Najjar (1989) Tuftsin: its chemistry, biology and clinical potential, Critical Reviews in Biochemistry and
Molecular Biology, 24:1-40
186
BioOrg 2015
BADANIA NAD SYNTEZĄ ORAZ BIOLOGICZNYMI WŁAŚCIWOŚCIAMI
NUKLEOZYDO AMIDOFOSFORANÓW
Justyna Gołębiewska1*, Jacek Stawiński1, Adam Kraszewski1, Andrzej Guranowski2,
Joanna Romanowska1**
1
Instytut Chemii Bioorganicznej Polskiej Akademii Nauk, ul. Z. Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań
2
Uniwersytet Przyrodniczy, ul. Wojska Polskiego 28, 60-637 Poznań
** e-mail: [email protected]
Wirus HIV jest jednym z trudniejszych do zwalczenia patogenów. Niemożliwym jest jego
usunięcie z zainfekowanej komórki, ponieważ wbudowuje fragmenty swojego materiału genetycznego
w DNA gospodarza. Jego szybki proces namnażania powoduje, że w krótkim czasie dochodzi do
zakażenia kolejnych komórek. Bardzo dobre poznanie mechanizmu infekcji i namnażania wirusa
pozwoliło na racjonalne projektowanie leków ukierunkowanych na określone cele molekularne, co
obecnie umożliwia na kontrolowanie rozprzestrzeniania się wirusa.
Jednym z takich celów jest proces odwrotnej transkrypcji, czyli przepisywania wirusowego RNA
na cDNA gospodarza, katalizowany przez odwrotną transkryptazę [1].
Na tym etapie projektuje się analogi 2',3'-dideoksynukleozydów. Związki te nie posiadają
funkcji 3'OH, co uniemożliwia przeprowadzenie procesu przepisywania materiału genetycznego wirusa.
Analogi 2',3'-dideoksynukleozydów są w zasadzie prolekami i aby spełniać swoją funkcję w hamowaniu
odwrotnej transkrypcji, po wniknięciu do komórki muszą zostać ufosforylowane do odpowiednich mono, di- i w końcu do aktywnych biologicznie trifosforanów.
Niestety, terapia wykorzystująca tego rodzaju leki, nie jest w pełni efektywna. Okazało się, że
kolejno zachodzące po sobie fosforylacje nie przebiegają z równą szybkością. Skutkiem tego może być
kumulacja w komórce produktów przejściowych np. monofosforanu AZT, którego nadmiar jest głównym
źródłem cytotoksyczności tego analogu nukleozydu. Dodatkowo, niektóre z tych związków (np. ddU) nie
są substratami dla kinaz komórkowych, co czyni je mało użytecznymi terapeutycznie.
W związku z ograniczeniami stosowanych analogów nukleozydów w terapii anty-HIV powstała
idea pronukleotydów. Według tej koncepcji prolekiem byłby odpowiednio chroniony nukleotyd –
pronukleotyd, z którego wewnątrz komórki usuwane są grupy maskujące resztę fosforanową i zostaje
uwolniony nukleozydo 5'-monofosforan, fosforylowany następnie do di- i trifosforanu (rysunek 1). Idea
pronukleotydów ma na celu przyspieszenie efektu terapeutycznego, omijając pierwsze, najtrudniejsze
etapy fosforylacji proleków w komórce.
187
BioOrg 2015
Rysunek 1. Idea działania pronukleotydów
Jedną z jednostek badawczych zajmujących się projektowaniem pronukleotydów jest Zakład
Chemii Kwasów Nukleinowych IChB PAN. W zakładzie tym otrzymano wysoce reaktywne
i charakteryzujące się niską cytotoksycznością pirydynylowe pochodne 5'-amidofosforanów [2].
Atrakcyjne parametry antywirusowe otrzymanych amidofosforanów zachęciły mnie do przeprowadzenia
badań mających na celu próbę poznania ich właściwości w kontekście aktywności antywirusowej.
Zakłada się, że rozpad amidofosforanów do pochodnych fosforanowych może zachodzić
w wyniku rozerwania wiązania P-N w reakcji katalizowanej przez enzym o aktywności fosfoamidazy [3,
4]. Dlatego pierwszym z zadań było otrzymanie związków posiadających ugrupowanie P-NH2 na drodze
możliwie szybkiej i efektywnej metody syntezy po to, by w następnej kolejności możliwe było
przeprowadzenie dalszych badań z udziałem enzymów. Synteza tych związków okazała się jednak
niemałym wyzwaniem. Dostępna literatura nie dostarcza bowiem efektywnej metody otrzymywania
niepodstawionych nukleozydo amidofosforanów. W celu otrzymania tej klasy związków, zastosowałam
nukleozydo H-fosfoniany jako substraty oraz amidki metali jako reagenty wprowadzające grupę -NH2 do
reszty fosforanowej nukleozydu.
Nowatorstwo metody polegało na użyciu amidków metali, które okazały się idealnymi
czynnikami nukleofilowymi wprowadzającymi grupę -NH2, tworząc jak dotąd nieotrzymywane na tej
drodze niepodstawione nukleozydo amidofosforany. Metoda ta okazała się być łatwą, szybką
(prowadzoną w warunkach „one pot”) i wydajną drogą syntezy (60-90%) tych związków (rysunek 2).
Szereg przeprowadzonych badań zmieniających parametry syntezy pozwoliło na ustalenie optymalnych
warunków reakcji. Eksperymenty te pomogły dokładnie poznać mechanizm reakcji oraz zidentyfikować
tworzące się produkty uboczne, co umożliwiło późniejsze wyeliminowanie czynników powodujących ich
powstawanie.
Rysunek 2. Schemat otrzymywania nukleozydo amidofosforanów
188
BioOrg 2015
Otrzymane związki były przekazane do badań biologicznych prowadzonych na Uniwersytecie
Przyrodniczym w Poznaniu, których celem było sprawdzenie właściwości substratowych otrzymanych
związków wobec fosfoamidaz (izolowanych z ludzkich tkanek), enzymów posiadających zdolność
hydrolizy wiązania P-NH2.
Synteza amidofosforanów prowadzona na nukleozydo H-seleno- oraz H-tiofosfonianach jako
substratach dowiodła, że opracowana metoda tworzenia wiązania P-NH2 jest łatwą i uniwersalną drogą
otrzymywania nie tylko amidofosforanowych pochodnych tlenowych, ale również analogów siarkowych
i selenowych.
Nukleozydo tio- lub seleno- amidofosforany zawierające niepodstawioną grupę aminową mogą
stanowić kolejną grupę pronukleotydów czyli nośników nukleozydo fosforanów, które w komórkach po
usunięciu grupy maskującej -NH2, mogą ulegać fosforylacji wobec kinaz komórkowych do aktywnego
trifosforanu. Mimo iż idea pronukleotydów zakłada tworzenie pochodnych nukleozydo fosforanowych
zawierających w swojej budowie lipofilowe grupy ułatwiające przenikanie cząsteczki przez
dwuwarstwową lipidową błonę komórkową, to wprowadzanie małej i neutralnej chemicznie grupy -NH2
może stanowić nowatorskie podejście w projektowaniu pronukleotydów kolejnej generacji. Wstępne
rekonesansowe badania parametrów antywirusowych dla amidofosforanów AZT wskazały, że związki te
nie są cytotoksyczne (CC50>200 µM) i w związku z tym mogą być rozważane jako nowy typ
potencjalnych pronukleotydów. Dalsze prace nad tą grupą związków, dedykowane nukleozydo
5’-difosforanom, są kontynuowane w Zakładzie Chemii Kwasów Nukleinowych IChB PAN.
Literatura:
[1] M. Piosik, J. Gołębiewska, J. Romanowska (2014) Strategie w projektowaniu pronukleotydów anty-HIV, w: Na pograniczu
chemii i biologii XXXII, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań
[2] J. Romanowska, M. Sobkowski, A. Szymańska-Michalak, K. Kołodziej, A. Dąbrowska, A. Lipniacki, A. Piasek, Z.M
Pietrusiewicz, M. Figlerowicz, A. Guranowski, J. Boryski, J. Stawiński, A. Kraszewski (2011) J. Med. Chem. 54:6482-6491
[3] E. Brets, A.M. Wojdyła-Mamoń, J. Kowalska, J. Jemielity, R. Kaczmarek, J. Baraniak, A. Guranowski (2013) ABP
Biochimica Polonica 60:249 -254
[4] A. Guranowski, A. M. Wojdyła, A.M. Rydzik, J. Stępiński, J. Jemielity, (2011) ABP Biochimica Polonica 58, 131-136
189
BioOrg 2015
AMIGDALINA – ŁATWO DOSTĘPNY ZWIĄZEK O CIEKAWYCH
WŁAŚCIWOŚCIACH FARMAKOLOGICZNYCH
Andrzej Günther1*, Barbara Bednarczyk-Cwynar2
Zakład Analizy Instrumentalnej, Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej ZUT, ul. Piastów 42, 71-065 Szczecin
2
Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Wydział Farmaceutyczny, ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań, Coll. Chemicum
1
Amigdalina (1), z łac. amygdalum - migdał, jest naturalnym składnikiem żywności, powszechnie
znanym pod nazwą witamina B17, jest również błędnie nazywana letrilem (2) [1]. Należy do grupy
glikozydów naturalnych, które są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Szczególnie bogate w ten
związek są nasiona z pestki moreli i wiśni, pestki gruszek, jabłek i śliwek, owoce czarnej dzikiej jagody,
dzikiej jabłoni, czy jagody czarnego bzu [2].
Rysunek 1.
Surowce roślinne oraz ich wodne ekstrakty zawierające amigdalinę dzięki swymi właściwościom
farmakologicznym znalazły różnorodne zastosowanie w medycynie chińskiej oraz starożytnym Egipcie.
Z zapisków historycznych wiemy, że leczono nimi obrzęki, grzybicę skóry, stosowano jako środki
przeczyszczające, przeciwkaszlowe czy wykrztuśne. Amigdalina została wyizolowana w 1830 roku,
z jąder pestek moreli (Prunus dulcis) przez dwóch francuskich chemików: Robiqueta i Charlanda.
Amigdalina jest związkiem kontrowersyjnym, ponieważ od lat stosuje się ją jako lek potencjalnie
przeciwnowotworowy, mimo braku twardych dowodów na jej skuteczność. Niedawno pojawiły się
doniesienia, że amigdalina aktywowana enzymem
-glukozydazą hamuje proliferację (szybki wzrost)
i wywołuje apoptozę u ludzkich komórek raka wątroby Hep G2. -Glukozydaza odpowiedzialna jest za
rozkład amigdaliny, katalizuje reakcję chemiczną, w wyniku której powstają dwie cząsteczki glukozy,
benzaldehyd oraz cyjanowodór (rysunek 2) [4]. Inne badania dowiodły, że amigdalina hamuje wzrost
komórek nowotworowych raka prostaty na liniach komórkowych DU145 i LNCaP [5], oraz komórek
raka szyjki macicy HeLa [6]. Ponieważ wstępne badania wskazują jednak na możliwość działania
przeciwnowotworowego amigdaliny, cieszy się ona coraz większym zainteresowaniem, zarówno wśród
chemików, jak i farmakologów. Szersze poznanie aktywności biologicznych tego związku chemicznego
190
BioOrg 2015
może zaowocować odkryciem nowych metod terapeutycznych, mogących mieć zastosowanie w leczeniu
chorób nowotworowych.
Rysunek 2.
Z literatury znane są różne metody pozyskiwania surowca z jąder pestek moreli, takie jak:
ekstrakcja eterem naftowym, metanolem czy izopropanolem. Jądra pestek moreli używane są ze względu
na największą zawartość amigdaliny, która dochodzi do 17,5 mg/g, oraz łatwą dostępność i niskie koszty
pozyskiwania.
Celem badań była izolacja amigdaliny z pestek moreli, przy zastosowaniu dwóch metod,
różniących się sposobem przygotowania materiału badawczego oraz użytym rozpuszczalnikiem, tj.
stosując izopropanol lub wodę i eter naftowy. Potrzebne do badań jądra pestki moreli zostały nabyte
drogą handlową, importowane z Izraela.
Użyty materiał został rozdrobniony w homogenizatorze i następnie pozostawiony do wysuszenia
w temperaturze pokojowej na okres tygodnia. Po tym czasie zauważono ubytek masy o 20%. Wysuszony
materiał przeniesiono do aparatu Soxhleta i ekstrahowano bezwodnym alkoholem izopropylowym przez
8 godzin.
W drugiej metodzie rozdrobiony materiał nie poddano osuszaniu, przeniesiono do dużej butelki z
ciemnego szkła i zalano dużą ilością wody destylowanej. Butelkę odstawiono na okres 48 godzin, w
temperaturze pokojowej, wstrząsając co jakiś czas. Następnie roztwór zdekantowano i przesącz ponowie
przefiltrowano na lejku ze spiekiem. Kolejnym krokiem była kilkukrotna ekstrakcja eterem naftowym.
Warstwę organiczną zatężono do ¼ objętości, podczas tego procesu zaobserwowano krystalizację
amigdaliny. Produkt kilkukrotnie przekrystalizowano, z małej ilości bezwodnego etanolu. Otrzymaną
substancję zidentyfikowano w oparciu o temperaturę topnienia, wyniki analizy 1H i 13C NMR, oraz IR.
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że druga metoda jest najefektywniejsza;
w pierwszej otrzymano oprócz amigdaliny spore ilości oleju, który bardzo utrudniał otrzymanie
kryształów głównego związku i wymuszał dodatkowe oczyszczenie.
Literatura:
[1] Calrns T., Frobeng J. E., Gonazles S. (1978) Analytical Chemistry of Amygdalin. Anal. Chem. 50(2)317–322
191
BioOrg 2015
[2] Bolarinwa F.B., Orfila C., Morgan M.R.A. (2014) Amygdalin content of seeds, kernels and food products commerciallyavailable in the UK. Food Chemistry 152:133–139
[3] Wei-Feng Lv, Ding Ming-Yu. (2005) Isolation and Quantitation of Amygdalin in Apricot-kernel and Prunus Tomentosa
Thunb. by HPLC with Solid-Phase Extracion. J Chromatogr Sci. 43(7)383–387
[4] Zhou C., Qian L., Ma H., Yu X., Zhang Y., Qu W., Zhang X., Xia W (2012) Enhancement of amygdalin activated with -dglucosidase on HepG2 cells proliferation and apoptosis, Carbohydr Polym. 90, pp 516–523
[5] Chang HK., Shin M., Yang H., Lee JW., Kim YS., Lee MH., Kim J., Kim KH., Kim CJ (2006) Amygdalin Induces
Apoptosis through Regulation of Bax and Bcl-2 Expressions in Human DU245 and LNCaP Prostate Cancer Cells. Biol.
Pharm. Bull. 29(8):1597–1602.
[6] Chen Y., Ma J., Wang F., Hu J, Cui A., Wei C., Yang Q., Li F. (2013) Amygdalin induces apoptosis in human cervical
cancer cell line HeLa cells. Immunopharmacol. Immunotoxicol. 35(1):43–51
192
BioOrg 2015
OPTYMALIZACJA ANALIZY LIPIDÓW WYSTĘPUJĄCYCH
W MIOBLASTACH
Jakub Idkowiak*, Jędrzej Dąbrowski, Łukasz Marczak, Maciej Stobiecki
Instytut Chemii Bioorganicznej, Polska Akademia Nauk, ul. Noskowskiego 12/14, Poznań, Polska
Metabolomika to dynamicznie rozwijająca się dziedzina nauki związana z badaniem produktów
przemian chemicznych zachodzących na poziomie komórkowym, tkankowym czy organizmu.
Za podstawową grupę metabolitów uważa się obecnie lipidy i ich pochodne tworzone w wyniku
różnorodnych oddziaływań z łańcuchami białkowymi – tzw. lipoproteiny.
Intensywny rozwój badań nad lipidomami komórkowymi, trwający od ok. 10 lat, doprowadził
do wyróżnienia lipidomiki, czyli dyscypliny metabolomiki poświęconej hierarchii organizacyjnej lipidów
i ich pochodnych biorących udział w podstawowych procesach metabolicznych [1].
Lipidy stanowią szeroką grupę substancji chemicznych pełniących ważne funkcje biologiczne.
Zapewniają integralność komórek poprzez tworzenie błon, magazynują energię, a także kreują
odpowiednie, hydrofobowe, środowisko, które pozwala białkom błonowym na przekazywanie sygnałów
między zewnętrznym i wewnętrznym środowiskiem komórki czy pełnienie roli katalizatorów reakcji
biochemicznych [1, 2].
Wyróżnia się lipidy niepolarne, polarne i ich metabolity [1].
Pierwszą grupę stanowią przede wszystkim cholesterol i jego estry, a także triacyloglicerole
(TAG). Charakterystyczne jest zróżnicowanie niepolarnych lipidów w zależności od typu badanych
komórek, ale także ich budowa – składają się one z małych lub słabo polarnych fragmentów
i dominujących hydrofobowych elementów, które np. w przypadku TAG - stanowią reszty kwasów
tłuszczowych [1].
Wśród tzw. polarnych lipidów wyróżnia się fosfolipidy posiadające resztę kwasu fosforowego
związaną z zasadą azotową np. choliną i jednocześnie połączoną wiązaniem estrowym z diacylowaną
gliceryną. Inną grupą związków są sfingolipidy będące licznymi pochodnymi aminoalkoholu sfingozyny.
Łańcuch sfingozyny łączy się poprzez mostek tlenowy z choliną, seryną czy etanoloaminą, a poprzez
wiązanie amidowe z resztami kwasów tłuszczowych. Należy także zwrócić uwagę na glikolipidy, jako
kolejną, często identyfikowaną grupę substancji wśród lipidów polarnych. Ich cząsteczki zbudowane
są z łańcuchów kwasów tłuszczowych lub sfingozyny i reszt cukrowych (glukozy lub galaktozy)
związanych z nimi [1, 2].
Z kolei metabolity lipidów powstają na drodze reakcji enzymatycznych, których substratami
są cząsteczki lipidów lub ich prekursory. Wśród najbardziej znanych związków, należących do tej grupy,
193
BioOrg 2015
wyróżniamy acylokarnityny, wolne kwasy tłuszczowe (NEFA) i ich estry, ceramidy, lizolipidy, część
koenzymów np. Acyl – CoA i wiele innych [1, 2].
Ze względu na silne zróżnicowanie budowy i właściwości cząsteczek lipidów, pełna analiza
lipidomu jest trudna lub na chwilę obecną w wielu przypadkach wręcz niemożliwa. Komplikacje
pojawiają się nie tylko na etapie pozyskania analitu z matrycy, ale także w czasie samej analizy.
Stosowane są dwa podstawowe sposoby wydzielenia lipidów z próbek, do których należą
ekstrakcja typu ciecz – ciecz oraz ekstrakcja do fazy stałej (SPE – ang. solid phase extraction).
Rozpuszczalniki, które pozwalają na wyekstrahowanie szerokiej gamy lipidów to MTBE (eter
tert – butylowo - metylowy), mieszanina metanolowo – chloroformowa, octan etylu z dodatkiem
alkoholu izopropylowego czy heksan. Ekstrakcję intensyfikuje się przy pomocy ultradźwięków, mikrofal,
zmian ciśnienia i temperatury lub poprzez użycie aparatu Soxhleta. Możliwe jest zastosowanie substancji
w stanie nadkrytycznym np. nadkrytycznego CO2 [2, 3].
W przypadku stosowania techniki SPE do analizy lipidomu, fazę stacjonarną stanowią silikażele
z powierzchnią modyfikowaną grupami cyjanowymi, aminowymi lub diolami. Popularnymi eluentami
są metanol, heksan i chloroform [2].
Zastosowanie w analizie lipidomicznej ma chromatografia sprzężona z różnymi
technikami spektrometrii mas [2, 3].
Celem
badań
było
przeprowadzenie
optymalizacji
przygotowania
próbek
do
analiz
MS oraz skuteczna analiza jakościowa lipidów wyekstrahowanych z hodowli komórkowych.
Analit ekstrahowano mieszaniną chloroformowo – metanolową oraz octanem etylu z dodatkiem
alkoholu izopropylowego. Ekstrakty po przeniesieniu do fazy ruchomej analizowano metodami
LC/q-ToF, nano-LC/q-ToF, a także przy pomocy tandemowego spektrometru mas z jonizacją typu Maldi
(Maldi ToF/ToF) oraz techniki „Direct infusion”, czyli bezpośredniej analizy ESI-MS.
Rezultatem przeprowadzonych analiz jest wybór optymalnej procedury analizy jakościowej
pozwalającej na identyfikację szerokiej grupy metabolitów należących do lipidów.
Literatura:
[1] X. Han, R.W. Gross (2004) Shotgun lipidomics: electrospray ionization mass spectrometric analysis and quantitation of
cellular lipidomes directly from crude extracts of biological samples, Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com)
dostęp: 10.11.2015 r., 23:05
[2] P. Donato, F. Cacciola, M. Beccaria, P. Dugo, L. Mondello (2015) Lipidomics, Comprehensive Analytical Chemistry
68: 395-439
[3] V. Matyash, G. Liebisch, T.V. Kurzchalia, A. Shevchenko, D. Schwudke (2008) Lipid extraction by methyl-tert-butyl ether
for high-throughput lipidomics, Journal of Lipid Research 49(5): 1137-1146
194
BioOrg 2015
NOWE IDEE W PROJETOWANIU PRO-LEKÓW ANTY-HIV – NUKLEOZYDO
DIFOSFORANY
Tomasz Jakubowski, Marta Rachwalak, Joanna Romanowska*
Instytut Chemii Bioorganicznej PAN, Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań, Poland;
Pro-nukleotydy odgrywają istotną rolę w terapii antywirusowej [1]. Substancje te muszą spełniać
wiele, czasami sprzecznych z sobą, kryteriów: powinny być obojętne elektrycznie, wysoce lipofilowe,
dobrze rozpuszczalne w wodzie, stabilne w warunkach fizjologicznych, powinny przenikać do
docelowych komórek, a następnie na drodze chemicznej i/lub enzymatycznej zostać przekształcone do
odpowiednich nukleotydów i wreszcie do ich aktywnych form, czyli 5’-trifosforanów. Jesteśmy
przekonani, że zastosowanie boranowych grup maskujących zwiększy lipofilowość, przy jednoczesnym
obniżeniu cytotoksyczności [2, 3] tego typu związków chemicznych. Bazując na chemii H-fosfonianów,
został opracowany nowy protokół syntetyczny dla otrzymania nukleozydo 5’-difosforanów, nowej klasy
pro-nukleotydów o potencjalnym zastosowaniu w terapii anty-HIV [4].
Rysunek 1. Ogólna metoda syntezy nukleozydo 5’-difosforanów
Literatura:
[1] J. Romanowska, M. Sobkowski, A. Szymańska-Michalak, K. Kołodziej, A. Dąbrowska, A. Lipniacki, A. Piasek, Z.
Pietrusiewicz, M. Figlerowicz, A. Guranowski, J. Boryski, J. Stawiński, A. Kraszewski (2011) Aryl H-Phosphonates 17: (NAryl)phosphoramidates of Pyrimidine Nucleoside Analogues and Their Synthesis, Selected Properties, and Anti-HIV Activity J.
Med. Chem. 54: 6482-6491
[2] H. Li, C. Hardin, B. R. Shaw (1996) Hydrolysis of Thymidine Boranomonophosphate and Stepwise Deuterium Substitution
of the Borane Hydrogens. 31P and 11B NMR Studies J. Am. Chem. Soc. 118: 6606-6614
[3] I. H. Hall, B. S. Burnham, K. G. Rajendran, S. Y. Chen, A. Sood, B. F. Spielvogel, B. R. Shaw (1993) Hypolipidemic
Activity of Boronated Nucleosides and Nucleotides in Rodents Biomed. Pharmacother 47: 79-87
[4] L. Weinschenk, T. Gollnest, D. Schols, J. Balzarini, Ch. Meier (2015) Bis(benzoyloxybenzyl)-DiPPro nucleoside
diphosphates of anti-HIV active nucleoside analogues ChemMedChem 10: 891-900
195
BioOrg 2015
WŁAŚCIWOŚCI PRZECIWUTLENIAJĄCE KAWY ZIELONEJ
A ZANIECZYSZCZENIA MYKOTOKSYNAMI
Magdalena Jeszka-Skowron1*, Agnieszka Zgoła-Grześkowiak1, Agnieszka Waśkiewicz2
1
Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Politechnika Poznańska, Berdychowo 4, 60-965 Poznań
2
Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Wojska Polskiego 75, 60-625 Poznań
Kawa (Coffea), obok herbaty, jest jednym z najczęściej spożywanych napoi. Najważniejszymi
gatunkami kawy są Coffea arabica i Coffea canephora var. robusta. Kawa oprócz kofeiny, zawiera
również inne związki bioaktywne, w tym kwasy chlorogenowe o właściwościach przeciwutleniających
[1]. Stwierdzono również, że picie kawy w umiarkowanych ilościach obniża ryzyko powstawania
nowotworów, cukrzycy, chorób wątroby, a także chroni przed powstawaniem chorób neurologicznych
[2]. Wykazano, że ekstrakty z zielonych ziaren kawy powodują obniżenie zawartości tkanki tłuszczowej
trzewnej oraz masy ciała [3]. Jakość kawy zależy również od obecności zanieczyszczeń mykologicznych.
Niektóre pleśnie m.in. Fusarium, Trichoderma, Alternaria produkują niebezpieczne dla zdrowia
mykotoksyny w tym ochratoksynę A i aflatoksyny, które mogą powodować wiele chorób, w tym
nowotwory i choroby układu nerwowego [4]. Markerem zanieczyszczenia żywności mykotoksynami
może być występowanie wysokiego stężenie ergosterolu [5].
Celem badań było oznaczenie aktywności przeciwutleniającej naparów z kawy zielonej Arabiki
i Robusty za pomocą testów ze stabilnymi rodnikami ABTS (kwas 2,2’-azino-bis(3-etylobenzo-tiazolino6-sulfonowy) i DPPH (2,2’-difenylo-1-pikrylohydrazyl). Zielone ziarna kawy analizowano pod
względem stężenia ergosterolu, mykotoksyn, w tym ochratoksyny A i aflatoksyn B1, B2, G1 i G2 za
pomocą wysokosprawnej chromatografii cieczowej sprzężonej ze spektrometrem mas.
Materiałem do badań były zielone ziarna kawy pochodzące z 8 różnych krajów, w tym ziarna
poddane dekofeinizacji (CH2Cl2) i obróbce parą wodną (steamed) oraz prażone. W badaniu aktywności
przeciwutleniającej ziarna kawy ekstrahowano wodą dejonizowaną (94°C, 10 min). Ekstrakty
analizowano techniką spektrofotometrii VIS [6]. Oznaczanie ergosterolu, aflatoksyn i ochratoksyny A
w ziarnach kawy wykonano techniką HPLC-MS/MS [5].
Stwierdzono, że aktywność przeciwutleniająca naparów z zielonej kawy Robusta oznaczana
testami ABTS, DPPH była najwyższa, natomiast dla Arabiki znacząco niższa (Tabela 1). Aktywność ta
dla kawy Robusta pochodzącej z Wietnamu była najwyższa, zwłaszcza dla naparu z ziaren kaw poddanej
procesom dekofeinizacji oraz obróbki parą wodną. Natomiast najniższą aktywność przeciwutleniającą
wykazano dla kawy Arabika pochodzącej z Laosu. Prażanie ziaren kawy wpływa na obniżenie
aktywności przeciwutleniającej naparów, zwłaszcza w teście ABTS. Podobne rezultaty były wcześniej
196
BioOrg 2015
obserwowane [7]. Stosując liniową korelację Pearsona, stwierdzono bardzo wysoką pozytywną zależność
pomiędzy wynikami aktywności przeciwutleniającej w testach ABTS i DPPH (r2=0.956).
Ergosterol oznaczono we wszystkich badanych próbkach kawy od 173 ng g-1 dla kawy Arabika
pochodzącej z Chin do 13954 ng g-1 dla kawy pochodzącej z Indonezji (Tabela 1). Średnie stężenie
ergosterolu w kawach Arabika było niższe niż dla kaw Robusta. Stwierdzono, że prażenie kawy
powoduje 90% obniżenie stężenia ergostrolu do 229 ng g-1 dla kawy prażonej z Wietnamu. Jednocześnie
wysokie stężenie ergostrolu w indonezyjskiej kawie wskazuje na wysokie zanieczyszczenie pleśniami.
Najczęściej występującą mykotoksyną była aflatoksyna B1 i najwyższe jej stężenie
obserwowano dla ziaren kawy Robusta pochodzącej z Laosu (Tabela 1). Stwierdzono, że aflatoksyny B1
i G1 dominowały w ziarnach kawy zielonej i te obserwacje pokrywają się z wynikami Bokhari i Aly [8].
Stężenia mykotoksyn były niższe niż w innych badaniach [9,10]. Ochratoksyna A wystąpiła w 4
próbkach zielonych ziaren kawy: Robusta - Wietnam zielona oraz Uganda Sc12, a także w Arabice
z Laosu oraz z Chin. Wartości te nie przekroczyły limitów UE i były zbliżone do rezultatów Leonga
i wsp. [10]. Natomiat Bokhari oznaczył wyższe stężenie ochratoksyny A w zakresie od 3.77 do
25.9 ng g-1 w zielonych ziarnach kawy z Arabii Saudyjskiej [9]. Prażenie kawy powoduje obniżenie
stężenia mykotoksyn w ziarnach kawy, podobnie jak ergosterolu. Zbliżone wyniki otrzymano w innych
badaniach [8]. Nie stwierdzono korelacji liniowej pomiędzy stężeniem ergosterolu i mykotoksyn
w badanych próbkach zielonej kawy.
Podsumowując napary z zielonej kawy, zwłaszcza z gatunku Coffea canephora var. robusta,
wykazują wyższe właściwości przeciwutleniające w porównaniu do naparów Coffea arabica. Zielone
ziarna kawy Arabika i Robusta zawierają mykotoksyny, jednakże ich wartości nie przekraczają
dopuszczalnych limitów ustanowionych przez Unię Europejską.
Badania zostały zrealizowane przy finansowym wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa
Wyższego, projekt badawczy 03/31/DSPB/0296.
Literatura:
[1] M. Jeszka-Skowron, A. Zgoła-Grześkowiak, T. Grześkowiak (2015) Analytical methods applied for the characterization
and the determination of bioactive compounds in coffee, European Food Research and Technology 240:19-31
[2] A. Cano-Marquina, J.J. Tarín, A. Cano (2013) The impact of coffee on health, Maturitas, 75:7-21
[3] H. Shimoda, E. Seki, M. Aitani (2006) Inhibitory effect of green coffee bean extract on fat accumulation and body weight
gain in mice, BMC Complementary and Alternative Medicine 17:6-9
[4] A.A. Nuru (2015) Occurrence, harmful effects and analytical determination of ochratoxin A in coffee, Journal of Applied
Pharmaceutical Science 5:120-127
197
BioOrg 2015
[5] E. Stanisz, A. Zgoła-Grześkowiak, A. Waśkiewicz, Ł. Stępień, M. Beszterda (2015) Can ergosterol be an indicator of
fusarium fungi and mycotoxins in cereal products? Journal of the Brazilian Chemical Society 26:1-8
[6] M. Jeszka-Skowron, A. Zgoła-Grześkowiak (2014) Analysis of antioxidant activity, chlorogenic acid, and rutin content of
Camellia sinensis infusions using response surface methodology optimization, Food Analytical Methods 7:2033-2041
[7] E. Nebesny, G. Budryn (2003) Antioxidative activity of green and roasted coffee beans as influenced by convection and
microwave roasting methods and content of certain compounds, European Food Research and Technology 217:157-163
[8] F.M. Bokhari, M.M. Aly (2009) Evolution of traditional means of roasting and mycotoxins contaminated coffee beans in
Saudi Arabia, Advances in Biological Research 3:71-78
[9] F.M. Bokhari (2007) Mycotoxins and toxigenic fungi in Arabic coffee beans in Saudi Arabia, Advances in Biological
Research 1:56-66
[10] S.L. Leong, L.T. Hien, T.V. An, N.T. Trang, A.D. Hocking, E.S. Scott (2007) Ochratoxin A-producing Aspergilli in
Vietnamese green coffee beans, Letters in Applied Microbiology 45:301-306
Tabela 1. Aktywność przeciwutleniająca oraz zawartość ergosterolu, aflatoksyn i ochratoksyny A
w badanych kawach
Kawa
Robusta
Arabika
Pochodzenie
kawy
ABTS
[mM Trolox
na 100 g]
DPPH
[mM Trolox
na 100 g]
Ergosterol
[ng g-1]
Wietnam GR2
228,26 ± 8,24
37,60 ± 0,46
2218 ± 156
Wietnam
steamed
Wietnam
dekafeinowana
Wietnam GR2
prażona
270,36 ± 8,98
46,23 ± 0,54
2321 ± 161
-
-
253,56 ± 1,17
43,24 ± 2,02
833 ± 85
4,87±1,02/ NW /
4,52±0,91 / NW
NW
163,51 ± 9,15
34,26 ± 1,23
229 ± 8
NW/ NW/ NW/ NW
NW
Laos
220,23 ± 2,27
32,14 ± 2,62
3407 ± 104
17,45±2,11/ NW/
5,23±0,62/ NW
NW
Uganda
Bugishu
193,25 ± 2,40
33,56 ± 0,67
934 ± 44
NW/ NW/ NW/ NW
NW
Uganda Sc12
244,17 ± 4,32
44,40 ± 1,26
Indonezja
194,70 ± 3,96
32,55 ± 0,29
Indie Cherry
239,70 ± 3,21
42,70 ± 0,72
Laos
134,87 ± 0,85
16,13 ± 2,57
Brazylia
151,48 ± 2,79
22,24 ± 0,82
Rwanda
140,21 ± 8,05
21,39 ± 1,40
Chiny
154,89 ± 4,07
23,41 ± 1,81
NW – nie wykryto
198
Aflatoksyny B1/ B2/
Ochratoksyna A
G1/ G2
[ng g-1]
-1
[ng g ]
9,28±1,07/ NW/ NW/
2,06±0,13
NW
5,53±0,66/ NW/ NW/
NW
10,35±0,93/ NW/
13954 ± 324
9,28±1,84/ NW
7,11±1,45/ NW/ NW/
900 ± 22
NW
6,16±0,74/ 1,11±0,09/
194 ± 11
5,73±0,49/ NW
1,83±0,42/ NW/
979 ± 71
0,82±0,07/ NW
2,91±0,40/ NW/ NW/
1202 ± 64
NW
11,03±0,64/
173 ± 14
1,44±0,08/ 8,14±0,71/
0,95±0,05
2385 ± 139
1,27±0,08
NW
NW
4,34±0,32
NW
NW
1,57±0,33
BioOrg 2015
NOWE POCHODNE MONENZYNY A – SYNTEZA, BADANIA
SPEKTROSKOPOWE ORAZ OCENA WŁAŚCIWOŚCI
ANTYPROLIFERACYJNYCH
Greta Klejborowska1*, Michał Antoszczak1, Adam Huczyński1, Ewa Maj2, Joanna Wietrzyk2
1
Pracownia Chemii Bioorganicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b,
61-614 Poznań
2
Instytut Immunologii i Terapii Doświadczalnej im. Ludwika Hirszfelda, Polska Akademia Nauk, ul. Rudolfa Weigla 12,
53-114 Wrocław
Monenzyna A (MON) jest przedstawicielem dużej grupy naturalnie występujących
polieterowych antybiotyków jonoforowych i jest izolowana ze szczepu bakterii Streptomyces
cinnamonensis. Związek ten charakteryzuje się szerokim spektrum właściwości biologicznych i znalazł
zastosowanie w weterynarii jako kokcydiostatyk i niehormonalny stymulator wzrostu bydła. Ponadto
monenzyna indukuje apoptozę niektórych komórek nowotworowych. Nie jest jednak stosowana
w leczeniu ludzi, gdyż efekt terapeutyczny jest niewspółmierny do wywołanych skutków ubocznych [1].
Aktywność
antybiotyków
jonoforowych
jest
warunkowana
przez
ich
zdolność
do
transportowania jonów przez błony komórkowe i mitochondrialne, co w rezultacie prowadzi do
zniesienia naturalnego gradientu stężeń i zaburzenia istotnych procesów komórkowych. Wykazano dwa
możliwe rodzaje transportu jonów przez monenzynę A: transport neutralny (ang. neutral transport)
polegający na wymianie protonu grupy karboksylowej na kation metalu oraz transport elektrogenny (ang.
electrogenic transport), czyli generujący napięcie elektryczne na płaskich dwuwarstwach lipidowych
poprzez przeniesienie kationu metalu skompleksowanego przez cząsteczkę kwasu monenzynowego [2,3].
W literaturze istnieje szereg prac poświęconych modyfikacjom chemicznym, jednak żadna
z pochodnych nie znalazła do tej pory zastosowania farmaceutycznego [4]. Celem naszej grupy
badawczej jest synteza nowych pochodnych monenzyny o zróżnicowanych podstawnikach, które
powinny wpłynąć na zwiększenie selektywności i obniżenie toksyczności związku. W wyniku ostatnich
prac otrzymano serię nowych trzeciorzędowych amidów monenzyny oraz biokoniugat monenzyny
z
sylibną
(SIL).
Otrzymane
pochodne
charakteryzują
się
interesującymi
właściwościami
antyproliferacyjnymi, wysokim indeksem selektywności, a także przełamują lekooporność wybranych
linii komórkowych [5,6].
199
BioOrg 2015
OH
O
O
OH
O
O
O
O
O
O
O
HO
O
OH
O
O
MON-SIL (35%)
OH
OH
OH O
(a)
OH
O
O
HO
OH
O
O
O
O
O
OH
Monenzyna A (MON)
(b)
OH
O
R
1 (58%)
N
O
OH
O
O
O
2 (64%)
O
N
O
OH
3 (50%)
O
R=
N
4 (73%)
N
5 (84%)
N
H
6 (34%)
N
N
O
Rysunek 1. Synteza pochodnych monenzyny A. Reagenty i warunki:
(a) Synteza koniugatu sylibiny z monenzyną: MON (1 eq), SIL (2,5 eq), DCC (1,5 eq), PPy (0,5 eq),
p-TSA (0,23 eq), 0°C do RT, 24h;
(b) Synteza trzeciorzędowych amidów monenzyny: MON (1eq), DCC (1,2 eq), HOBt (0,5 eq), odpowiednia amina
drugorzędowa (2,5 eq), DMF, 0°C – 1h, później RT - 24h.
Wydajności, z jakimi uzyskano oczyszczone produkty, zostały podane w nawiasach.
200
O
BioOrg 2015
Literatura:
[1] D. Łowicki, A. Huczyński (2012) Structure and antimicrobial properties of monensin A and its derivatives: Sumary of the
achievements, BioMed Research International 2013: Article ID 742149
[2] A. Huczyński, J. Janczak, D. Łowicki, B. Brzezinski (2012) Monensin A acid complexed as a model of electrogenic
transport of sodium cation, Biochimica et Biophysica Acta 1818(9): 2108-2119
[3] Y.N. Antonenko, T.I. Rokitskaya, A. Huczyński (2015) Electrogenic and nonelectrogenic ion fluxes cross lipid and
mitochondria membranes mediated by monensin and monensin etyl ester, Biochimica et Biophysica Acta 1848(4): 995-1004
[4] M. Antoszczak, J. Rutkowski, A. Huczyński (2015) Structure and biological activity of polyether ionophores and their
semisynthetic derivatives, w: G. Brahmarchi, Bioactive natural products, Wydawnictwo Wiley-VCH, Weinheim
[5] A. Huczyński, G. Klejborowska, M. Antoszczak, E. Maj, J. Wietrzyk (2015) Anti-proliferatives activity of monensin and its
tertiary amide derivatives, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 25: 4539-4543
[6] M. Antoszczak, G. Klejborowska, M. Kruszyk, E. Maj, J. Wietrzyk, A. Huczyński (2015) Synthesis and antiproliferative
activity of silybin conjugates with Salinomycin and monensin, Chemical Biology & Drug Design, doi:10.1111/cbdd.12602
201
BioOrg 2015
SYNTEZA I BIOCHEMICZNE ZASTOSOWANIE KOMPLEKSÓW
METALOKARBONYLOWYCH NA NANOCZĄSTKACH MAGNETYCZNYCH
POKRYTYCH ZŁOTEM
Bogna Rudolf1, Aneta Kosińska1*, Agnieszka Z. Wilczewska2, Iwona Misztalewska2,
Michele Salmain3,4
1
Katedra Chemii Organicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet Łódzki, 91-403 Łódź
2
Instytut Chemii, Uniwersytet w Białymstoku, 15-245 Białystok
3
UMPC Uniwersytet w Paryżu 06, UMR 8232, IPCM, F-75005, Paryż, Francja
4
CNRS, UMR 8232, IPCM, F-75005 Paryż, Francja
Nanocząstki magnetyczne pokryte złotem o strukturze typu „rdzeń-powłoka” (ang. core-shell)
MNPs@Au, ze względu na unikalne właściwości, takie jak np.: wysoki moment magnetyczny,
możliwość modyfikacji powierzchni związkami organicznymi oraz powłokami polimerowymi, zyskują
coraz większe zainteresowanie. Nanocząstki typu core-shell stosowane są między innymi w testach
immunologicznych, separacji komórek, transporcie leków, hipertermicznym leczeniu guzów litych oraz
jako środki kontrastowe do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI). Mogą być one
wykorzystane np. jako katalizatory w syntezach organicznych, a następnie usuwane z mieszaniny przy
użyciu zewnętrznego pola magnetycznego.
W ciągu ostatnich lat w Katedrze Chemii Organicznej UŁ prowadzone są badania nad
immobilizacją kompleksów typu (η5-cyklopentadienyl)M(CO)x(η1-N-maleimidato) (M=Fe, x=2, M=Mo,
W x=3) na nanocząstkach magnetycznych pokrytych złotem. Wykazują one charakterystyczne pasma
absorpcji w spektroskopii IR w zakresie 1800-2150 cm-1. Wskazane kompleksy mogą być zastosowane
jako znaczniki, ponieważ większość biomolekuł nie wykazuje pasm absorpcji w tym zakresie.
W prezentowanej pracy przedstawiono immobilizację kompleksów metalokarbonylowych (zawierających
mostek dwusiarczkowy) oraz przeciwciał na nanocząstkach magnetycznych pokrytych złotem, a także
charakterystykę fizykochemiczną takich nanoukładów [1].
Praca została wykonana w ramach grantu NCN, grant nr. DEC-2011/03/B/ST5/01480
Literatura:
[1] B. Rudolf, M. Salmain, J. Grobelny, G. Celichowski, M. Cichomski (2013) Preparation of metallocarbonyl-gold-antibody
bioconjugates for mid-IR optical immunosensing, Journal of Organometallic Chemistry 734: 32-37
202
BioOrg 2015
ZASTOSOWANIE 5'-TRÓJFOSFORANÓW-2'AZYDO-2'DEOKSYNUKLEOZYDÓW W BADANIU STRUKTURY
DRUGORZĘDOWEJ RNA
Weronika Kotkowiak, Żaneta Zarębska, Ryszard Kierzek
Zakład Chemii i Biologii Strukturalnej Kwasów Nukleinowych,
Od wielu lat oligomery RNA zawierające modyfikowane nukleotydy są obiektem
zainteresowania naukowców, ze względu na ich dużą odporność na hydrolizę chemiczną i enzymatyczną.
Dzięki tym właściwościom znalazły zastosowanie m.in. w procesie wyciszania ekspresji genów,
znakowaniu RNA oraz badaniu oddziaływań międzycząsteczkowych. Początkowo otrzymywano je na
drodze syntezy chemicznej, następnie wraz z rozwojem inżynierii genetycznej, metodami
enzymatycznymi przy wykorzystaniu mutantów polimerazy RNA bakteriofaga T 7 [1, 2].
Reakcja „click”, polegająca na łączeniu prostych substratów w bardziej złożone produkty, ściśle
odzwierciedla procesy zachodzące w przyrodzie. Po raz pierwszy została opisana przez Sharpless i in.
[3]. Do tej pory wykorzystywano ją do znakowania końca 3’ lub 5’ oligorybonukleotydów [4, 5] oraz
w chemicznej syntezie dłuższych oligomerów RNA (powyżej 60 nt) [6].
W niniejszej pracy po raz pierwszy proponujemy połączenie transkrypcyjnej inkorporacji
5’-trójfosofranu-2’-azydo-2’-deoksynukleozydu z wprowadzeniem potranskrypcyjnej modyfikacji tej
grupy przy zastosowaniu reakcji „click”. Umożliwi to stworzenie nowej, uniwersalnej metody określania
struktury drugorzędowej RNA, użytecznej w badaniu dłuższych oligorybonukleotydów.
W pierwszym etapie realizacji badań wykonaliśmy optymalizację reakcji transkrypcji 5S rRNA
przy użyciu 5’-trójfosforanów-2’-azydo-2’-deoksynukleozydów oraz mutanta Pol T7 (Y639F). Pełnej
długości produkt udało się uzyskać w przypadku, gdy mieszanina reakcyjna zawierała jeden
z modyfikowanych nukleotydów: 5’-trójfosforan-2’-azydo-2’-deoksyadenozyny lub 5’-trójfosforan
2’-azydo-2’-deoksycytydyny lub 5’-trójfosforan-2’-azydo-2’-deoksyurydyny oraz 3 pozostałe, naturalne
nukleotydy. Prowadzenie reakcji w obecności 5’-trójfosforanu-2’-azydo-2’-deoksyguanozyny za każdym
razem kończyło się niepowodzeniem. Uzyskany transkrypt poddaliśmy reakcji sprzęgania grupy
azydowej z estrem DBCO-sulfo-NHS. Następnie przeprowadziliśmy reakcję odwrotnej transkrypcji
z użyciem znakowanych fluorescencyjnie starterów oraz elektroforezy kapilarnej w celu wykrycia
miejsca modyfikacji badanego RNA.
Pierwsze, wstępne wyniki eksperymentalne wskazują na występowanie różnicy poziomu
modyfikacji
RNA zawierającego w
swoim
łańcuchu
203
grupę 2’-azydkową
w stosunku do
BioOrg 2015
niemodyfikowanej kontroli. Konieczne jest jednak przeprowadzenie dalszych badań, które pozwolą
zweryfikować istnienie różnic modyfikacji grupy 2’-azydowej w rejonach jedno- i dwuniciowych
badanego oligorybonukleotydu. Poczynione obserwacje mogą stanowić podstawę do opracowania nowej
metody określania struktury drugorzędowej RNA.
Badania były finansowane w ramach realizacji projektu Młod-WK 500-8051.
Literatura:
[1] R. Sousa, R. Padilla (1995) A mutant T7 RNA polymerase as a DNA polymerase, The EMBO Journal 14: 4609-4621
[2] R. Padilla, R. Sousa (2002) A Y639F/H784A T7 RNA polymerase double mutant displays superior properties for
synthesizing RNAs with non-canonical NTPs, Nucleic Acids Research 30: e138
[3] H. C. Kolb, M. G. Finn, K. B. Sharpless (2001) Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions,
Angewandte Chemie International Edition 40: 2004-2021
[4] A. Samanta, A. Krause, A. Jaschke (2014) A modified dinucleotide for site-specific RNA-labelling by transcription priming
and click chemistry, Chemical Communications 50: 1313-1316
[5] T. Santner, M. Hartl, K. Bister, R. Micura (2014) Efficient Access to 3’-Terminal Azide-Modified RNA for Inverse ClickLabeling Patterns, Bioconjugate Chemistry 25: 188-195
[6] J. Frommer, R. Hieronymus, T. Arunachalam, S. Heeren, M. Jenckel, A. Strahl, B. Appel, S. Müller (2014) Preparation of
modified long-mer RNAs and analysis of FMN binding to the ypaA aptamer from B. subtilis, RNA Biology 11: 609-623
204
BioOrg 2015
(odstęp pANALIZA
WPŁYWU WYCIĄGÓW ROŚLINNYCH NA KIEŁKOWANIE
NASION W UPRAWACH HYDROPONICZNYCH
stęp pojedynczy, 10 pkt)
Anna Kowalczyk, Joanna Leśniewicz, Patrycja Kachelska, Anna Parus*
(odstęp
Substancje roślinne wykazujące potencjał allelopatyczny pod względem chemicznym należą do
całej gamy związków organicznych, są nimi m.in. etylen, kumaryny, sorgoleon, helianuol, jugnol.
Związki te mogą stymulować lub inhibować rozwój innych sąsiadujących z nimi gatunków, jednakże
związki stymulujące wzrost mogą w wysokich stężeniach pełnić funkcję inhibitorów, jak również
związki uważane za inhibitory w niskich stężeniach mogą powodować stymulacje niektórych procesów.
Większość substancji allelopatycznych między innymi ze względu na hydrofilowe właściwości, łatwo
przenika do gleby, skąd pobierane są przez system korzeniowy, a następnie transportowane do innych
organów roślinnych. Ich regulacyjne działanie może ujawnić się na każdym poziomie komórkowym, czy
tkankowym. Postępujący rozwój rolnictwa, a przede wszystkim chemizacja go i rozwój środków ochrony
roślin, stanowią istotne zagrożenie dla środowiska naturalnego. Między innymi zainteresowano się
praktycznym wykorzystaniem zjawiska allelopatii w zwalczaniu chwastów roślin uprawnych [1-5].
Celem badań była ocena wpływu roślinnych wyciągów wodnych na kiełkowanie roślin
uprawnych w uprawach hydroponicznych. Badania prowadzono z wykorzystaniem dwóch gatunków
roślin uprawnych, kukurydzy (Zea mays) oraz jęczmienia (Hordeum vulgare).
Pierwszy etap badań obejmował przygotowanie wodnych wyciągów roślinnych. W tym celu
10 g suszu roślinnego (korzeń, liście, kwiat) lub gleby okołoryzosferycznej wrotyczu pospolitego
(Tanacetum vulgare L.), mydlnicy lekarskiej (Saponaria officinalis L.), kory wierzby (Salix L.), orzecha
włoskiego (Juglans regia L.) umieszczono w kolbie stożkowej i dodano 100 ml wody destylowanej,
a następnie pozostawiono na 24 h w temperaturze pokojowej. Po tym czasie uzyskany wyciąg wodny
przefiltrowano. Na płytki Petriego, z wcześniej przygotowanymi krążkami bibułowymi, wprowadzono po
10 ml uzyskanego wodnego wyciągu roślinnego, a następnie na tak przygotowane podłoże, ułożono po
20 ziaren kukurydzy lub jęczmienia. Przygotowane płytki wstawiono do cieplarki i pozostawiono na 6
dni
w temperaturze 21oC. Do próby kontrolnej wprowadzono 10 ml wody destylowanej. Wszystkie próby
wykonano w trzech powtórzeniach. Po upływie określonego czasu analizowano ilość skiełkowanych
nasion, a także zmierzono długość korzenia zarodkowego i pędu. Wartości te pozwoliły na obliczenie
indeksu kiełkowania (GI) oraz procent zahamowania wzrostu korzenia i pędu analizowanych roślin.
205
BioOrg 2015
Uzyskane w doświadczeniu wyniki wpływu wyciągów wodnych uzyskanych z wrotyczu,
mydlnicy, wierzby oraz orzecha włoskiego były zróżnicowane w zależności od gatunku rośliny, z której
został sporządzony wyciąg wodny, ale także zależał od gatunku rośliny, którą zastosowano do badań.
Istotny wpływ zastosowanych wyciągów wodnych zaobserwowano już na etapie zahamowania
kiełkowania nasion kukurydzy oraz jęczmienia. Wyciągi sporządzone z kwiatów i liści wrotyczu, liści
mydlnicy oraz gleby okołoryzosferycznej mydlnicy, a także z łupin orzecha włoskiego powodowały
całkowite zahamowanie kiełkowania nasion jęczmienia. Pozostałe wyciągi wodne z korzenia wrotyczu
oraz gleby okołoryzosferycznej wrotyczu, a także korzenia mydlnicy oraz gleby okołoryzosferycznej
mydlnicy i kory wierzby powodowały zahamowanie kiełkowania nasion jęczmienia od 20 do 60%, przy
czym najmniejszy wpływ na kiełkowanie zanotowano w przypadku wyciągów z kory wierzby. Pomimo
tak silnego zahamowania kiełkowania nasion jęczmienia nie zaobserwowano wpływu na wzrost pędu,
jedynie korzenie były o około 20 do 40 % mniejsze w porównaniu z plonem uzyskanym w próbie
kontrolnej (Rys. 1.).
Rysunek 1. Wpływ wyciągów wodnych na kiełkowanie i początkowy rozwój jęczmienia
Nieco mniejszy wpływ analizowanych wyciągów wodnych zaobserwowano podczas upraw
kukurydzy. Ekstrakty uzyskane z kwiatów i liści wrotyczu oraz gleby okołoryzosferycznej wrotyczu,
a także korzenia mydlnicy, kory wierzby oraz łupiny orzecha włoskiego powodowały, że 30 do 50%
nasion kukurydzy wykiełkowało. Pozostałe wyciągi wodne sporządzone z korzenia wrotyczu, liści
mydlnicy oraz gleby okołoryzosferycznej wrotyczu ograniczały kiełkowanie nasion kukurydzy od 20 do
40%. Najmniejszy wpływ wodnych wyciągów roślinnych na rozwój korzeni i pędu zaobserwowano
w obecności ekstraktów z gleby okołoryzosferycznej wrotyczu oraz korzenia mydlnicy (Rys. 2.).
Najsilniejsze negatywne oddziaływanie na rozwój pędów i korzeni kukurydzy zanotowano w obecności
wyciągu z łupiny orzecha włoskiego (około 80% zahamowanie wzrostu zarówno korzeni jak i pędów).
206
BioOrg 2015
Rysunek 2. Wpływ wyciągów wodnych na kiełkowanie i początkowy rozwój kukurydzy
Podsumowując, obecność wodnych wyciągów roślinnych w podłożu w istotny sposób wpływa
zarówno na kiełkowanie jak i wzrost korzeni i pędów analizowanych roślin uprawnych. Większą
fitotoksycznosć zaobserwowano w przypadku jęczmienia niż kukurydzy. Większość wodnych wyciągów
powodowała całkowite zahamowanie kiełkowania nasion jęczmienia. Nasiona kukurydzy wykazały
większą odporność na substancje zawarte w badanych wyciągach wodnych.
Źródło finansowania: Środki Rektora Politechniki Poznańskiej przeznaczone na realizację
grantów kół naukowych w roku 2015.
Literatura:
ynczy10 pkt)
[1] P. Bhowmik, C. Inderjit (2003) Challenges and opportunities in implementing allelopathy for natural weed management,
Crop Protection 22: 661–671
[2] R. Cruz-Ortegar, A.L. Anaya, L. Ramos (1988) Effects of allelopathic compounds of corn pollen on respiration
and cell division of watermelon. Journal of Chemical Ecology 14: 71–86
[3] R. Cruz-Ortega, G. Ayala-Cordero, A.L. Anaya (2002) Allelochemical stress produced by the aqueous leachate of
Callicarpa acuminata: effects on roots of bean, maize, and tomato. Physiologia Plantarum 116: 20–27
[4] S.O. Duke, F.E. Dayan, J.G. Romagni, A.M. Rimando (2000) Natural products as sources of herbicides: current status
and future trends. Journal Weed Research 40: 99–111
[5] J.R. Vyvyan (2002) Allelochemicals as leads for new herbicides and agrochemicals. Tetrahedron 58:1631–1646
207
BioOrg 2015
BIOTRANSFORMACJE ANDROSTENDIONU W KULTURACH GRZYBÓW
STRZĘPKOWYCH WYIZOLOWANYCH ZE ŚRODOWISKA NATURALNEGO
Wojciech Jodełka1, Klaudia Pakuła1, Anna Kancelista2, Regina Stępniewicz2, Monika Dymarska1,
Ewa Kozłowska1*, Edyta Kostrzewa-Susłow1, Tomasz Janeczko1
1
2
Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. Norwida 25, 50-375 Wrocław
Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. Chełmońskiego 37/41,
51-630 Wrocław
Przekształcenia mikrobiologiczne steroidów są ważną, spełniającą wymogi „zielonej chemii”,
metodą pozyskiwania nowych pochodnych steroidowych, o potencjalnej aktywności farmaceutycznej
[1,2]. Monooksygenazy i reduktazy mikroorganizmów wykazują duże podobieństwo do tych, które
występują u ssaków, dzięki temu możliwe jest śledzenie i przewidywanie metabolizmu badanych
związków w organizmach wyższych, wykorzystując w tym celu modele mikrobiologiczne [3-5].
Prowadzone badania opierały się na uzyskaniu hydroksylowych pochodnych androstendionu
oraz sprawdzeniu zdolności wybranych kultur grzybów strzępkowych do transformacji tego związku.
Wykorzystywane nowe biokatalizatory były izolowane z naturalnego środowiska ich występowania.
HO
O
CH3
CH3
O
CH3
CH3
CH3
O
CH3
OH
O
O
W
5-
O
Ś5 - 36%
9%
W5 - 5%
Ś1 - 34%
CH3
O
Ś1
-6
%
OH
CH3
Ś1 - 6%
HO
CH3
O
Ś1 - 10%
O
CH3
CH3
O
O
M
K1
-9
Ś1
-6 %
%
CH3
CH3
CH3
O
HO
Rysunek 1. Przekształcenia androstendionu w kulturach badanych grzybów
208
OH
O
BioOrg 2015
W wyniku biotransformacji androstendionu w kulturze szczepu nieoznaczonego W5 uzyskano
dwa produkty 14α-hydroksyandrostendion i 11α-hydroksyandrostendion (Rys. 1.). W przypadku szczepu
Penicillium sp. Ś1 głównym produktem biotransformacji jest 14α-hydroksyandrostendion stanowiący
47% powstałych produktów. Dodatkowo substrat ulega przekształceniu do: 11α-hydroksyandrostendionu,
5α-androstan-3β-ol-17-onu,
7α-hydroksyandrostendionu
oraz
6α-hydroksyandrostendionu.
Szczep
nieoznaczony MK1 posiada zdolność do wprowadzania grupy hydroksylowej w pozycji 7α. Otrzymany
7α-hydroksyandrostendion jest głównym produktem i stanowi 70% mieszaniny reakcyjnej. Związek ten
jest wykorzystywany do syntezy diuretyków.
Podczas inkubacji zastosowanego substratu w kulturze szczepu Gymnopilus sp. Ś5 otrzymano
jeden produkt, zidentyfikowany jako 14α-hydroksyandrostendion. Związek ten znajduje zastosowanie w
przemyśle farmaceutycznym np. do syntezy leków stosowanych w chemioterapii. Mikroorganizmy
wykorzystane
do
uzyskania
14α-hydroksyandrostendionu,
7α-hydroksyandrostendion
i
11α-
hydroksyandrostandion zostaną poddane oznaczeniu genetycznemu w celu poznania gatunku.
Literatura:
[1] M.-E.F. Hegazy, T.A. Mohamed, A.I. ElShamy, A.-E.-H.H. Mohamed, U.A. Mahalel, E.H. Reda, A.M. Shaheen, W.A.
Tawfik, A.A. Shahat, K.A. Shams, N.S. Abdel-Azim, F.M. Hammouda (2015) Microbial biotransformation as a tool for drug
development based on natural products from mevalonic acid pathway: A review, Journal of Advanced Research, 6(1):17-33
[2] M.C. Bryan, B. Dillon, L.G. Hamann, G.J. Hughes, M.E. Kopach, E.A. Peterson, M. Pourashraf, I. Raheem, P. Richardson,
D. Richter, H.F. Sneddon (2013) Sustainable Practices in Medicinal Chemistry: Current State and Future Directions, Journal
Of Medicinal Chemistry 56: 6007-6021
[3] K. Srisilam, C. Veeresham (2003) Biotransformation of drugs by microbial cultures for predicting mammalian drug
metabolism, Biotechnology Advances 21: 3-39
[4] T. Patil, A. Kasurde, T. Kanchala, A. Tiwarkhede, D.R. Majumdar (2014) Fungi: An ideal biotransformation model for
mimicking mammalian drug metabolism, International Journal of Medicine and Pharmaceutical Sciences, 4: 15-24
[5] I. Lacroix, J. Biton, R. Azerad (1999) Microbial models of drug metabolism: Microbial transformations of Trimegestone®
(RU27987), a 3-Keto-4,9(10)-19-norsteroid drug, Bioorganic & Medicinal Chemistry 7: 2329-2341
209
BioOrg 2015
NOWY ARACHNOFAGICZNY SZCZEP JAKO EFEKTYWNY
BIOKATALIZATOR HYDROKSYLACJI ZWIĄZKÓW STEROIDOWYCH
Ewa Kozłowska1*, Monika Dymarska1, Jakub Grzeszczuk2, Elżbieta Pląskowska2, Edyta KostrzewaSusłow1, Tomasz Janeczko1
1
2
Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. Norwida 25, 50-375 Wrocław
Katedra Ochrony Roślin, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, pl. Grunwaldzki 24a, 53-363 Wrocław
Związki steroidowe posiadają szeroki wachlarz właściwości biologicznych przez co znalazły
zastosowanie
w
przemyśle
farmaceutycznym
[1-3].
Hydroksylacje
steroidów
za
pomocą
mikrobiologicznych monooksygenaz (cytochromu P-450: duże podobieństwo budowy i działania do
enzymów występujących u ssaków) stały się źródłem związków o pożądanej aktywności biologicznej
oraz produktów pośrednich w syntezie chemicznej [4,5]. Selektywność działania enzymów oraz łagodne
warunki prowadzenia biotransformacji przyczyniły się do rozwoju tej dziedziny badań [6,7].
Celem przeprowadzonych badań było sprawdzenie zdolności katalitycznych szczepu grzyba
strzępkowego infekującego pająki. Substratami w tych badaniach były wybrane związki steroidowe:
androstendion, adrenosteron, 17α-metylotestosteron oraz dehydroepiandrosteron. Wszystkie zastosowane
substraty były efektywnie przekształcane przez układ enzymatyczny zastosowanego katalizatora. Na
podstawie przeprowadzonych doświadczeń można stwierdzić, że budowa substratu, a w efekcie jego
ułożenie w kieszeni enzymatycznej, ma kluczowy wpływ na miejsce i orientacje wprowadzenia grupy
hydroksylowej. Androstendion ulegał efektywnej hydroksylacji w pozycję 7α, co skutkuje uzyskaniem
z wysoką konwersją 82% - 7α-hydroksyandrost-4-en-3,17-dionu, związku wykorzystywanego
w przemysłowej syntezie diuretyków (Rys. 1.) [8]. Adrenosteron ulegał hydroksylacji w pozycję 6β
(Rys. 2.). Analogiczną pochodną zidentyfikowano podczas biotransformacji 17α-metylotestosteronu.
Podczas inkubacji tego substratu zidentyfikowano również 15β-hydroksypochodną oraz produkt
podwójnej
hydroksylacji
6β,12β-dihydroksy-17α-metylotestosteron
(Rys. 3.).
DHEA
oprócz
hydroksylacji w pozycję 7β ulegał również dalszemu utlenieniu w kulturze badanego biokatalizatora, co
skutkowało uzyskaniem 7-okso-DHEA oraz 3β,7β-dihydroksy-17a-oksa-D-homo-androst-5-en-17-onu
(Rys. 4).
CH3
O
CH3
CH3
CH3
O
O
Rysunek 1. Przekształcenie androstendionu
210
OH
O
BioOrg 2015
CH3
O
O
O
CH3
O
CH3
CH3
O
O
OH
Rysunek 2. Przekształcenie androsteronu
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
OH
OH
CH3
CH3
CH3
OH
CH3
+
OH
CH3
CH3
OH
CH3
+
OH
O
O
O
O
OH
OH
Rysunek 3. Przekształcenia 17α-metylotestosteronu
CH3
O
CH3
CH3
CH3
HO
HO
O
CH3
CH3
+
O
HO
O
CH3
O
+
OH
HO
O
CH3
OH
Rysunek 4. Przekształcenia DHEA
7-Hydroksypochodne DHEA powodują zwiększenie odpowiedzi immunologicznej i mogą być
pomocne w leczeniu otyłości. Wykazują aktywność antyglikokortykoidową i mogą odgrywać kluczową
rolę w regulacji aktywności glikokortykoidów i w procesach odpornościowych organizmu [9].
Literatura:
[1] T.A. Crabb, J.A. Saul, R.O. Williams (1981) Microbiological transformations. Part 4. Microbiological transformations of
5α-androstan-17-ones and of 17a-aza-D-homo-5α-androstan-17-ones with the fungus Cunninghamella elegant, Journal of the
Chemical Society, Perkin Transactions 1 1: 1041-1045
[2] P. Žnidaršič-Plazl, I. Plazl (2010) Development of a continuous steroid biotransformation process and product extraction
within microchannel system, Catalysis Today 157: 315-320
[3] A. Schmid, J.S. Dordick, B. Hauer, A. Kiener, M. Wubbolts, B. Witholt (2001) Industrial biocatalysis today and
tomorrow, Nature 409: 258
[4] T. Kołek, N. Milecka, A. Świzdor, A. Panek, A. Białońska (2011) Hydroxylation of DHEA, androstenediol and
epiandrosterone by Mortierella isabellina AM212. Evidence indicating that both constitutive and inducible hydroxylases
catalyze 7 alpha- as well as 7 beta-hydroxylations of 5-ene substrates, Organic & Biomolecular Chemistry 9, 5414-5422
[5] L. You (2004) Steroid hormone biotransformation and xenobiotic induction of hepatic steroid metabolizing enzymes,
Chemico-Biological Interactions 147: 233-246
[6] K.B. Borges, W. de Souza Borges, R. Durán-Patrón, M.T. Pupo, P.S. Bonato, I.G. Collado (2009) Stereoselective
biotransformations using fungi as biocatalysts, Tetrahedron: Asymmetry 20: 385-397
[7] P. Fernandes, A. Cruz, B. Angelova, H.M. Pinheiro, J.M.S. Cabral (2003) Microbial conversion of steroid compounds:
recent developments, Enzyme and Microbial Technology 32: 688-705
211
BioOrg 2015
[8] L.L. Wong (1998) Cytochrome P450 monooxygenases, Current Opinion in Chemical Biology 2: 263-268
[9] W. Ge, S. Wang, L. Shan, N. Li, H. Liu (2008) Transformation of 3β-hydroxy-5-en-steroids by Mucor racemosus, Journal
of Molecular Catalysis B: Enzymatic 55: 37-42
212
BioOrg 2015
(WPŁYW
WYBRANYCH WYCIĄGÓW WODNYCH NA KIEŁKOWANIE
NASION I POCZĄTKOWY ROZWÓJ ROŚLIN UPRAWNYCH
stęp pojedynczy, 10 pkt)
Joanna Leśniewicz, Anna Kowalczyk, Patrycja Kachelska, Anna Parus*
Zjawisko allelopatii stanowi przedmiot zainteresowania ze względu na możliwości
wykorzystania go w praktyce rolniczej, a szczególnie w zintegrowanej ochronie plonów. Zdolność
wydzielania substancji, które powodują oddziaływanie na inne organizmy wykształciły rośliny, które
konkurują o zasoby naturalne, a także opierają się atakom fagów i patogenów. Allelozwiązki wykryto we
wszystkich organach roślin, lecz największe znaczenie przypisywane jest substancjom zawartym
w organach wegetatywnych. Substancje allelopatyczne wydzielane przez organy roślinne do roztworu
glebowego mogą oddziaływać na organizmy konkurencyjne. Wśród substancji allelopatycznych
rozpuszczalnych w wodzie najczęściej wymienia się związki fenolowe, benzoksyazynoidy,
glukozynolany i ich pochodne, jak również niektóre kwasy organiczne [1-6].
Celem badań była ocena wybranych wodnych wyciągów, sporządzonych ze świeżej lub suchej
masy roślinnej, a także gleby okołoryzosferycznej wrotyczu pospolitego (Tanacetum vulgare L.),
mydlnicy lekarskiej (Saponaria officinalis L.) oraz nawłoci kanadyjskiej (Solidago canadensis L.) na
zdolność kiełkowania oraz początkowy rozwój kukurydzy (Zea) oraz jęczmienia (Hordeum vulgare L.).
Doświadczenia przeprowadzono z użyciem testu kiełkowania i wczesnego wzrostu roślin –
Phytotoxkit firmy Tigret. Badania obejmowały trzy niezależne serie doświadczeń laboratoryjnych po 3
powtórzenia. W badaniach wykorzystano wodne wyciągi sporządzone z 10 g suchej lub świeżej masy
roślinnej zalanej 100 ml wody destylowanej na 24 h. W przypadku korzeni wrotyczu i korzeni mydlnicy
sporządzono dwa wyciągi. Pierwszy uzyskano po 24 h, natomiast drugi sporządzono zalewając korzenie
obu roślin świeżą porcją wody po uprzednim zlaniu ekstraktu 24 h (oznaczono na wykresie z II). Na
glebę, do której wprowadzono wyciągi wodne, wysiano po 10 nasion, odpowiednio, kukurydzy lub
jęczmienia. Próby kontrolne podlano wodą destylowaną. Płytki testowe umieszczono w inkubatorze
w temp. 21 ± 1 °C na 6 dni. Po 6 dniach uprawy zliczono ilość nasion, które wykiełkowały, a następnie
zmierzono długość pędu oraz korzenia zarodkowego. Na podstawie uzyskanych wyników obliczono
indeks kiełkowania oraz zahamowanie wzrostu pędu i korzenia zarodkowego.
Indeks kiełkowania obliczono korzystając z poniższego wzoru:
GI
Gx
L
* x * 100 %
Gc
Lc
213
BioOrg 2015
Gdzie:
Gx - ilość wykiełkowanych nasion w próbie,
Gc - ilość wykiełkowanych nasion w próbie kontrolnej,
Lx – średnia długość korzenia w próbie [cm],
Lc – średnia długość korzenia w próbie kontrolnej [cm].
Natomiast zahamowanie wzrostu korzeni lub pędu odpowiednio:
Inhibition
(
Lc
Lx
Lc
) *100 % lub Inhibition
(
Pc
Px
Pc
) *100 %
Gdzie:
Lx – średnia długość korzenia w próbie [cm],
Lc – średnia długość korzenia w próbie kontrolnej [cm],
Px – średnia długość pędu w próbie [cm],
Pc – średnia długość pędu w próbie kontrolnej [cm].
Otrzymane wyniki wykazują zróżnicowany wpływ wyciągów wodnych zarówno na kiełkowanie
jak i wzrost poszczególnych części roślin. Największy wpływ na kiełkowanie nasion kukurydzy
wykazały wyciągi wodne sporządzone z gleby okołoryzosferycznej wrotyczu (60% nasion
wykiełkowało) (Rys. 1.), z kolei na jęczmień wyciągi sporządzone z suszu korzenia mydlnicy oraz gleby
okołoryzosferycznej wrotyczu, powodując, iż 60 - 70% nasion jęczmienia wykiełkowało (Rys. 2.).
Rysunek 1. Wpływ wodnych wyciągów roślinnych na wzrost kukurydzy (gdzie: Kw – kwiat, L –liście,
K – korzeń, G – gleba okołoryzosfeyczna, W – wrotycz, M – mydlnica, N – nawłoć kanadyjska).
Natomiast wyciągi wodne sporządzone z korzenia mydlnicy powodowały silne zahamowanie
(86%) wzrostu korzeni kukurydzy. Również wyciągi z kwiatów i liści wrotyczu hamowały wzrost
korzeni od 40 do 60%. Natomiast mniejszy wpływ na wzrost pędu kukurydzy zaobserwowano pod
wpływem tych wyciągów. Z kolei wyciąg sporządzony z suszu liści nawłoci kanadyjskiej powodował
214
BioOrg 2015
50% zahamowanie rozwoju części nadziemnej rośliny. Duże zahamowanie rozwoju korzeni jęczmienia
zanotowano pod wpływem wyciągów z korzenia mydlnicy (82%), liści nawłoci (40%) oraz kwiatów
wrotyczu (26%). Podobną zależność zaobserwowano również dla wzrostu hipokotyli jęczmienia pod
wpływem wodnych wyciągów z korzeni mydlnicy (65%) oraz z suszu kwiatów i liści nawłoci
(odpowiednio 45% i 60%).
Rysunek 2. Wpływ wodnych wyciągów roślinnych na wzrost jęczmienia (gdzie: Kw – kwiat, L –liście,
K – korzeń, G – gleba okołoryzosfeyczna, W – wrotycz, M – mydlnica, N – nawłoć kanadyjska).
Analizowane wyciągi roślinne wywołują zróżnicowane oddziaływanie na kukurydzę oraz
jęczmień. Największy wpływ na kiełkowanie oraz wzrost korzeni i pędów zarówno kukurydzy jak i
jęczmienia wywołała obecność wyciągu z korzenia mydlnicy. Porównując wpływ pozostałych wyciągów
wodnych na obie rośliny uprawne stwierdzono, iż obecność wyciągów roślinnych w podłożu wpływa
negatywnie na rozwój kukurydzy. Powodują znaczne zahamowanie wzrostu, zarówno pędu jak i korzeni
kukurydzy.
Źródło finansowania: Środki Rektora Politechniki Poznańskiej przeznaczone na realizację
grantów kół naukowych w roku 2015.
Literatura:
[1] T.P.T. Pham, W.-Y. Cho, Y.-S. Yun (2010) Environmental fate and toxicity of ionic liquids: A review, Water Res. 44:352
[2] J.R. Vyvyan (2002) Allelochemicals as leads for new herbicides and agrochemicals, Tetrahedron, 58: 1631-1646.
[3] A. Gniazdowska, K. Oracz, R. Bogatek (2004) Allelopatia – nowe interakcje oddziaływań pomiędzy roślinami, Kosmos
53(2):207-217.
[4] A. Stokłosa (2006) Bioherbicydy i alleloherbicydy w walce z chwastami, Postępy Nauk Rolniczych 6:41-52.
[5] H.P. Singh, D.R. Batish, R.K. Kohli (2003) Allelopathic interactions and allelochemicals: new popossibilities for
sustainable weed management. Crit. Rev. Plant Sci. 22:239-311.
[6] I. Jasicka-Misiak (2009) Allelopatyczne właściwości metabolitów wtórnych roślin uprawnych. Wiadomości Chemiczne
63(1-2) 39-62.
215
BioOrg 2015
SYNTEZA, BADANIA SPEKTROSKOPOWE ORAZ DOKOWANIE
MOLEKULARNE NOWYCH POCHODNYCH KOLCHICYNY
,
1
1
Urszula Majcher *, Adam Huczyński , Ewa Maj2, Joanna Wietrzyk2, Jacek Tuszyński3
1
Pracownia Chemii Bioorganicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b, 61-614
Poznań
2
Instytut Immunologii i Terapii Doświadczalnej im. Ludwika Hirszfelda, Polska Akademia Nauk, ul. Rudolfa Weigla 12,
53-114 Wrocław
3
Department of Oncology, University of Alberta, Edmonton, Alberta T6G 1Z2, Canada
Kolchicyna jest związkiem naturalnym, pozyskiwanym głównie z Colchicum autumnale
i Gloriosa superba [1].
Związek ten posiada godne uwagi właściwości przeciwzapalne, anty-mitotyczne i antyzwłóknieniowe. Obecnie kolchicyna jest stosowana w leczeniu dny moczanowej, rodzinnej gorączki
śródziemnomorskiej, choroby Behceta, oraz zapaleniu osierdzia [2,3].
Szczególnie ważną właściwością kolchicyny jest jej znacząca aktywność przeciwnowotworowa
obserwowana już na poziomie stężeń nanomolowych. Mechanizm działania przeciwnowotworowego
kolchicyny, polega na wiązaniu się jej z tubuliną w kolchicynowym miejscu wiążącym w metafazie
(jedna z faz podziału komórkowego). W dwóch etapach powstaje trwały kompleks kolchicyna - tubulina,
który hamuje polimeryzację mikrotubul, co prowadzi do zablokowania tworzenia wrzeciona
kariokinetycznego i zahamowania mitozy. Ponieważ jedną z podstawowych cech charakterystycznych
dla komórek nowotworowych jest zwiększone tempo mitozy, oznacza to, że komórki nowotworowe są
znacznie bardziej wrażliwe na zatrucie kolchicyną niż normalne, zdrowe komórki. Niestety zastosowanie
kliniczne kolchicyny w leczeniu nowotworów jest obecnie ograniczone ze względu na stosunkowo
wysoką toksyczność i niską biodostępność [4-7].
Aktualnie trwają intensywne badania nad chemiczną modyfikacją kolchicyny w celu otrzymania
nowych pochodnych, charakteryzujących się takimi samymi właściwościami biologicznymi oraz
mniejszą toksycznością.
Celem naszej grupy badawczej jest opracowanie metod skutecznej i wydajnej modyfikacji
chemicznej kolchicyny w pozycji C(7) oraz C(10) (Rys. 1.) w celu otrzymania jej nowych aktywnych
biologicznie pochodnych oraz ich analiza spektralna i strukturalna. Ocena ich aktywności
antyproliferacyjnych wraz z badaniami rozpoznania molekularnego (dokowanie molekularne) (Rys. 2.)
nowo otrzymanych związków z kolchicynowym miejscem wiążącym służyć będą odnalezieniu korelacji
pomiędzy aktywnością przeciwnowotworową, a strukturą otrzymanych związków (SAR – ang. Structureactivity relationship).
216
BioOrg 2015
O
O
NH
O
O
O
NH
O
NH
O
O
O
O
NH
O
N3
O
S
O
O
S
O
O
O
O
NH
O
O
NH
O
O
O
O
O
NH
O
O
O
O
O
NH
O
O
NH
O
O
KOLCHICYNA
NH
OH
O
O
O
O
NH
NH
NH
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
HN
O
N
N
N
N
OH
O
OR
O
R = LAS (reszta kwasu lasalowego)
R= MON (reszta kwas monoenzynowego)
R= SAL (reszta kwasu salinomycynowego)
Rysunek 1. Schemat przykładowych modyfikacji kolchicyny w pozycji C(7) oraz C(10)
Z przeprowadzonych badań rozpoznania molekularnego dla jednej z otrzymanych przez nas serii
pochodnych kolchicyny wynika, że dopasowywanie się tych związków do kolchicynowego miejsca
wiążącego wpływa w istotny sposób na ich właściwości biologiczne. Korelacja ta jest silniej widoczna w
przypadku komórek linii lekowrażliwej nowotworów (HL-60, LoVo), niż w linii komórek lekoopornych
nowotworów (HL-60vinc, LoVoDX). Tłumaczyć to można nadekspresją białek oporności wielolekowej
(ang. multidrug resistance protein) m.in. glikoproteiny-P w komórkach lekoopornych oraz ekspresją
izotopów tubuliny w różnych nowotworach [8].
217
BioOrg 2015
Rysunek 2. Interakcja pochodnej kolchicyny z resztami tubulinowymi w sąsiedztwie kolchicynowego miejsca wiążącego
Literatura:
[1] A. Slobodnick, B. Shah, M.H. Pillinger, S. Krasnokutsky (2015), Colchicine Toxicity: An Exaggerated Reality?, Am. J.
Med. 128: 461-470.
[2] T. Kozaka, K. Nakagawa-Goto, Q. Shi, C.Y. Lai, E. Hamel, K.F. Bastow, A. Brossi, K.H. Lee (2010), Antitumor agents
273. Design and synthesis of N-alkyl-thiocolchicinoids as potential antitumor agents, Bioorg Med Chem Lett. 20: 4091-4094.
[3] S. Deftereos, G. Giannopoulos, N. Papoutsidakis, V. Panagopoulou, C.Kossyvakis, K. Raisakis, M.W. Cleman, C.
Stefanadis (2013) Colchicine and the Heart, J Am Coll Cardiol. 20: 1817-1825.
[4] E. Balasubramanian and T. Gajendran (2013), Comparative studies on the anticancer activity of colchicines by various
controlled drug delivery modes, International Journal of Pharma and Bio Sciences 4(1): 9-26.
[5] Y. Molad (2002), Update on colchicine and its mechanism of action, Curr Rheumatol Rep. 3: 252–256.
[6] B. Bbattacbaryya, D. Panda, S. Gupta, M. Banerjee (2008) Anti-mitotic activity of colchicine and the structural basis for its
interaction with tubulin, Med Res Rev. 28: 155–183.
[7] A. Huczyński, J. Rutkowski, K. Popiel, E. Maj, J. Wietrzyk, J. Stefańska, U. Majcher, F. Bartl, (2015), Synthesis,
antiproliferative and antibacterial evaluation of C-ring modified colchicine analogues, Eur. J. Med. Chem. 90: 296-301.
[8] A. Huczyński, U. Majcher, E. Maj, J. Wietrzyk, J. Janczak, M. Moshari, J. A. Tuszynski, F. Bartl (2015), Synthesis,
antiproliferative activity and molecular docking of colchicine derivatives, under review.
218
BioOrg 2015
ANALIZA JAKOŚCIOWA I ILOŚCIOWA RAMNOLIPIDÓW
P.Manicki1*, M.Konieczna2, I.Michałowska2 , A.Szulc2
1
Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89b; 61-614 Poznań, BioInicjatywa
2
Insytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4; 60-965 Poznań
Ramnolipidy są glikozydami zbudowanymi z części cukrowej połączonej wiązaniem
glikozydowym z częścią niecukrową. Bakterie produkują wiele typów ramnolipidów. Odkrycie
ramnolipidów nastąpiło w 1946 roku, kiedy Bergström opisał olejową glikolidową substancję
produkowana przez szczep Pseudomonas pyocyanea (obecnie Pseudomonas aeruginosa) hodowany na
glukozie [1, 2]. Potencjalne przemysłowe i biotechnologiczne aplikacje ramnolipidów są różnorodne [3].
Ramnolipidy są używane do syntezy i stabilizacji nanocząstek [4, 5], rozdziału mikroemulsji [6, 7], jako
środek przeciw aglomeracji [8], jako środek dyspergujacy [9, 10] oraz jako surowiec do produkcji
ramnozy [11]. Pomimo tego, że ramnolipidy są komercyjnie dostępne, głównym problemem jest fakt, że
otrzymywane są z potencjalnie patogennego szczepu bakteryjnego.
Biosurfaktanty analogicznie do surfaktantów syntetycznych zwiększają biodostępność
węglowodorów poprzez zmianę hydrofobowości komórek, zwiększenie dyspersji węglowodorów
w wodzie [12, 13]. Zaobserwowano także wpływ surfaktantów na zwiększanie hydrofobowości komórek
bakteryjnych oraz tworzenie biofilmu, co prowadziło do powierzchniowej rozpuszczalności
zanieczyszczenia. Sugeruje się, że niektóre mikroorganizmy mogą same modyfikować swoją ścianę
komórkową
w
celu
przyczepienia
się
do
hydrofobowych
powierzchni
poprzez
usunięcie
lipopolisacharydów. Również działanie odwrotne (odłączanie się) jest możliwe [14, 15]. Zastosowanie
różnych metod remediacji, ale bez udziału biosurfaktantów, zmniejszało degradację węglowodorów, co
sugeruje dużą rolę biosurfaktantów w procesach zwiększania biodostępności zanieczyszczenia [16].
Konieczność kontroli stężenia biosurfaktantu w hodowli szczepów z gatunku Pseudomonas,
powoduje konieczność opracowania procedur izolowania i oznaczania tych związków w matrycy wodnej.
Istotny wpływ na odzysk tych związków z próbek mają parametry takie jak pH próbki, stosowany
ekstrahent i wybrana technika separacji. Podczas analizy ilościowej biosurfaktantu z próbek hodowlanych
konieczne jest usunięcie przed ekstrakcją komórek organizmów produkujących glikolipidy [17-21].
Izolowanie ramnolipidów z brzeczki fermentacyjnej przeprowadzić można również z wykorzystaniem
ultrafiltracji. Przy wykorzystaniu tej techniki istotne są wysokość zastosowanego ciśnienia oraz objętość
i rodzaj użytego rozpuszczalnika [22]. Z uwagi na występowanie ramnolipidów w wodzie w formie
zdysocjowanej, ekstrakcje opisywane w doniesieniach naukowych prowadzono w środowisku kwaśnym
[16, 18, 21]. W doniesieniach naukowych jako ekstrahent wykorzystywano chloroform [23], octan etylu
[21], eter [20], mieszaninę chloroformu z metanolem [17, 19] lub z etanolem.
219
BioOrg 2015
Dzięki
zastosowaniu
wspomagania
ultradźwiękami
tradycyjnej
ekstrakcji
ciecz-ciecz
zwiększono odzysk biosurfaktantu jak również zmniejszono objętość zużytego ekstrahenta [23].
Wyekstrahowane ramnolipidy powszechnie oznaczane są ilościowo za pomocą wysokosprawnej
chromatografii cieczowej sprzężonej ze spektrometrią mas [17-22] lub tandemową spektrometrią mas
[23], chromatografii cienkowarstwowej [17, 21, 24], rzadziej chromatografii gazowej [24] bądź samej
spektrometrii mas [19]. Celem wykazania obecności biosurfaktantu użyteczne mogą być metody
kolorometryczne, takie jak testy antronowy i orcinolowy [17, 24].
Celem pracy było opracowanie metody oznaczania analizy jakościowej i ilościowej
ramnolipidów.
Analiza
ramnolipidów
została
wykonana
z
zastosowaniem
wysokosprawnej
chromatografii cieczowej sprzężonej ze spektrometrią mas. Analizie poddano próby zawierające piasek
różniący się wilgotnością z dodatkiem ramnolipidów oraz środowiskowych konsorcjów bakteryjnych.
Wstępna analiza otrzymanych wyników wykazała, że ramnolipidy są podatne na bakteryjny
rozkład. Jest to ważny ekologiczny aspekt zastosowania dodatku ramnolipidów w celu usuwania
zanieczyszczeń środowiskowych.
numer DEC-2012/07/D/NZ9/00981.
Literatura:
[1] Bergström S., Theorell H., Davide H. (1946). On a metabolic product of Ps. pyocyania. Pyolipic acid active against M.
tuberculosis. Arkiv. Kemi. Mineral. Geol. 23A:1-12
[2] Bergström S., Theorell. H, Davide. H (1946). Pyolipic acid. A metabolic product of Pseudomonas pyocyanea active
against Mycobacterium tuberculosis. Arch. Biochem. Biophys. 10: 165-166.
[3] Singh A., Van Hamme J.D., Ward O.P. (2007). Surfactants in microbiology and biotechnology: Part 2. Application aspects.
Biotechnol. Adv. 25: 99-121.
[4] Palanisamy P., Raichur A.M. (2009). Synthesis of spherical NiO nanoparticles through a novel biosurfactant mediated
emulsion technique. Mater. Sci. Eng. C. Biomim. Supramol. Syst. 29: 199-204.
[5] Xie Y.W., Ye R.Q., Liu H.L. (2006). Synthesis of silver nanoparticles in reverse micelles stabilized by natural
biosurfactant. Colloids Surf A Physicochem Eng. Asp. 279: 175-178
[6] Nguyen T.T., Sabatini D.A. (2009). Formulating alcohol free microemulsions using rhamnolipid biosurfactant and
rhamnolipid mixtures. J. Surfactants Deterg. 12: 109 115.
[7] Xie Y.W., Ye R.Q., Liu H.L. (2007). Microstructure studies on biosurfactant rhamnolipid/n butanol/water/n heptane
microemulsion system. Colloids Surf A Physicochem. Eng. Asp. 292: 189-195.
[8] York J.D., Firoozabadi A. (2008). Comparing effectiveness of rhamnolipid biosurfactant with a quaternary ammonium salt
surfactant for hydrate anti agglomeration. J. Phys. Chem. B 112: 845-851.
[9] Raichur A.M. (2007). Dispersion of colloidal alumina using a rhamnolipid biosurfactant. J. Dispersion Sci. Technol. 28:
1272-1277.
[10] Tripathy S.S., Raichur A.M. (2008). Dispersibility of barium titanate suspension in the presence of polyelectrolytes: a
review. J. Dispersion Sci. Technol. 29: 230-239.
[11] Linhardt R.J., Bakhit R., Daniels L., Mayer F., Pickenhagen W. (1989). Microbially produced rhamnolipid as a source of
rhamnose. Biotechnol Bioeng. 33: 365-368.
[12] Chrzanowski Ł., Stasiewicz M., Owsianiak M., Szulc A., Piotrowska-Cyplik A., Olejnik-Schmidt A.K., Wyrwas B.
(2009). Biodegradation of diesel fuel by a microbial consortium in the presence of 1-alkoxymethyl-2-methyl-5hydroxypyridinium chloride homologues. Biodegradation 20: 661–671
220
BioOrg 2015
[13] Southam G., Whitney M., Knickerbocker C. (2001). Structural characterization of the hydrocarbon degrading bacteria-oil
interface: implications for bioremediation. Biodeterio. Biodegrad. 47: 197-201.
[14] Efroymson R.A., Alexander M. (1994). Role of partitioning in biodegradation of phenanthrene dissolved in nonaqueousphase liquids. Environ. Sci. Technol. 28: 1172–1179.
[15] Prokop A., Erickson L.E., Paredes-Lopez O. (1971). Growth models of cultures with two liquid phases. V. Substrate
dissolved in disperse phase - experimental observations. Biotechnol. Bioeng. 13: 241–256.
[16] Rahman, K.S.M., Banat I.M., Thahira J., Thayumanavan T., Lakshmanaperumalsamy P. (2002). Bioremediation of
gasoline contaminated soil by a bacterial consortium amended with poultry litter, coir pith and rhamnolipid biosurfactant.
Biores. Technol. 81: 25-32.
[17] S.S. Cameotra, P. Singh (2008) Bioremediation of oil sludge using crude biosurfactants, International Biodeterioration &
Biodegradation 62: 274–280.
[18] S.G.V.A.O. Costa, M. Nitschke, F. Lépine, E. Déziel, J.Contiero (2010). Structure, properties and applications of
rhamnolipids produced by Pseudomonas aeruginosa L2-1 from cassava wastewater, Process Biochemistry; 45: 511–1516.
[19] A. Perfumo, I.M. Banat, F. Canganella, R. Marchant (2006) Rhamnolipid production by a novel thermophilic
hydrocarbon-degrading Pseudomonas aeruginosa AP02-1, Appl Microbiol Biotechnol 72: 132–138.
[20] C.O. Obuekwe, Z.K. Al-Jadi, E.S. Al-Saleh (2008) Comparative hydrocarbon utilization by hydrophobic and hydrophilic
variants of Pseudomonas aeruginosa. Journal of Applied Microbiology 105: 1876–1887.
[21] H. Yin, J. Qiang, Y. Jia, J. Ye, H. Peng, H. Qin, N. Zhang, B. He (2009) Characteristics of biosurfactant produced by
Pseudomonas aeruginosa S6 isolated from oil-containing wastewater, Process Biochemistry 44: 302–308.
[22] A. Witek-Krowiak, J. Witek, A. Gruszczyńska, R.G. Szafran, T Koźlecki, S. Modelski (2011) Ultrafiltrative separation of
rhamnolipid from culture medium, World J Microbiol Biotechnol, DOI 10.1007/s11274-011-0655-0.
[23] A. Zgoła-Grześkowiak, E. Kaczorek (2011) Isolation, preconcentration and determination of rhamnolipids in aqueous
samples by dispersive liquid–liquid microextraction and liquid chromatography with tandem mass spectrometry, Talanta 83:
744–750.
[24] M. Heyd, A. Kohnert, T.-H. Tan, M. Nusser, F. Kirschhöfer, G. Brenner-Weiss, M. Franzreb, S. Berensmeier (2008).
Development and trends of biosurfactant analysis and purification using rhamnolipids as an example, Anal Bioanal Chem
391:1579–1590.
221
BioOrg 2015
MIKROBIOLOGICZNA DEGRADACJA IBUPROFENU W HODOWLACH
KOMETABOLICZNYCH W OBECNOŚCI WYBRANYCH ZWIĄZKÓW
AROMATYCZNYCH
Ariel Marchlewicz*, Urszula Guzik, Danuta Wojcieszyńska
Katedra Biochemii, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Śląski w Katowicach, ul. Jagiellońska 28,
40-032 Katowice
Wśród pojawiających się w środowisku zanieczyszczeń coraz większe znaczenie zyskują
farmaceutyki z grupy niesteroidowych leków przeciwzapalnych (NLPZ). Jednym z najszerzej
stosowanych, a zarazem dostępnych bez recepty NLPZ jest ibuprofen. W 2000 r. spożycie ibuprofenu
w Polsce wyniosło 58 ton [5]! W konsekwencji ibuprofen oraz jego metabolity są coraz częściej
wykrywane zarówno w ściekach surowych jak i oczyszczonych, trafiających bezpośrednio do
środowiska, a także w wodach powierzchniowych [1,2,4]. Świadczy to o niedostatecznej wydajności
oczyszczalni ścieków w usuwaniu tego typu zanieczyszczeń. Sytuacja ta może być niezwykle
niebezpieczna dla organizmów bytujących w środowisku, szczególnie wodnym, gdyż leki modyfikują
procesy fizjologiczne różnych gatunków w sposób trudny do przewidzenia. Udowodniono, iż ibuprofen
m.in. zaburza wylęg jaj ryb Oryzias latipes, czy też może pośrednio wpływać na zmiany w produkcji
hormonów płciowych [3].
W badaniach zespołu Katedry Biochemii wyizolowano szczep bakterii Bacillus sp. B1(2015b)
wykazujący zdolność do metabolizowania ibuprofenu w obecności dodatkowego źródła węgla. Szczep
został pozyskany z terenów składowania odpadów poprodukcyjnych nawozów i środków ochrony roślin
Zakładów Chemicznych „Organika-Azot” w Jaworznie. Biorąc pod uwagę, iż w środowisku
w znakomitej większości przypadków nie występuje sytuacja zanieczyszczenia tylko jednym rodzajem
substancji, postanowiliśmy zbadać wpływ wybranych związków aromatycznych, takich jak fenol, 2chlorofenol, 4-chlorofenol, benzoesan sodu, 4-hydroksybenzoesan sodu, kwas wanilinowy czy kwas
cynamonowy w stężeniach 1 mM, na rozkład ibuprofenu przez szczep Bacillus sp. B1(2015b).
Hodowlę mikroorganizmów prowadzono w pożywce mineralnej z glukozą w stężeniu 1 g/l jako
substrat wzrostowy. Stężenie ibuprofenu oraz związków aromatycznych kontrolowano przy użyciu
techniki wysokosprawnej chromatografii cieczowej w odwróconym układzie faz z detektorem z matrycą
diodową.
W układach kontrolnych całkowity ubytek ibuprofenu w stężeniu 10 mg/l zaobserwowano po 36
godzinach trwania eksperymentu. Odpowiedź mikroorganizmów na zastosowane związki aromatyczne
była zróżnicowana, jednakże ich ogólny wpływ na rozkład leku kierował się w stronę wydłużenia czasu
degradacji. Wprowadzenie fenolu nie wpłynęło w zauważalny sposób na rozkład ibuprofenu, natomiast
222
BioOrg 2015
sam związek został zdegradowany po 24 godzinach. Benzoesan sodu rozkładany był w ciągu 12 godzin
prowadzenia hodowli, natomiast 4-hydroksybenzoesan sodu po 24 godzinach, jednakże obecność tych
związków spowodowała wydłużenie czasu degradacji leku do 60 godzin. W stosunku do 2-chlorofenolu,
4-chlorofenolu oraz kwasów wanilinowego i cynamonowego szczep Bacillus sp. B1(2015b) nie wykazał
potencjału degradacyjnego lub był on nieznaczny. Związki te wydłużyły o 12 godzin degradację
ibuprofenu, z wyjątkiem 4-chlorofenolu, który zahamował wzrost szczepu o 61% oraz degradację leku do
18,16%.
Mimo zauważalnego zmniejszenia szybkości rozkładu ibuprofenu w obecności badanych
związków aromatycznych, wykazano, iż zastosowanie badanych arenów (za wyjątkiem 4-chlorofenolu)
nie hamuje rozkładu ibuprofenu. Daje to potencjalne możliwości w zastosowaniu pozyskanego szczepu
w oczyszczaniu terenów skażonych związkami aromatycznymi.
Źródło finansowania: Projekt finansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki
(2013/09/B/NZ9/00244)
Literatura:
[1] H.R. Buser, T. Poiger, M.D. Muller (1999) Occurrence and environmental behavior of the chiral pharmaceutical drug
ibuprofen in surface waters and in wastewater, Environmental Science and Technology 33: 2529–2535
[2] J. Dębska A. Kot–Wasik, J. Namiesnik (2005) Determination of nonsteroidal anti–inflammatory drugs in water samples
using liquid chromatography coupled with diode–array detector and mass spectrometry, Journal of Separation Science 28:
2419–2426
[3] S. Han, K. Choi, J. Kim, K. Ji, S. Kim, B. Aho, J. Yun, K. Choi, J.S. Khim, X. Zhang, J.P. Giesy (2010) Endocrine
disruption and consequences of chronic exposure to ibuprofen in Japanese medaka Oryzias latipes and freshwater
cladocerans Daphnia magna and Moina macrocopa, Aquatic Toxycology 98: 256–264
[4] J. Rzepa (2009) Oznaczanie leków i pestycydów w wodach powierzchniowych, W: B.K Głoda, Postępy Chromatografii,
Monografie nr 111, Siedlce, WAP, 67–77
[5] K. Sosnowska, K. Styszko–Grochowiak, J. Gołaś (2009) Leki w środowisku – źródła, przemiany, zagrożenia, IV
Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, 395–404
223
BioOrg 2015
FOSFOBETAINY N-TLENKOWE W SYNTEZIE
ANALOGÓW NUKLEOTYDÓW
Magdalena Materna*, Jacek Stawiński, Michał Sobkowski
Zakład Chemii Kwasów Nukleinowych, Instytut Chemii Bioorganicznej Polska Akademia Nauk,
ul. Z. Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań
Syntetyczne analogi oligonukleotydów, w których chiralne wiązanie internukleotydowe posiada
zdefiniowaną konfigurację, stanowią interesującą grupę związków o dużym potencjale aplikacyjnym
w terapii antysensowej [1]. Kluczowym wyzwaniem dla syntezy takich analogów jest pełna kontrola nad
chiralnością centrów fosforowych. Jedną ze stereospecyficznych strategii tworzenia wiązania
internukleotydowego
jest
koncepcja
katalizy
wewnątrzcząsteczkowej
z
wykorzystaniem
O-nukleofili opracowana w grupie badawczej prof. Stawińskiego (Rys. 1) [2].
Rysunek 1. Postulowany mechanizm działania chiralnego czynnika fosforylującego z grupą katalityczną
W naszych badaniach rozwinęliśmy strategię katalitycznej kontroli chiralności koncentrując się
na opracowaniu metody syntezy czystych stereochemicznie czynników fosforylujących zawierających
O-nukleofilowe katalizatory, pozwalających na pełną stereospecyficzność fosforylacji dowolnych
związków, np. nukleozydów, amin i tioli. Przygotowane przez nas protokoły syntetyczne w układzie
H-fosfonianów z N-tlenkami ujawniły niezwykłą złożoność analizowanych procesów, kierując nas do
nowego nurtu badań - nieznanych dotąd fosfobetain O-nukleofilowych.
Zastosowanie N-tlenków w organicznej chemii fosforu ogranicza się do metody fosfotriestrowej
w syntezie oligonukleotydów oraz reakcji deoksygenacji ze związkami trójwiązalnego fosforu typu PX3
[3,4]. Dlatego też, by poszerzyć wiedzę na temat reaktywności N-tlenków w układach PIII i PV
stosowanych
w
syntezie
czynników
fosforylujących,
224
zaprojektowaliśmy
szereg
reakcji
BioOrg 2015
z udziałem różnych typów O-nukleofili wobec H-fosfonianów 1a i 1b oraz halogenofosforanów 1c (Rys.
2). W eksperymentach uwzględniliśmy dodatkowo zależność efektywności układów reakcyjnych od po-
Rysunek 2. Reaktywność N-tlenków wobec H-fosfonianów i halogenofosforanów
larności rozpuszczalników, obecności dodatkowych katalizatorów zasadowych i nukleofilowych oraz
charakteru estrowych grup w związkach fosforu. Badania wykazały, iż O-nukleofile mogą działać jako
utleniacze w układach H-fosfonianowych zawierających dobrą grupę odchodzącą. Dlatego też diarylowe
oraz
alkiloarylowe
H-fosfoniany
reagowały
gwałtownie,
tworząc
nieoczekiwanie
zamiast
fosforanodiestrów reaktywne fosfobetainy 2. Związki te zostały wyizolowane i scharakteryzowane dla
analogów fenylowych oraz nukleozydowych. W odniesieniu do arylowych fosfobetain możliwa była
analiza krystalograficzna jednoznacznie potwierdzająca strukturę związków. Natomiast H-fosfoniany
dialkilowe oraz dinukleozydowe wykazywały stabilność w obecności N-tlenków. Jednakże możliwość
transformacji tych diestrów do halogenofosforanów (zastosowanie I2 lub CCl4) funkcjonalizowała
N-tlenki jako donory atomu tlenu, prowadząc do otrzymania fosforanodiestrów 3 lub fosfobetain 2.
Rozważania mechanistyczne dotyczące otrzymywania fosfobetain doprowadziły nas do
postulowania trzech ścieżek reakcji zakładających tworzenie metafosforanu lub trójwiązalnego związku
fosforu (Rys. 3). Dotychczasowe eksperymenty dowodzą, iż najbardziej prawdopodobna jest droga B1.
Bazując na wynikach eksperymentów dotyczących reaktywności fosfobetain opracowaliśmy
metodę one-pot dla syntezy nukleotydów oraz ich analogów w warunkach bezwodnych (Rys. 4).
Blokowane nukleozydy były fosfonylowane poprzez DPP [5], a następnie traktowane alkilowymi
N-tlenkami formując reaktywne fosfobetainy 2, które efektywnie ulegały transformacji do szeregu
pochodnych fosforanowych, np. 4 i 5. Natomiast zastosowanie halogenofosforanów pozwalało
otrzymywać fosforanodiestry 3.
225
BioOrg 2015
Rysunek 3. Postulowane alternatywne mechanizmy formowania fosfobetain
Rysunek 4. Synteza one-pot analogów nukleotydów w warunkach bezwodnych
Przeprowadzone eksperymenty dotyczące reaktywności N-tlenków wobec związków PIII
pozwoliły na dogłębne poznanie złożoności reakcji towarzyszących syntezie stereospecyficznych
czynników fosforylujących w strategii katalizy wewnątrzcząsteczkowej. Nasze badania ujawniły ponadto
znaczny potencjał N-tlenków jako utleniaczy i donorów atomu tlenu wobec H-fosfonianów oraz
halogenofosforanów. Pozwoliło to na otrzymanie nowej klasy niezwykle reaktywnych związkówfosfobetain N-tlenkowych. Na podstawie sporządzonego profilu reaktywności opracowaliśmy metodę
one-pot dla syntezy analogów nukleotydów w warunkach bezwodnych.
Literatura:
[1] F. Eckstein (2000) Phosphorothioate oligodeoxynucleotides: What is their origin and what is unique about them?,
Antisense and Nucleic Acid Drug Development 10(2):117-121
226
BioOrg 2015
[2] H. Almer, T. Szabo, J. Stawinski (2004) A new approach to stereospecific synthesis of P-chiral phosphorothioates.
Preparation of diastereomeric dithymidyl-(3’-5’) phosphorothioates, Chemical Communications (3):290-291
[3] V.A. Efimov, O.G. Chakhmakhcheva, Yu.A. Ovchinnikov (1985) Improved rapid phosphotriester synthesis of
oligodeoxyribonucleotides using oxygen-nucleophilic catalysts, Nucleic Acids Res. 13(10):3651-3666
[4] E.N. Shaw (1961) Pyridine N-oxides, Pyridine and its Derivatives in: Chemistry of Heterocyclic Compounds, Interscience
Publishers, 14(2):98-154
[5] J. Jankowska, M. Sobkowski, J. Stawiński, A. Kraszewki (1994) Studies on aryl H-phosphonates.I. An efficient method for
the preparation of deoxyribo-and ribonucleoside 3’-H-phosphonate monoesters by transesterification od diphenyl
H-phosphonate, Tetrahedron Lett. 35(20):3355-3358
227
BioOrg 2015
SONDY OLIGONUKLEOTYDOWE NA BAZIE G-KWADRUPLEKSÓW
ZNAKOWANE UGRUPOWANIEM PIRENYLOWYM
1
Julia Masterniak *, Angelika Świtalska2, Bernard Juskowiak2
Wydział Farmaceutyczny, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkiewicza, ul. Fredy 10, 61-701 Poznań
2
Wydział Chemii, Pracownia Chemii Bioanalitycznej, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b, 61-614
Poznań
(odstęp
, 10 pkt)
1
pojedynczy
Piren ze względu na swoje właściwości fluorescencyjne, w tym zdolność do tworzenia
ekscymerów, jest wykorzystywany do tworzenia oligonukleotydowych sond molekularnych [1]. Zbadano
właściwości spektroskopowe oligonukleotydowych sond znakowanych pirenem pod kątem ich
wykorzystania do detekcji kationów K+.
Jedną z istotnych właściwości fluorescencyjnych pirenu jest możliwość uzyskania szerokiego
pasma przy dłuższych długościach fal (w zakresie od 425 do 550 nm, z max. przy 480 nm) w wyniku
utworzenia wzbudzonego stanu ekscymerowego. Powstaje on kiedy 2 pierścienie pirenu znajdują się
dostatecznie blisko (~10 Å) i oddziałują ze sobą [2,3]. Stosując głównie metody spektrofluorymetryczne
monitorowano proces tworzenia wzbudzonego stanu ekscymerowego, a i co za tym idzie struktur
G-kwadrupleksowych. W obecności kationów K+, sonda oligonukleotydowa ulega transformacji do
struktury G-kwadrupleksu, w którym końce 3’ i 5’ znajdują się dostatecznie blisko, żeby obie cząsteczki
pirenu mogły ustawić się równolegle (ang. face-to-face).
G-kwadrupleksy (tetrapleksy, G4 DNA) są czteroniciowymi strukturami zawierającymi jedną lub
więcej nici kwasu nukleinowego, bogatego w reszty guaninowe, w orientacji równoległej bądź też
antyrównoległej. Cztery ułożone płasko guaniny oddziałują ze sobą za pomocą wiązań wodorowych typu
Hoogsteen’a, formując G-kwartety. Dwa, trzy lub cztery G-kwartety są ułożone w stos wewnątrz
kwadrupleksu i utrzymywane są razem dzięki niewiążącym oddziaływaniom π-π. Najbardziej
interesującą cechą G-kwadrupleksów jest obecność kanału, który może kompleksować wybrany kation
metalu [4].
W
badaniach wykorzystano oligonukleotydowe sondy na
bazie sekwencji
aptameru
antytrombinowego (TBA) znakowane pirenem (TBA-py) i dodatkowo ugrupowaniem cholesterolowym
(sonda
ChTBA).
Sekwencja
antytrombinowa
(TBA),
zbudowana
z
15
nukleotydów
(5’-GGTTGGTGTGGTTGG-3’), przyjmuje strukturę czteroniciową i powstały intramolekularny
kwadrupleks o dwóch kwartetach guaninowych stanowi idealną platformę do konstrukcji biosensorów.
Do badań stosowano wysokosprawną chromatografię cieczową (HPLC), spektroskopię UV-Vis,
spektroskopię dichroizmu kołowego (CD) oraz fluorescencję. W przypadku sond ekscymerowych należy
oczekiwać efektów związanych z mikrośrodowiskiem (wygaszanie lub podwyższanie fluorescencji
228
BioOrg 2015
pirenu). Dodatkowym czynnikiem decydującym o efektywności emisji ekscymerowej będą ograniczenia
strukturalne.
Literatura:
[1] P. Conlon, C.J. Yang, Y. Wu, Y. Chen, K. Martinez, Y. Kim, N. Stevens, A.A. Marti, S. Jockusch, N.J. Turro, W. Tan
(2008) Pyrene excimer signaling molecular beacons for probing nucleic acids, J. Am. Chem. Soc. 130: 336-342.
[2] S.S. Lehrer (1995) Pyrene excimer fluorescence as a probe of protein conformational change, Subcell. Biochem. 24: 115132.
[3] J.B. Birks (197) Excimers. In Photophysics of Aromatic Molecules, JohnWiley & Sons, Inc: New York, NY, USA, 301371.
[4] H. Hayashida, J. Paczesny, B. Juskowiak (2008) Interactions of sodium and potassium ions with oligonucleotides carrying
human telomeric sequence and pyrene moities at both termini, Bioorganic & Medicinal Chemistry 16: 9871-9881.
229
BioOrg 2015
KONCEPCJA TERMOSTABILIZOWANEGO NEBULIZATORA
PNEUMATYCZNEGO
Lubomira Broniarz-Press, Magdalena Matuszak*, Sylwia Włodarczak, Marek Ochowiak
Aerozoloterapia zalicza się do nowoczesnych metod terapii instrumentalnej, której celem jest
dostarczanie leku w formie aerozolu do dróg oddechowych [1]. Do rozpylenia leku najczęściej
wykorzystywane są inhalatory medyczne o zróżnicowanej konstrukcji i mechanizmie pracy [2].
Aerozolem nazywany jest układ dyspersyjny zawieszonych w gazie (najczęściej: tlen, powietrze,
rzadziej: mieszanina gazów) cząsteczek ciała stałego lub substancji płynnej o niewielkich rozmiarach [1].
Aplikacja leków do organizmu pacjenta przez drogi oddechowe stanowi coraz ciekawszą alternatywę
w odniesieniu do innych metod dostarczania leków, takich jak metody iniekcyjne i doustne [3].
Ciągły wzrost zainteresowania aerozoloterapią potęguje dalszy rozwój rozmaitych urządzeń
i preparatów wziewnych, co umożliwia zwiększenie obszaru zastosowań terapii wziewnej. W związku
z powyższym obserwuje się pojawienie nowych środków farmaceutycznych przeznaczonych do inhalacji
wziewnej, m.in.: biofarmaceutyki wziewne, leki immunosupresyjne, steroidy wziewne, szczepionki, leki
przeciwnowotworowe, leki antycholinergiczne [3-7]. Coraz częściej nebulizacji w inhalatorach
medycznych poddawane są białka terapeutyczne oraz peptydy (np. insulina, hormon wzrostu) [4,8,9].
W ostatnich latach sporo uwagi poświęcono aerozoloterapii genowej oraz preparatom leczniczym nowej
generacji (określane mianem leków rekombinowanych) [10,11]. W celu wytworzenia leków
rekombinowanych konieczne jest przeprowadzenie szeregu procesów biotechnologicznych oraz
wykorzystanie technik inżynierii genetycznej. Preparaty te stanowią kopie endogenne aktywnych
biologicznie białek, do których zalicza się: szczepionki, hormony, przeciwciała oraz środki diagnostyczne
[4,11].
Skuteczność inhalacji wziewnej zależy od wielu czynników, przede wszystkim od właściwości
cieczy oraz konstrukcji urządzenia rozpylającego. Kluczową rolę w efektywności aerozoloterapii
odgrywa wielkość kropel generowanego aerozolu, która warunkuje depozycję rozpylonego leku
w układzie oddechowym pacjenta. Wyraźny wpływ na rozmiar kropel i/lub rozkład wielkości kropel
generowanego aerozolu wywiera temperatura rozpylanego roztworu. W wielu pracach opisano zjawisko
ochłodzenia temperatury aerozolu o 10÷15 ºC na wylocie z nebulizatora pneumatycznego na skutek
rozpylania cieczy. Zarejestrowany spadek temperatury może wywoływać zaburzenia homeostazy błony
śluzowej układu oddechowego lub skurcz oskrzeli, co prowadzi do pogorszenia zdrowia pacjenta. Jest
szczególnie niebezpieczny w przypadku inhalacji wziewnej prowadzonej u niemowląt, noworodków,
230
BioOrg 2015
alergików, chorych na nadwrażliwość i z nadreaktywnością drzewa oskrzelowego. Literatura dowodzi,
że znacząca część nebulizatorów pneumatycznych dostępnych na rynku generuje aerozol o obniżonej
temperaturze (20÷25 °C). W związku z powyższym konieczne jest wytworzenia aerozolu o temperaturze
zbliżonej do temperatury ciała człowieka (28÷37 ºC).
Celem podjętych badań było określenie wpływu temperatury rozpylanej cieczy na rozmiar
kropel oraz rozkład wielkości kropel. W celu poprawy efektywności rozpylania oraz zwiększenia
bezpieczeństwa terapii wziewnej zastosowano technikę termostatowania cieczy, na potrzeby której
opracowano i zbudowano termostatowany nebulizator pneumatyczny. Jego zadaniem było zwiększenie
temperatury wytwarzanych aerozoli do temperatury ciała człowieka, a tym samym zmniejszenie rozmiaru
generowanych cząstek aerozolu.
W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych nebulizacji cieczy modelowej, którą
stanowiła woda destylowana, w zakresie temperatur od 20 do 70 ± 1 ºC. Badania wykonano w tych
samych warunkach pracy (temperatura otoczenia: 20 ± 1 ºC, wilgotność powietrza: 60 ± 1%). Stanowisko
doświadczalne składało się z: nebulizatora z naczyniem nebulizacyjnym, mikroskopu, komputera
z oprogramowaniem, elementu wykonawczego z sondami pomiarowymi oraz platformy komputerowej
Raspberry Pi. Proces atomizacji cieczy prowadzono w nebulizatorze pneumatycznym Philips Respironics
PRO Soft Touch wraz z naczyniem nebulizacyjnym Jet Pro marki Philips, w którym umieszczono
element grzewczy. Warto zaznaczyć, że naczynie nebulizacyjne zostało wyposażone także w ustnik.
Głowicę nebulizacyjną zaopatrzono w regulator temperatury umożliwiający sterowanie temperaturą
generowanego aerozolu. Obiekt regulacji stałowartościowej stanowi zmiana temperatury aerozolu, która
jest rejestrowana na wylocie z głowicy nebulizacyjnej. Wykorzystany do badań regulator jest regulatorem
dwupołożeniowym, występujący w formie modułu elektronicznego, gdzie element wykonawczy stanowi
przekaźnik. Głównym elementem (regulatorem) zaproponowanego układu sterującego procesem
atomizacji jest platforma komputerowa Raspberry Pi. Elementem nastawczym natomiast jest komputer
z odpowiednim oprogramowaniem. Zastosowane cyfrowe sondy temperatury pełnią funkcje członu
pomiarowego, a przekaźnik z uzwojeniem grzewczym to element wykonawczy. W celu przeprowadzenia
analizy wielkości kropel posłużono się metodą wyłapywania kropel na ciecz immersyjną. Za pomocą
kamery Opta-Tech połączonej z mikroskopem Nikon Eclipse 50i sfotografowano próbki rozpylonej
cieczy. Uzyskane obrazy mikroskopowe powstałego aerozolu poddano analizie komputerowej
wykorzystując do tego oprogramowanie Image-Pro Plus oraz MultiScanBase [12]. Analizie
komputerowej poddano przynajmniej 1400 średnic kropel dla pojedynczej serii pomiarowej. Dokładność
pomiaru średnicy kropli stanowiła około ± 0,3 μm.
Uzyskane wyniki badań pozwalają jednoznacznie stwierdzić, że spadek wartości lepkości cieczy
(na skutek wzrostu temperatury cieczy) powoduje zmniejszenie wielkości kropel generowanego aerozolu,
a tym samym następuje spadek wartości mediany rozkładu liczbowego (CMD, ang. Count Median
231
BioOrg 2015
Diameter). CMD definiuje wartość średnicy kropli, dla której wielkość dystrybuanty wynosi 0,5 [1].
Dane doświadczalne dowodzą, że wzrost temperatury nebulizowanej cieczy powoduje spadek ilości
dużych kropel oraz wyraźny wzrost ilości małych kropel. Ponadto analiza uzyskanych wyników
wykazała, że wzrost temperatury cieczy przyczynia się do zwężenia rozkładu średnic kropel oraz jego
przesunięcia w kierunku mniejszych wielkości średnic kropel. Zaobserwowano także, że na skutek
wzrostu temperatury cieczy wzrasta temperatura generowanego aerozolu. Założony przez autorów cel
prowadzonych badań zostaje osiągnięty dla cieczy podgrzanej do temperatury 40÷50 ºC, co pozwoliło na
wytwarzanie aerozolu o temperaturze zbliżonej do temperatury ciała człowieka.
Przeprowadzone badania wykazały, że średnia średnica kropel w istotny sposób zależy od
temperatury oraz lepkości nebulizowanej cieczy. Uzyskano krople o mniejszych średnicach, co jest
istotne z punktu widzenia depozycji leku w dolnych drogach oddechowych, bowiem wyłącznie
cząsteczki termoaerozolu mniejsze od 5 µm docierają do płuc. Kontrolowanie rozmiaru kropel jest
warunkiem koniecznym w produkcji środków farmaceutycznych o oczekiwanych właściwościach.
Uzyskane dane eksperymentalne umożliwią lepsze zrozumienie mechanizmu procesu nebulizacji.
Praca wykonana w ramach działalności statutowej Politechniki Poznańskiej 03/32/DSMK/0522.
Literatura:
[1] T.R. Sosnowski (2012) Aerozole wziewne i inhalatory, Politechnika Warszawska, Warszawa
[2] J. Bąk, T.R. Sosnowski (2010) Wpływ własności fizykochemicznych leków na ich atomizację w inhalatorze
pneumatycznym, Inżynieria i Aparatura Chemiczna 49(2):21-22
[3] D.C. Cipolla, I. Gonda (2011) Formulation technology to repurpose drugs for inhalation delivery, Drug Discovery Today:
Therapeutic Strategies 8(3–4):123-130
[4] S.A. Shoyele, S. Cawthorne (2006) Particle engineering techniques for inhaled biopharmaceuticals, Advanced Drug
Delivery Reviews 58:1009-1029
[5] J.G.Y. Chan, J. Wong, Q.T. Zhou, S.S.Y. Leung, H.K. Chan (2014) Advances in device and formulation technologies for
pulmonary drug delivery, Journal of the American Association of Pharmaceutical Scientists 15(4):882-897
[6] Y.B. Wang, A.B. Watts, J.I. Peters, S. Liu, A. Batra, R.O. Williams III (2014) In vitro and in vivo performance of dry
powder inhalation formulations: comparison of particles prepared by thin film freezing and micronization, Journal of the
American Association of Pharmaceutical Scientists 15(4):281-993
[7] K. Berkenfeld, A. Lamprecht, J.T. McConville (2015) Devices for dry powder drug delivery to the lung, Journal of the
American Association of Pharmaceutical Scientists 16(3):479-490
[8] S.A. Shoyele, A. Slowey (2006) Prospects of formulating proteins/peptides as aerosols for pulmonary drug delivery,
International Journal of Pharmaceutics 314:1-8
[9] J.P. Cassidy, N. Amin, M. Marino, M. Gotfried, T. Meyer, K. Sommerer, R.A Baughman (2011) Insulin lung deposition
and clearance following Technosphere®Insulin inhalation powder administration, Pharmaceutical Research 28:2157-2164
[10] J.C. Johnson, J.C. Waldrep, J. Guo, R. Dhand (2008) Aerosol delivery of recombinant human DNase I: in vitro
comparison of a vibrating-mesh nebulizer with a jet nebulizer, Respiratory Care 53(12):1703-1708
232
BioOrg 2015
[11] J. Rodziewicz (2009) Właściwości lecznicze i bezpieczeństwo stosowania leków rekombinowanych, Czasopismo
Aptekarskie 10(190):15-23
[12] L. Broniarz-Press, M. Ochowiak, M. Matuszak, S. Włodarczak, (2014) The effect of shear and extensional viscosity on
atomization in medical inhaler, International Journal of Pharmaceutics 468:199-206
233
BioOrg 2015
WPŁYW WYBRANYCH ZWIĄZKÓW STYRYLOCHINOLINOWYCH NA
MIKROFLORĘ OSADU CZYNNEGO
Justyna Michalska1*, Ariel Marchlewicz1, Katarzyna Malarz2, Danuta Wojcieszyńska1, Piotr Musioł2,
Wioletta Cieślik2, Izabela Greń1
1
2
Katedra Biochemii, Uniwersytet Śląski w Katowicach, ul. Jagiellońska 28, 40-032 Katowice
Zakład Chemii Organicznej, Uniwersytet Śląski w Katowicach, ul. Szkolna 9, 40-006 Katowice
Antybiotykoterapia stanowi jedną z najczęściej stosowanych form leczenia we współczesnej
medycynie. Niestety skuteczność działania antybiotyków jest coraz bardziej ograniczana przez rosnącą
liczbę mikroorganizmów patogennych, opornych na ich działanie. Towarzyszący powszechnemu
nadużywaniu antybiotyków problem antybiotykoodporności, wiąże się z wzrostem zachorowalności oraz
śmiertelności, jak również ze zwiększonymi kosztami leczenia i wymusza konieczność poszukiwania
nowych leków przeciwbakteryjnych [1]. Pośród tych związków szczególnie duże zainteresowanie
w ciągu ostatnich kilku dekad, ze względu na ich dobre właściwości terapeutyczne, zyskały związki
heterocykliczne, zawierające w swojej strukturze atom azotu [2, 3]. Jednym z najczęściej występujących
związków N-heterocyklicznych w chemii medycznej jest chinolina, która charakteryzuje się strukturą
podwójnego pierścienia benzenowego skondensowanego z pirydyną. Obecnie wiele środków
farmaceutycznych
opartych
jest
na
szkielecie
chinoliny.
Dzięki
rozszerzonej
strukturze
zdelokalizowanych elektronów π, zastosowanie pochodnych chinoliny nie ogranicza się jednak jedynie
do przemysłu farmaceutycznego. Związki te mogą bowiem wykazywać unikalne właściwości optyczne,
będąc cząsteczkami idealnymi do potencjalnego zastosowania w materiałach optycznych czy sondach
luminescencyjnych [3,4]. Z tego względu chinolina wielokrotnie była uznawana jako cząsteczka
uprzywilejowana i stanowi fragment strukturalny o szczególnym znaczeniu w projektowaniu aktywnych
bioefektorów. Pomimo szerokiego spektrum zastosowań w medycynie, a także niejednokrotnie wysokiej
aktywności antybakteryjnej pochodnych chinoliny, towarzyszy im wysoka toksyczność [5]. W wyniku
powszechnego wykorzystania chinoliny i jej pochodnych w wielu dziedzinach życia, związki te wraz
z innymi zanieczyszczeniami dostają się do środowiska. Ze względu na wysoką rozpuszczalność
w wodzie i mobilność w glebie ich rozkład może być utrudniony. Podobnie, jak inne ksenobiotyki,
związki chinolinowe, trafiają wraz z zanieczyszczeniami do oczyszczalni ścieków i mogą wpływać na
obniżenie efektywności procesu oczyszczania, wywierając negatywny wpływ na skład i aktywność
mikroorganizmów osadu czynnego. Ponadto cząsteczki te wykazują zdolność do bioakumulacji
w organizmach żywych, a ich biotransfomacja może prowadzić do powstania aktywnych intermediatów
epoksydowych. Niektóre z tych form mogą wiązać się z białkami i kwasami nukleinowymi, wykazując
działanie genotoksyczne [4, 6].
Stosunkowo nową grupą pochodnych chinoliny, które wykazują szerokie spektrum aktywności
234
BioOrg 2015
biologicznej, w tym działanie przeciwnowotworowe, przeciwgrzybicze i przeciwbakteryjne są
styrylochinoliny, posiadające w swojej strukturze grupy hydroksylowe [4, 5, 7]. Szczególnie obiecujące
wyniki, wskazujące na wysoką aktywność antyproliferacyjną względem komórek raka jelita grubego,
otrzymano w przypadku styrolochinolin opartych o fragment 8-hydroksychinoliny.
Dane ekotoksykologiczne donoszą, iż większość z nich nie wywiera negatywnego wpływu na
organizmy w krótkim czasie lecz cechuje się toksycznością chroniczną, będącą wynikiem ich
długotrwałego oddziaływania w danym środowisku [8]. Obecnie badania dotyczące wpływu
farmaceutyków na środowisko prowadzone są ex post facto, po wielu latach ich stosowania. Celem
niniejszych badań była symulacja i ocena wpływu wybranych analogów 8-hydroksystyrylochinoliny na
mikroflorę osadu czynnego pochodzącego z oczyszczalni ścieków komunalnych oraz z oczyszczalni
ścieków przemysłowych. Badane analogi 8-hydroksystyrylochinoliny odznaczają się wysoką
aktywnością przeciwnowotworową w badaniach in vitro i mogą znaleźć w przyszłości potencjalne
zastosowanie w badaniach klinicznych w terapii przeciwnowotworowej. Zdolność tych związków do
elektroluminescencji oraz ich właściwości fotochromowe, mogą także umożliwić ich potencjalne
zastosowanie w urządzeniach optycznych lub biosensorach. W związku z tym, substancje te mogą się w
przyszłości pojawić zarówno w ściekach komunalnych, jak również przemysłowych, dopływających do
oczyszczalni ścieków.
Ocenę toksycznego wpływu czterech pochodnych 8-hydroksystyrylochinoliny na mikroflorę
osadu czynnego przeprowadzono z wykorzystaniem testu inhibicji wzrostu (ang. growth inhibition test).
Do inokulacji zastosowano osady czynne pochodzące z dwóch oczyszczalni ścieków,
przyjmujących
ścieki
komunalne
zaszczepiano
następnie
płytki
lub
komunalno-przemysłowe.
mikrotitracyjne.
Wzrost
Zhomogenizowanym
mikroorganizmów
osadem
kontrolowano
spektrofotometrycznie przy długości fali równej 590 nm. W celu opracowania wyników i oceny
istotności różnic między nimi zastosowano testy statystyczne ANOVA oraz post-hoc z użyciem
oprogramowania statystycznego Statistica 12.
Przeprowadzone badania wskazują na różnice w toksyczności badanych analogów 8hydroksystyrylochinoliny
przeprowadzenie
a
względem
priori
badań
mikroorganizmów
osadu
ekotoksykologicznych
czynnego.
nowo
Na
tej
podstawie
syntezowanych
związków
przeciwnowotworowych, o potencjalnym szerokim spektrum zastosowania, wydaje się być słusznym
rozwiązaniem, pozwalającym na ocenę ryzyka związanego z ich przyszłym wpływem na ekosystemy.
235
BioOrg 2015
Literatura:
[1] J. Lin, K. Nishino, M. C. Roberts, M. Tolmasky, R. I. Aminov, L. Zhang (2015) Mechanisms of antibiotic resistance,
Frontiers in Microbiology 6(34):1-3
[2] P. Martins, J. Jesus, S. Santos, L. R. Raposo, C. Roma-Rodriges, P. V. Baptista, A. R. Fernandes (2015) Heterocyclic
Anticancer Compounds: Recent Advances and the Paradigm Shift towards the Use of Nanomedicine’s Tool Box, Molecules
20: 16852-16891
[3] V. R. Solomon, H. Lee (2011) Quinoline as a privileged scaffold in cancer drug discovery, Current Medicinal Chemistry
18: 1488–1508
[4] W. Cieślik, R. Musioł, J.E. Nycz, J. Jampilek, M. Vejsova, M. Wolff, B. Machura, J. Polański (2012) Contribution to
investigation of antimicrobial activity of styrylquinolines, Bioorganic and Medicinal Chemistry 20(24):6960–6968
[5] M. Rams-Baron, M. Dulski, A. Mrozek-Wilczkiewicz, M. Korzec, W. Cieślik, E. Spaczyńska, P. Bartczak, A. Ratuszna, J.
Polański, R. Musioł (2014) Synthesis of New Styrylquinoline Cellular Dyes, Fluorescent Properties, Cellular Localization and
Cytotoxic Behavior, PLoS ONE 10(6): 1-17
[6] Q Bai, L. Yang, R Li, B. Chen, L Zhang, Y. Zhang, B. E. Rittmann (2002) Accelerating quinolinebiodegradation and
oxidation with endogenous electron donors, Environmental Science and Technology 49: 11536-11542
[7]R. Musioł, J. Jampilek, K. Kralova (2007) Investigating biological activity spectrum for novel quinoline analogues,
Bioorganic and Medicinal Chemistry 15(3): 1280-1288
[8] K. Affek, M. Załęska-Radziwił, M. Łabkowska (2013) Wyznaczanie bezpiecznej zawartości leków w środowisku wodnym
na podstawie badań ekotoksykologicznych, Ochrona Środowiska 4(35): 51-56
236
BioOrg 2015
REAKCJE KOMPLEKSOWANIA ANTYBIOTYKÓW β-LAKTAMOWYCH
Z JONAMI MATALI I INNYMI BIOLIGANDAMI
Martyna Nowak*, Renata Jastrząb
Zakład Chemii Koordynacyjnej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu,
ul. Wieniawskiego 1, 61-712 Poznań
Benzylopenicylina (penicylina G, PenG) (Rys. 1.) jest organicznym związkiem chemicznym
należącym do grupy antybiotyków β-laktamowych. W swojej strukturze zawiera grupę karboksylową
oraz amidową, które ulegają protonacji.
Rysunek 1. Struktura penicyliny G
Mechanizm działania tego antybiotyku oparty jest na blokowaniu syntezy bakteryjnej ściany
komórkowej
[1].
Kwas
D-glukuronowy
(Rys.
2.)
jest
pochodną
glukozy,
która
wraz
z N-acetyloglukozaminą tworzą disacharyd stanowiący monomer kwasu hialuronowego (liniowego
polisacharydu). Kwas D-glukuronowy w swojej strukturze posiada zarówno grupę karboksylową, jak
i hydroksylowe, które mogą brać udział w koordynacji jonów metali. Związek ten wykazuje zdolność
chelatowania jonów metali poprzez atom tlenu grupy karboksylowej i atom tlenu grupy α-hydroksylowej
[2]. W organizmach żywych bierze udział w procesie detoksykacji. [3,4].
Rysunek 2. Struktura kwasu D-glukuronowego
237
BioOrg 2015
Miedź to metal odgrywający istotną rolę w organizmie człowieka. Wchodzi on w skład wielu
enzymów odpowiedzialnych za kluczowe procesy biochemiczne [5]. W organizmach żywych przy pH
fizjologicznym jony miedzi mogą oddziaływać z różnymi bioligandami i tym samym mogą wpływać na
zmianę ich właściwości oraz pełnione funkcje. Celowym jest zatem badanie połączeń koordynacyjnych,
które pomogą poznać i zrozumieć w jakim stopniu kompleksowanie wpływa na procesy przeprowadzane
w organizmach żywych.
Zbadano reakcje kompleksowania w układach podwójnych zawierających jony Cu2+ i jeden
z ligandów: benzylopenicylinę (penicylina G, BPG) lub kwas D-glukuronowy (GluA) oraz w układach
potrójnych: Cu2+/GluA/BPG. Ogólne stałe trwałości tworzących się w badanych układach kompleksów
zostały oznaczone na podstawie badań potencjometrycznych połączonych z komputerową analizą danych
(Tabela 1.).
Tabela 1. Stałe równowagi reakcji tworzenia form kompleksowych w układach Cu(II)/PenG
Kompleks
pH
logβ
Reakcja
log Ke
Cu(PenG)
4.5
10.83 (5)
Cu2+ + PenG  Cu(PenG)
10.83
Cu(PenG)(OH)
7.0
4.6 (10)
Cu2+ + PenG + H2O  Cu(PenG)(OH) + H+
18.35
Cu(PenG)(OH)2
9.0
-3.3 (10)
Cu2+ + PenG + 2H2O  Cu(PenG)(OH)2 + 2H+
24.20
Sposób koordynacji został określony na podstawie analizy widm otrzymanych z kilku
niezależnych metod spektroskopowych (Rys. 3.)
0,040
0,030
Cu(PenG)(OH)2
0,035
0,025
Cu(GluA)(OH)2
0,030
0,020
0,025
Cu(PenG)(OH)
A
A
0,015
0,020
Cu(PenG)
Cu(GluA)(OH)
0,010
0,015
0,005
0,010
Cu(GluA)
0,000
0,005
0,000
-0,005
500
600
700
800
900
500
600
700
800
[nm]
[nm]
Rysunek 3. Widma Vis dla kompleksów w układach: a) Cu(II)/PenG b) Cu(II)/GluA
Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt)
[1] M.Baia, S. Astilean, T. Iliescu (2008), Springer, 97-109
[2] E. Ferrari, R. Grandi, S. Lazzari, M. Saladini (2005), Journal of Inorganic Biochemistry, 99:2381–2386
[3] R. Stocker, A.F. McDonagh, A.N. Glazer, B.N. Ames (1990), Meth. Enzymol., 186:301-309
[4] R. Stocker, Y. Yamamoto, A.F. McDonagh, A.N. Glazer, B.N. Ames (1987), Science, 1043-1046
[5] Di Donato, B. Sarkar (1997), Biochim. Biophys. Acta, 1360: 3-16
238
900
1000
BioOrg 2015
ZWIĄZKI POWIERZCHNIOWO CZYNNE POCHODZENIA ROŚLINNEGO
Amanda Pacholak*, Wojciech Smułek, Agata Zdarta, Ewa Kaczorek
Do związków powierzchniowo czynnych szeroko rozpowszechnionych w przyrodzie należą
saponiny. Ich obecność została wykazana w ponad 100 rodzinach roślin oraz w kilku gatunkach
organizmów morskich (rozgwiazdy, strzykwy). Należą one do wtórnych metabolitów roślinnych [1], co
oznacza, że ich obecność nie jest niezbędna do wzrostu i rozwoju roślin lecz pełnią one wiele funkcji w
całym cyklu życia rośliny. Wtórne metabolity roślinne pośredniczą między innymi w oddziaływaniach
roślin ze środowiskiem, pełnią funkcje obronne i allelopatyczne [2]. Saponiny są obecne przede
wszystkim u roślin dwuliściennych (Dicotyledones) w klasie Magnoliopsida i jednoliściennych
(Monocotyledones) w klasie Liliopsida [3]. W roślinach jednoliściennych najczęściej znajdują się
saponiny o budowie steroidowej, natomiast o budowie triterpenowej spotykamy u roslin dwuliściennych.
Do najważniejszych gatunków roślin bogatych w saponiny można zaliczyć [4, 5]:
nasienie kasztanowca zwyczajnego, Aesculus hippocastanum,
liść bluszczu, Herba (Folium) Hederae,
korzeń żeń–szenia Radix Ginseng,
kora mydłoki, Cortex Quillajae saponaria,
korzeń lukrecji, Radix Glycyrrhizae,
korzeń mydlnicy lekarskiej, Radix Saponariae officinalis,
Jukka, Yucca filamentosa (cała roślina),
nasienie kozieradki Foenugraeci semen,
korzeń lucerny, Medicago sativa.
Nazwa saponin pochodzi od łacińskiego słowa sapo, co znaczy mydło – dzięki połączeniu
polarnych i niepolarnych elementów strukturalnych w swoich cząsteczkach, saponiny podczas
wytrząsania z wodą, zachowują się jak mydło – pienią się [3].
Są to glikozydy – zbudowane z polarnej części cukrowej i niepolarnej zwanej aglikonem lub
sapogeniną. Lipofilowy aglikon, pochodzenia steroidowego lub triterpenowego może być związany z
maksymalnie trzema hydrofilowymi łańcuchami oligosacharydowymi. Ze względu na liczbę łańcuchów
wyróżnia się:
monodesmozydy (Monodesmosidic saponins) – są to związki, które mają pojedynczy łańcuch
cukrowy, zwykle przyłączony w pozycji C3,
239
BioOrg 2015
didesmozydy (Bidesmosidic saponins) – posiadają dwa łańcuchy cukrowe, często z jednym
przyłączonym poprzez wiązanie eterowe w pozycji C3 i drugim przyłączonym poprzez
wiązanie estrowe w pozycji C28 (saponiny triterpenowe) lub wiązanie eterowe w pozycji C26
(furastanol saponins),
tridesmozydy (Tridesmosidic saponins) – z trzema łańcuchami cukrowymi [6].
Natomiast najczęściej występującymi cukrami prostymi w strukturze saponin są: D–glukoza
(Glc), D–galaktoza (Gal), D– kwas glukuronowy (GlcA), D– kwas galakturonowy (GalA), L–ramnoza
(Rha), L–arabinoza (Ara), D–ksyloza (Xyl) oraz D–fukoza (Fuc) [7].
Strukturalna różnorodność saponin ma szerokie odzwierciedlenie w ich biologicznych i
fizykochemicznych właściwościach: posiadają one właściwości pieniące i emulgujące, właściwości
farmakologiczne, lecznicze, hemolityczne, przeciwdrobnoustrojowe, owadobójcze i mięczakobójcze.
Znalazły wiele zastosowań w przemyśle spożywczym, między innymi w napojach, wyrobach
cukierniczych, jak również kosmetykach, czy produktach farmaceutycznych [3].
Celem prowadzonych badań była izolacja i charakterystyka saponin z orzechów piorących oraz
mydlnicy lekarskiej w kierunku ich potencjalnego zastosowania w biodegradacji hydrofobowych
zanieczyszczeń.
Przedmiotem badań były także oddziaływania tych związków powierzchniowo czynnych na
właściwości powierzchniowe mikroorganizmów środowiskowych.
03/32/DSPB/0500
Literatura:
[1] K. Mędrzycka (1995) Detergenty a środowisko naturalne, Pismo PG 4
[2] E. Kaczorek, U. Guzik, D. Wojcieszyńska, M. Krysiak (2010) Mikrobiologiczny rozkład alkanów ropopochodnych, Nafta
gaz 11:1019–1027
[3] Y. Qina, G. Zhanga, B. Kangb, Y. Zhao (2005) Primary Aerobic Biodegradation of Cationic and Amphoteric Surfactants,
Journal of Surfactants and Detergents 8 (1)
[4] M. K. Błaszyk (2007) Mikroorganizmy w ochronie środowiska, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
[5] H. Górna, Ł. Ławniczak, A. Zgoła–Grześkowiak, E. Kaczorek (2011) Differences and dynamic changes in the cell surface
properties of three Pseudomonas aeruginosa strains isolated from petroleum–polluted soil as a response to various carbon
sources and the external addition of rhamnolipids, Bioresource Technology 102:3028–3033
[6] E. Kaczorek, K. Sałek, U. Guzik, T. Jesionowski, Z. Cybulski (2013) Biodegradation of alkyl derivatives of aromatic
hydrocarbons and cell surface properties of a strain of Pseudomonas stutzeri, Chemosphere 90:471–478
[7] M.J. Rosen, L. Feia, Yun–Peng Zhua, S. W. Morrall (1999) The Relationship of the Environmental Effect of Surfactants to
Their Interfacial Properties, Journal of Surfactants and Detergents 2(3):343–347
240
BioOrg 2015
BADANIE SKŁADU CHEMICZNEGO EKSTRAKTÓW Z LIŚCI CZOSNKU
POSPOLITEGO (ALLIUM SATIVUM L.)
Monika Pawlikowska*, Halina Kwiecień
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej,
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Al. Piastów 42, 71-065 Szczecin
Czosnek pospolity (zwyczajny) (Allium sativum L.) należący do podrodziny czosnkowatych
(Allioideae Herb.) z rodziny amarylkowatych (Amaryllidaceae) jest byliną uprawną jednoroczną lub
dwuletnią. Teren jego występowania obejmuje niemal wszystkie strefy klimatyczne, zwłaszcza obszary
chłodne i górzyste, a głównymi światowymi producentami są Chiny, Egipt, Indie i Hiszpania. Roślina ta
wywodzi się z Azji Środkowej i jest powszechnie stosowanym warzywem przyprawowym
o potencjalnych właściwościach terapeutycznych, znajdującym zastosowanie jako żywność funkcjonalna.
Jego wartość ceniono już w starożytności [1]. Według literatury, poszczególne substancje zawarte
w czosnku wykazują szerokie spektrum aktywności biologicznej: przeciwgrzybicznej, przeciwwirusowej,
przeciwbakteryjnej, antyoksydacyjnej, obniżającej ciśnienie krwi [2].
Najlepiej poznanym i przebadanym pod względem składu surowcem czosnku jest jego cebula
(główka, bulwa) otulona łuskami, złożona z różnej ilości ząbków (cebulek), zazwyczaj od 6 do 24.
Głównym składnikiem cebuli czosnku jest woda (do 68%) i węglowodany (do 30%), a także białka (do
2,1%), wolne aminokwasy (do 1,6%), błonnik (ok. 1,5%), lipidy (do 0,2%) i saponiny (do 0,11%) [3].
Ząbki czosnku pospolitego zawierają w składzie wiele substancji aktywnych: fitosterole, flawonoidy,
witaminy z grupy B i C, pektyny oraz cenne związki siarki (do 3,5% składu) nadające tej roślinie
specyficzny, ostry zapach i którym to przypisywana jest aktywność biologiczna cebuli czosnku. Należy
do nich bezwonny, lotny aminokwas alliina (sulfotlenek L-(+)-S-allilocysteiny) (1), ulegająca
przekształceniu do allicyny (tisulfinianu diallilu) (2) poprzez działanie enzymu allinazy. Allinaza jest
uwalniana z kompartmentów komórkowych poprzez naruszenie tkanek cebulek czosnku (rozdrabnianie,
rozcieranie, krojenie). Allicyna wykazuje silne działanie antybiotyczne i ulega rozpadowi do
wielosiarczków, głównie disulfidu diallilowego (3) i trisulfidu diallilowego (4). Innymi związkami
siarkowymi występującymi w cebuli czosnku są ajoeny: (E)-Ajoen (5) i (Z)-Ajoen (6), powstałe z trzech
cząsteczek allicyny oraz winyloditiiny: 2-winylo-[4H]-1,3-ditiina (7) i 3-winylo-[4H]-1,2-ditiina (8),
powstałe z kolei jako produkty nieenzymatycznego rozkładu allicyny.
241
BioOrg 2015
Skład chemiczny oraz aktywność biologiczna ekstraktów z cebuli czosnku są bardzo dobrze
poznane. Nieliczne publikacje dotyczą rozważań nad pozostałymi organami czosnku pospolitego.
Źródła podają, że oprócz ząbków, ciekawymi surowcami czosnku o potencjalnym działaniu
aktywnym są, często utylizowane i wyrzucane podczas procesu jego przetwarzania: liście, kwiaty,
cebulki powietrzne, korzenie, a także, według najnowszych doniesień literaturowych, łuski okrywające
cebulę czosnku. Badania potwierdzają, iż wszystkie te organy posiadają właściwości antyoksydacyjne,
odpowiadają zatem za neutralizację wolnych rodników [4]. Spośród wymienionych organów, najwyższą
aktywnością charakteryzują się liście czosnku pospolitego, będące surowcem jak do tej pory mało
przebadanym i nie znajdującym szerokiego zastosowania w celach żywieniowych. Wykazano, że ich
działanie przeciw wolnym rodnikom może przewyższać skutecznością cebule czosnku [5].
Głównymi składnikami olejów ze świeżych (zielonych) liści czosnku pospolitego, wykrytymi za
pomocą analizy GC-MS są: trisulfid diallilowy oraz disulfid diallilowy, a także: trisulfid allilometylowy
(9), disulfid allilopropylowy (10), izotiocyjanian izobutylu (11), 1,2-dimerkaptocyklopentan (12),
3-metylo-2-cyklopenten-1-tion (13), disulfid allilometylowy (14), disulfid 1-propenylo metylowy (15),
2-winylo-[4H]-1,3-ditiina i 3-winylo-[4H]-1,2-ditiina [6]. Na temat składu chemicznego ekstraktów z
liści czosnku wiadomo niewiele. Według dostępnych źródeł literaturowych występuje w nich alliina oraz
związki fenolowe. [7]
W posterze przedstawiono badanie nad składem chemicznym ekstraktów z liści czosnku
pospolitego (Allium sativum L.) pochodzącego z polskiej uprawy. Liście oddzielono od cebul,
oczyszczono, a następnie wysuszono i rozdrobniono. Tak przygotowany materiał poddano ekstrakcji
z wykorzystaniem rozpuszczalników charakteryzujących się różnym stopniem polarności: etanolu,
242
BioOrg 2015
metanolu, n- heksanu, chloroformu, chlorku metylenu, octanu etylu i eteru dietylowego metodą ekstrakcji
ciągłej w aparacie Soxhleta. Do ekstrakcji użyto 3 g materiału roślinnego i 80 ml rozpuszczalnika.
Reakcja prowadzona była w temperaturze łagodnego wrzenia rozpuszczalnika przez 9 godzin. Po
ekstrakcji rozpuszczalnik oddestylowano z wyciągów za pomocą wyparki i wykonano próbki w celu
ustalenia składu chemicznego poszczególnych ekstraktów. Próbki analizowano za pomocą chromatografii
gazowej przy użyciu aparatu Agilent 6890N z detektorem mas 597, wyposażonym w kolumnę kapilarną
typu HP-5ms 30 m × 0,25 mm, z 5% fenylometylopolisiloksanowym wypełnieniem i 0,25 μm grubością
filmu. Temperaturę zaprogramowano od 60°C do 320°C. Detekcję prowadzono w trybie pełnego
skanowania (40-500 m/z). Związki identyfikowano za pomocą biblioteki widm mas NIST 02. Widmo
jakości wyszukiwania ustalono na poziomie 90% i określano indeksy retencji, za kryterium przyjmując
zaprogramowaną temperaturę. Otrzymane wyciągi charakteryzowały się różnym zabarwieniem (od
żółtego po brunatno-zielony) oraz zróżnicowanym udziałem procentowym poszczególnych związków.
Głównymi związkami zawartymi w ekstraktach były fitosterole oraz estry wyższych kwasów
tłuszczowych. Otrzymane wyniki badań zostaną omówione w posterze.
Literatura:
[1] H. Takagi (1990) Garlic (Allium sativum), w: H.D. Rabinowitch, J.L. Brewster Onions and Allied Crops Vol. 3,
Wydawnictwo CRC, Floryda
[2] S. Mukherjee, I. Lekli, S. Goswami, D. K. Das (2009) Freshly Crushed Garlic is a Superior Cardioprotective Agent than
Processed Garlic, Journal of Agricultular and Food Chemistry, 57(15):7137-7144
[3] H. Kwiecień (2008) Chemistry and biological activity of garlic (Allium sativum), Wiadomości chemiczne, 62(9-10): 901942
[4] F. Kallel, D. Driss, F. Chaari, L. Belghith, F. Bouaziz, R. Ghorbel, S. E. Chaabouni (1014) Garlic (Allium sativum L.) husk
waste as potential source of phenolic compounds: Influence of extracting solvents on its antimicrobial and antioxidant
properties, Industrial Crops and Products (62):34-41
[5] L. Micheli, C. Nencini, A. Menchiari (2015) Evaluation of antioxidant defense system of Wild Allium neapolitanum Cyr.
From Italy, The Pharma Innovation Journal, 4(3):56-60
[6] A. E. Edris, H. M. Fadel (2002) Investigation of the volatile aroma components of garlic leaves essential oil, European
Food Research and Technology (214):105-107
[7] S.A. Nasim, B. Dhir, F. Samar, K. Rashmi, Mahmooduzzafar, A. Mujib (2009) Sulphur treatment alerts the therapeutic
potency of alliin obtained from garlic leaf extract, Food and Chemical Toxicology, (47):888-892
243
BioOrg 2015
NOWE IDEE W PROJEKTOWANIU PROLEKÓW ANTY-HIV –
NUKLEOZYDO DIFOSFORANY
Marta Rachwalak*, Tomasz Jakubowski, Małgorzata Rożniewska, Joanna Romanowska**
Instytut Chemii Bioorganicznej Polskiej Akademii Nauk, ul. Z. Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań
** e-mail: [email protected]
Jak dotąd, nie zdołano wynaleźć skutecznej szczepionki czy leku powodującego całkowitą
eliminację HIV z organizmu chorego, co stanowi jedno z najpoważniejszych wyzwań współczesnej
medycyny i chemii medycznej. Dlatego stale poszukuje się nowych możliwości terapii, prowadząc
równocześnie badania nad ulepszaniem już istniejących.
Jednym z celów molekularnych terapii anty-HIV jest proces odwrotnej transkrypcji. Pierwszym
uznanym przez FDA lekiem na AIDS była 3’-azydo-3’-deoksytymidyna (AZT, Zidowudyna, Retrovir®)
[1], należąca do grupy nukleozydowych inhibitorów odwrotnej transkrypcji (NRTIs). Związki te
charakteryzują się brakiem w swej strukturze funkcji 3’-OH, której obecność jest kluczowa dla replikacji
wirusa HIV. Brak tej funkcji implikuje przerwanie procesu transkrypcji, co z kolei prowadzi do
hamowania replikacji wirusa HIV i ochrony przed AIDS. Fakt ten wykorzystano do syntezy szeregu
proleków, analogów 2’,3’-dideoksynukleozydów, które per se nie wykazują aktywności antywirusowej,
natomiast w organizmie po chemicznych lub/i enzymatycznych przemianach uwalniają aktywne leki,
wywołujące pożądany efekt terapeutyczny (Schemat 1) [2].
Błona komórkowa
Schemat 1. Wewnątrzkomórkowy metabolizm nukleozydów (na przykładzie AZT)
Aby spełnić swoją funkcję w hamowaniu odwrotnej transkrypcji HIV, AZT oraz i inne analogi
2’,3’-dideoksynukleozydów po wniknięciu do komórki muszą zostać ufosforylowane (za pomocą kinaz
komórkowych) najpierw do nukleozydo 5’-monofosforanu (NMP), następnie do 5’-nukleozydo
244
BioOrg 2015
difosforanu (NDP), a w końcu do 5’-trifosforanu (NTP) – właściwego leku anty-HIV (Schemat 1).
Niestety, związki te są niekiedy słabymi substratami dla tych enzymów, w związku z tym ich
użyteczność terapeutyczna znacznie spada.
W związku z ograniczeniami stosowania 2’,3’-dideoksynukleozydów w celach leczniczych,
zrodziła się koncepcja pronukleotydów, które zaprojektowano po to, aby omijać pierwszy, kluczowy
i zarazem często najbardziej chimeryczny etap fosforylacji analogu nukleozydu w komórce. Według tej
koncepcji, prolekiem miałby być nukleotyd zawierający grupy maskujące na reszcie fosforanowej, które
w komórce, na skutek hydrolizy chemicznej i/lub enzymatycznej, zostają usunięte i uwolniony zostaje
nukleozydo 5’-monofosforan, który dalej jest fosforylowany do di-, a następnie do 5’-trifosforanu
(Schemat 2) [3].
Błona komórkowa
Schemat 2. Mechanizm działania pronukleotydów
Niestety okazało się, że często i ta koncepcja zawodzi. Stwierdzono, że w przypadku AZT,
najtrudniejszym etapem tworzenia aktywnego leku jest fosforylacja NMP do NDP w komórce.
W związku z tym, powstała idea, aby dostarczać do organizmu odpowiednio maskowane na resztach
fosforanowych nukleozydo 5’-difosforany, które po wniknięciu do komórki będą uwalniały NDP, co
w rezultacie ułatwi tworzenie aktywnego trifosforanu, a tym samym przyspieszy wywołanie efektu
terapeutycznego (Schemat 3).
Błona komórkowa
Schemat 3. Nowe idee w projektowaniu pronukleotydów anty-HIV – nukleozydo 5’-difosforany
245
BioOrg 2015
Koncepcja ta jest w ostatnim czasie intensywnie rozwijana w Zakładzie Chemii Kwasów Nukleinowych
Instytutu Chemii Bioorganicznej PAN. W ramach prowadzonych badań w oparciu o chemię
H-fosfonianów, została opracowana nowa metoda otrzymywania nukleozydo 5’-diforsforanów
(Schemat 4).
Schemat 4. Otrzymywanie nukleozydo 5’-difosforanów w oparciu o chemię H-fosfonianów
W metodzie tej, nukleozydo H-fosfonian kondensowano wobec jodu z alkilowymi lub arylowymi
fosforanami monoestrów lub diestrów, otrzymując odpowiednie alkilowe i arylowe pochodne nukleozydo
5’-difosforanów. Procedura ta pozwala (z dobrą wydajnością) syntezować szereg analogów difosforanów.
Otrzymane związki zostały następnie przebadane w kontekście ich aktywności biologicznej
i cytotoksyczności. Znakomita większość nukleozydo 5’-difosforanów wykazuje wysoką aktywność
przeciwwirusową i niską cytotoksyczność, przez co związki te mogę być rozpatrywane jako potencjalne
proleki. Dalsza eksploatacja badań nad tą grupą związków jest kontynuowana w Zakładzie Chemii
Kwasów Nukleinowych IChB PAN.
Literatura:
[1] http://www.fda.gov/ForPatients/Illness/HIVAIDS/Treatment/ucm118915.htm (30.11.2015r.)
[2] M. Piosik, J. Gołębiewska, J. Romanowska (2014),
Strategie w projektowaniu pronukleotydów anty-HIV, w : Na
pograniczu chemii i biologii XXXII, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań
[3] C. Meier (1998), Synlett, 233-242
246
BioOrg 2015
LIŚCIE GLICYNII CHIŃSKIEJ (WISTERIA SINENSIS) JAKO BOGATE
ŹRÓDŁO WITAMINY E
Paulina Rokosz*, Halina Kwiecień
Zakład Syntezy Organicznej i Technologii Leków, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny,
al. Piastów 17, 71 – 310 Szczecin
Witamina E należy do organicznych związków chemicznych, których cechą wspólną jest
obecność cyklicznego układu 6-hydroksychromanu i łańcucha bocznego zawierającego 16 atomów
węgla. Obecnie znanych jest osiem kongenerów wykazujących aktywność witaminy E, spośród których
cztery mają nasycony łańcuch boczny (tokoferole), a pozostałe cztery w łańcuchu bocznym posiadają trzy
wiązania podwójne (tokotrienole), Rys. 1. W zależności od liczby oraz umiejscowienia grup metylowych
wyróżnia się α, β, γ, δ - tokoferole oraz α, β, γ, δ - tokotrienole [1].
CH3
CH3
CH3
H3C
CH3
O
H3C
CH3
CH3
O
CH3
CH3
H3C
CH3
CH3
H3C
- tokoferol
HO
- tokotrienol
CH3
HO
CH3
CH3
CH3
CH3
H3C
CH3
O
H3C
CH3
CH3
O
CH3
CH3
- tokoferol
HO
CH3
CH3
- tokotrienol
CH3
HO
CH3
CH3
CH3
CH3
H3C
CH3
O
H3C
CH3
H3C
CH3
O
CH3
CH3
H3C
- tokoferol
CH3
CH3
- tokotrienol
HO
HO
CH3
CH3
CH3
H3C
O
CH3
H3C
CH3
CH3
O
CH3
CH3
- tokoferol
CH3
- tokotrienol
HO
HO
Rysunek 1. Wzory strukturalne tokoferoli i tokotrienoli
247
CH3
BioOrg 2015
Witamina E jest bardzo rozpowszechniona w przyrodzie. Najbogatszym źródłem jej
występowania są oleje roślinne pozyskiwane z kiełków pszenicy, kukurydzy czy orzechów, ale również
występuje w liściach wielu roślin np. sałaty czy podbiału [2]. Największą aktywność biologiczną
i równocześnie największe znaczenie praktyczne ma występujący w przyrodzie 2R,4’R,8’R (w skrócie
R,R,R)-α-tokoferol [2,5,7,8-tetrametylo-2-(4’,8’,12’-trimetylotrideka)6-chromanol].
Tokoferole są jasnożółtymi, przezroczystymi olejami. Ze względu na 16-węglowy łańcuch
boczny wykazują charakter hydrofobowy, w związku z czym są nierozpuszczalne w wodzie, natomiast
dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych m.in. w eterze naftowym, chloroformie, nieco
gorzej w etanolu czy acetonie. W środowisku beztlenowym odznaczają się odpornością na działanie
wysokiej temperatury (nawet do 200°C), kwasów oraz zasad. Są natomiast wrażliwe na wpływ promieni
UV i tlenu. Podczas utleniania ulegają przekształceniu w tokochinony, wspólnie tworząc pewien system
redukcyjno – oksydacyjny, który z kolei odpowiedzialny jest za działanie tokoferoli jako
przeciwutleniaczy (antioxydantia).
Rola witaminy E jako antyoksydantu jest niezmiernie istotna z punktu widzenia ochrony błony
komórkowej przed szkodliwymi oddziaływaniami na nią wolnych rodników tworzących się w wyniku
peroksydacji tłuszczów. Bierze ona także udział w procesach metabolicznych [3]. Jej niedobór może być
przyczyną zaburzeń neurologicznych, które powstają w wyniku peroksydacji błon komórkowych
neuronów i procesów degeneracyjnych w mózgu, które zwiększają się w okresie starzenia. W następstwie
niedoboru witaminy E w organizmie, wzrasta ryzyko pojawienia się chorób infekcyjnych, sercowo –
naczyniowych oraz procesów zapalnych [4]. Witamina E odgrywa również istotne znacznie
w kosmeceutykach, mianowicie łagodzi podrażniania i poparzenia skóry powstałe w skutek działania
promieni słonecznych. Ponadto dobrze przenika przez naskórek, dzięki czemu zapewnia poprawę
elastyczności i odżywienia skóry. Dodatkowo jako składnik aktywny wspomaga leczenie przebarwień
i niweluje objawy kontaktowego zapalenia skóry [5].
Jak wynika z danych literaturowych witamina E ze względu na swoje dobroczynne właściwości
odgrywa istotne znaczenie zarówno w przemyśle medycznym, jak i kosmetycznym, co z kolei składnia
badaczy do ciągłych poszukiwań nowych, cennych surowców roślinnych, które mogą stanowić bogate
źródło tych wartościowych związków biologicznie aktywnych. Przykładem takiego surowca roślinnego
jest właśnie glicynia chińska (Wisteria sinensis).
Glicynia chińska zwana również w literaturze jako słodlin chiński czy wisteria chińska, jest
długowiecznym pnączem z rodziny bobowatych (Fabaceae). Naturalnie występuje na terenach Azji oraz
Ameryki Północnej, szczególnie obficie porasta obszary Chin, Japonii oraz południowe części Stanów
Zjednoczonych, gdzie uznawana jest wręcz za gatunek inwazyjny, ze względu na swoją dominację
i hamowanie wzrostu innych gatunków roślin [6]. Obecnie dzięki swoim walorom estetycznym
248
BioOrg 2015
uprawiana jest w wielu krajach świata, również w Polsce, pomimo tego informacji odnoszących się do
samej rośliny, jak i właściwości jakimi się charakteryzuje jest niewiele.
W dostępnej literaturze znajdują się doniesienia na temat aktywności farmakologicznej
ekstraktów z kwiatów i liści glicynii. W medycynie chińskiej ekstrakty zarówno z kwiatów, jak i liści
glicynii znajdują zastosowanie w leczeniu raka żołądka, nowotworu piersi, a
także u pacjentów
z reumatoidalnym zapaleniem stawów [7,8]. Z przeglądu literatury wynika również, że ekstrakty
charakteryzują się właściwościami antyutleniającymi, przeciwbakteryjnymi oraz przeciwgrzybicznymi
[9]. Nie ma jednak żadnych doniesień odnoszących się do witaminy E, jako składnika znajdującego się
w ekstraktach z glicynii chińskiej.
Celem prezentowanych w posterze badań jest analiza składu chemicznego otrzymanych
ekstraktów z liści glicynii chińskiej (Wisteria sinensis), jako nowego, cennego źródła witaminy E.
Materiał do badań pochodził z prywatnego ogrodu w Szczecinie, liście zebrano w dwóch okresach
czasowych – w czerwcu i w październiku 2015 roku. Ekstrakty otrzymano poprzez ośmiogodzinną
ekstrakcję ciągłą stosując różne rozpuszczalniki tj. eter naftowy, n-heksan, chloroform, octan etylu,
metanol, etanol. Otrzymane ekstrakty analizowano za pomocą chromatografii gazowej sprzężonej
z detektorem mas (GC/MS).
Otrzymane ekstrakty charakteryzują się odmiennym składem chemicznym, co spowodowane jest
różnym okresem zbioru surowca. W badanych ekstraktach stwierdzono obecność witaminy E, steroli
roślinnych oraz estrów wyższych kwasów tłuszczowych.
Literatura:
[1] P. Moszczyński, R. Pyć (1999) Biochemia witamin Część II Witaminy lipofilne i kwas askorbinowy, Wydawnictwo PWN,
Warszawa
[2] A. Kołodziejczyk (2013) Naturalne związki organiczne, Wydawnictwo PWN, Warszawa
[3] R. Szymańska, B. Nowicka, J. Kruk (2009), Witamina E – metabolizm i funkcje, Problemy Nauk Biologicznych, 58(1-2):
199-210
[4] A. Zielińska, I. Nowak (2014), Tokoferole i tokotrienole jako witamina E, Chemik, 68(7): 585-591
[5] E. Lamer – Zarawska, C. Chwała, A. Gwardys (2012), Rośliny w kosmetyce i kosmetologii przeciwstarzeniowej,
Wydawnictwo lekarskie PZWL, Warszawa
[6] J. Trusty, B.G. Lockaby, W.C. Zipperer, L.R. Goertzen (2007), Identity of naturalized exotic Wisteria (Fabaceae) in the
south-eastern United States, Weed Research, 47(6): 479-487
[7] T. Konoshima, M. Takasaki, M. Kozuka, H. Tokuda, H. Nishino, E. Matsuda (1997), Antitumor promoting activities of
isoflavonoids from wisteria brachybotrys, Biological Pharmaceutical Bulletin, 20(8): 865-868
[8] J. Yan-Haul, F. Xiao-Huil, J. Hua (2009), Extraction of Wisteria sinensis active constituent and its inhibitory effect on
fungi and bacteria, Journal of Henan Agricultural Sciences 3: 60
[9] M.A. Mohamed, M.M. Hamed, A.M. Abdour, W.S. Ahmed, A.M. Saad (2011), Antioxidant and cytotoxic constituents
from Wisteria sinensis, Molecules 16: 4020-4030
edynczy, 10 pkt)
249
BioOrg 2015
OLIGOPEPTYDOWE POCHODNE RETRO-TUFTSYNY
Agnieszka Siebert*
Katedra Chemii Organicznej, Politechnika Gdańska, ul. Gabriela Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk
Retro-tuftsyna (Arg-Pro-Lys-Thr) jest tetrapeptydem o odwróconej sekwencji tuftsyny.
Ponieważ retro-tuftsyna, zarówno jak tuftsyna, są krótkimi peptydami, otrzymywanie ich na drodze
syntezy w roztworze nie stanowi większego problemu, co ułatwia wprowadzanie modyfikacji
w strukturze tych peptydów. Wiąże się to ze zwiększonym działaniem biologicznym oraz trwałością
metaboliczną.
Na
Politechnice
Gdańskiej
obecnie
prowadzone
są
badania
wykorzystujące
oligopeptydowe pochodne retro-tuftsyny w koniugatach z substancjami aktywnymi.
W celu otrzymania retro-tuftsyny użyłam metody mieszanych bezwodników, natomiast do
syntezy wiązania izopeptydowego wykorzystałam zarówno metodę mieszanych bezwodników, jak
i odczynniki kondensujące, takie jak: EDCI, EEDQ, T3P czy HBTU. Wykorzystałam osłonę Boc,
chroniącą grupy α-aminowe, a także osłonę Fmoc na grupach ε-aminowych. Otrzymane oligopeptydy
zostały scharakteryzowane widmami 1H NMR, 13C NMR i MS.
250
BioOrg 2015
WPŁYW SAPONIN NA BIODEGRADACJĘ WĘGLOWODORÓW
W OBECNOŚCI RÓŻNYCH GLEB
1*
Grzegorz Smułek , Jakub Zdarta , Wojciech Smułek2, Teofil Jesionowski2, Ewa Kaczorek1
1
2
Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej, Uniwersytet Jagielloński, ul. Gronostajowa 7, 30-387 Kraków
2
Stale rosnące wydobycie i przetwórstwo ropy naftowej oraz wykorzystanie jej pochodnych
niesie ze sobą w konsekwencji liczne skażenia środowiska naturalnego węglowodorami. Związki te
zanieczyszczają glebę, wody gruntowe i powierzchniowe. Ponieważ zaburzają homeostazę, hamują
wymianę gazową, ograniczają dostęp światła, jak i zmniejszają stężenie rozpuszczonego tlenu,
ograniczają rozwój flory i fauny na skażonym obszarze.
Hydrofobowy charakter węglowodorów wiąże się z ich niewielką rozpuszczalnością w wodzie
oraz ich ograniczoną biodostępnością przez mikroorganizmy. Ponadto wykazują one, większą niż
związki hydrofilowe i łatwo rozpuszczalne w roztworach wodnych, adhezję do cząstek stałych
składających się na osady denne zbiorników wodnych oraz tworzących glebę. Istotnym parametrem są
przy tym właściwości fizykochemiczne matrycy stałej [1].
Glebę definiuje się jako naturalną zewnętrzną warstwę skorupy ziemskiej, która powstała
w wyniku oddziaływania klimatu i żywych organizmów na zwietrzelinę skalną (tzw. macierzysty
materiał glebowy) w warunkach określonego reliefu oraz w ciągu pewnego przedziału czasu, przy czym
istotny jest również bezpośredni lub pośredni wpływ działalności człowieka [2].
Fizykochemiczne metody oczyszczania prowadzące do rekultywacji skażonych gruntów opierają
się na ekstrakcji z parą wodną, przemywaniu gleby roztworami surfaktantów lub rozpuszczalników
organicznych, termicznej desorpcji i in.. Główną wadą tych rozwiązań jest to, że w ich następstwie
zanieczyszczenia są przenoszone do innego ośrodka. Alternatywą jest wykorzystanie do degradacji
węglowodorów naturalnej zdolności mikroorganizmów, które są w stanie wykorzystywać je jako źródło
węgla i energii [3].
Aby zwiększyć ograniczoną biodostępność węglowodorów dla mikroorganizmów glebowych
stosuje się związki powierzchniowo czynne, które obniżają napięcie powierzchniowe i międzyfazowe
cieczy oraz emulgują substancje lipofilowe powodując zwiększenie powierzchni wymiany masy
i rozpuszczalności. Wykorzystanie surfaktantów podczas bioremediacji gleby wiąże się ze złożonymi
oddziaływaniami pomiędzy surfaktantem, glebą, zanieczyszczeniem i mikroorganizmami. Wśród nich
należy uwzględnić m. in. zmniejszoną adsorpcję węglowodorów na glebie [4].
251
BioOrg 2015
Celem badań było określenie wpływu surfaktantów pochodzenia roślinnego, saponin, na
biodegradację
węglowodorów
oleju
napędowego
w
obecności
gleb
o
różnym
składzie
fizykochemicznym.
W eksperymentach wykorzystano środowiskowy szczep bakteryjny Raoultella planticola,
wyizolowany z próbek pochodzących z terenów skażonych węglowodorami. Saponiny są ekstraktem
z kory rośliny Quillaya saponaria (Sigma Aldrich). Gleby wykorzystane w badaniach: piasek, ił, czarna
ziemia i rędzina, pochodzą z kolekcji gleb Instytutu Geografii i Gospodarki Przestrzennej Uniwersytetu
Jagiellońskiego.
Po sterylizacji gleb w temperaturze 180ºC wykonano analizę sitową próbek oraz ich widma
FTIR (Brucker Vertex). Do 5 g próbek dodawano po 0,25 g oleju napędowego (PKN Orlen) i 20 ml
medium mineralnego [5], a następnie zaszczepiono je wybranym szczepem bakteryjnym. Do jednej serii
hodowli dodano saponiny w ilości 2 mg na hodowlę. Próbę odniesienia stanowiła hodowla bakteryjna
z olejem napędowym nie zawierające żadnej gleby, a jedynie medium mineralne. Po 7 dniach oznaczono
w próbkach ilościową biodegradację węglowodorów metodą grawimetryczną [5].
Analiza sitowa próbek gleb pokazała, że najbardziej jednorodny skład ma piasek morski, gdzie
80% stanowią cząstki o rozmiarach 500-250 µm. Z kolei w przypadku piasku lessowego dominowała
frakcja o rozmiarach cząstek poniżej 125 µm (42%), w czarnej ziemi frakcja 1000-500 µm (45%), a w
rędzinie po 32% stanowiły frakcje 1000-500 µm oraz 250-125 µm.
Najefektywniej biodegradacja zachodziła w obecności rędziny (68%), najmniej efektywnie –
w hodowlach z piaskiem (22%). Biodegradacja w próbie odniesienia wyniosła 36%. Niezależnie od
rodzaju gleby (z wyjątkiem hodowli z piaskiem lessowym) dodatek saponin wiązał się ze wzrostem
efektywności biodegradacji o kilkanaście punktów procentowych, co w przypadku hodowli z rędziną
pozwoliło osiągnąć biodegradację węglowodorów na poziomie 79%.
Analiza FTIR gleb dodanych do hodowli mikroorganizmów biodegradujących węglowodory
wykazała obecność szeregu sygnałów związanych z krzemowo-tlenową strukturą badanych materiałów.
Wśród najważniejszych należy wymienić obecny na wszystkich widmach sygnał przy liczbie falowej
około 1050 cm-1, związany z drganiami rozciągającymi grup Si-O-Si. Poniżej 1000 cm-1 widoczny jest
szereg pasm, które generowane są przez różnego typu połączenia atomów krzemu z atomami tlenu.
Bardzo charakterystyczny sygnał, obecny na widmach wszystkich próbek, posiadający maksimum przy
3748 cm-1, związany jest z występowaniem grup silanolowych w strukturze analizowanych próbek.
Istotne pasmo, wskazujące na charakter hydrofilowo-hydrofobowy tych substancji przypada w zakresie
3580-3420 cm-1, jest generowane przez drgania rozciągające grup –OH. Należy podkreślić, iż wraz ze
spadkiem intensywności tego pasma (zmniejszenie ilości grup hydroksylowych - wzrost charakteru
hydrofobowego materiału) spada efektywność biodegradacji oleju napędowego, co związane jest
prawdopodobnie ze zwiększeniem powinowactwa hydrofobowych węglowodorów do powierzchni gleby.
252
BioOrg 2015
Przeprowadzone badania pokazały, jak istotny wpływ na efektywność biodegradacji
węglowodorów ma charakter skażonej nimi gleby. Zebrane wyniki wskazują przy tym, że decydującym
parametrem może być hydrofobowo-hydrofilowy charakter gleby i związane z nim powinowactwo
węglowodorów do gleby. Jednocześnie wykazano korzystny wpływ dodatku naturalnego surfaktantu,
saponin z Quillaja saponaria, na efektywność biodegradacji oleju napędowego przez wykorzystany
bakteryjny szczep środowiskowy.
03/32/DSPB/0500
Literatura:
[1] M. Megharaj, B. Ramakrishnan, K. Venkateswarlu, N. Sethunathan, R. Naidu (2011) Bioremediation approaches for
organic pollutants: A critical perspective, Environment International 37(8):1362-1375
[2] J. Marcinek, J. Komisarek, (red.) (2011) Systematyka gleb Polski, Roczniki Gleboznawcze 62(3):13-24
[3] M. Kopytko, D. M. Ibarra-Mojica (2009) Możliwość biodegradacji węglowodorów ropopochodnych w glebach
zanieczyszczonych przez przemysł naftowy, Inżynieria Mineralna 2(3):31-48
[4] S.S. Cameotra, J.M. Bollag (2003) Biosurfactant-enhanced bioremediation of polycyclic aromatic hydrocarbons, Critical
Reviews in Environmental Science and Technology 30(2):111-126
[5] W. Smułek, E. Kaczorek (2015) Wykorzystanie surfaktantów naturalnych w biodegradacji oleju napędowego, Nafta-Gaz
2:104-109
0 pkt)
jedynczy, 10 pkt)
253
BioOrg 2015
WYKORZYSTANIE SAPONIN Z QUILLAJA SAPONARIA W BIODEGRADACJI
OLEJU NAPĘDOWEGO
Wojciech Smułek, Agata Zdarta, Ewa Kaczorek*, Andrzej Olszanowski
Zanieczyszczenia środowiska naturalnego związkami ropopochodnymi stanowi nadal ogromny
problem ekologiczny. Słaba rozpuszczalność tych związków w wodzie powoduje, że ich biodostępność
dla komórek mikroorganizmów uczestniczących w procesie biodegradacji jest ograniczona [1].
Zastosowanie związków powierzchniowo czynnych w bioremediacji jest jednym ze sposobów
przyspieszenia biologicznego rozkładu hydrofobowych związków węglowodorowych [2]. Związki te
mogą powodować solubilizację węglowodorów, zwiększać powierzchnię kontaktu zanieczyszczeń z
mikroorganizmami poprzez ich emulgowanie, jak również bezpośrednio oddziaływań na powierzchnię
mikroorganizmów prowadząc do jej modyfikacji [3]. Interakcje pomiędzy mikroorganizmami a
hydrofobowymi związkami organicznymi w znacznym stopniu uzależnione są od hydrofobowości
powierzchni komórek.
W eksperymentach wykorzystano saponiny będące ekstraktem z kory drzewa południowoamerykańskiego Quillaja saponaria. Jest to grupa związków należących do glikozydów, które posiadają
ugrupowania hydrofilowe, do których zalicza się: pentozę i heksozę, oraz triterpenowe ugrupowanie
hydrofobowe. Analizowano wpływ stężenia saponin (60, 120 i 360 mg/L) na biodegradację oleju
napędowego przez środowiskowy szczep Sphingomonas paucimobilis ET, jak również ich oddziaływanie
na powierzchnię komórek testowanego szczepu. Eksperyment prowadzono w temperaturze 30oC przez 7
dni. Hydrofobowość powierzchni komórek oznaczano w ich logarytmicznej fazie wzrostu.
Zaobserwowano, że wyizolowany ze środowiska szczep bakteryjny charakteryzuje się
właściwościami hydrofilowymi (Rys. 1). Wprowadzenie do układu saponin spowodowało modyfikacje
właściwości powierzchniowych w kierunku cech hydrofobowych. Nie odnotowano istotnych różnic
związanych z ilością wprowadzonego do układu surfaktantu. Wzrost hydrofobowości powierzchni
komórek zaobserwowano także podczas hodowli na oleju napędowym (36%). Jakkolwiek w układach
saponiny - olej napędowy obserwowano zwiększenie ilości hydrofilowych komórek w stosunku do
układu zawierającego same saponiny. Wraz ze wzrostem ilości wprowadzonego surfaktantu następował
wzrost cech hydrofilowych powierzchni testowanego szczepu. wprowadzenie saponin do układu z olejem
napędowym spowodowało obniżenie hydrofobowości powierzchni komórek wraz ze wzrostem stężenia
saponin.
254
Hydrofobowość powierzchni komórek
(%)
BioOrg 2015
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
60
120
360
Stężenie saponin (mg/L)
saponiny
saponiny + ON
Rysunek. 1. Hydrofobowość powierzchni szczepu Sphingomonas paucimobilis ET w układzie saponiny oraz saponiny + ON
(olej napędowy).
Testowany szczep środowiskowy odznacza się słabym potencjałem biodegradacyjnymi w
stosunku do oleju napędowego. Jakkolwiek wprowadzenie do układu saponin powoduje wzrost
biodegradacji oleju napędowego (Tabela 1) przez sczep Sphingomonas paucimobilis ET. Najwyższą
biodegradację zaobserwowano dla ilości saponin 360 mg/L (32%). Wzrostowi biodegradacji wraz ze
wzrostem ilości dodawanych do układu saponin towarzyszył spadek hydrofobowości powierzchni
komórek. W układzie dominowały komórki o właściwościach hydrofilowych.
Tabela 1. Wpływ saponin na biodegradacje oleju napędowego przez szczep
Sphingomonas paucimobilis ET.
Biodegradacja oleju napędowego (%)
Stężenie saponin (mg/L)
0
60
120
360
4±1,2
15±1,8
26±2,9
32±3,1
Saponiny pochodzenia naturalnego mogą stanowić alternatywę dla syntetycznych surfaktantów
stosowanych w bioremediacji zanieczyszczeń substancjami ropopochodnymi. Dodatkowymi korzyściami
wynikającymi z ich stosowania, jest ich stosunkowo niska toksyczność w stosunku do mikroorganizmów,
biodegradowalność i kompatybilność ze srodowiskiem.
Badania zostały sfinansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na
podstawie decyzji numer DEC-2012/07/B/NZ9/00950
255
BioOrg 2015
Literatura:
[1] M. Megharaj, B. Ramakrishnan, K. Venkateswarlu, N. Sethunathan, R. Naidu (2011) Bioremediation approaches for
organic pollutants: a critical perspective. Environmental International 37:1362-1375
[2] G.M. Zeng, Z.F. Liu, H. Zhomg, J.B. Li, X.Z. Yuan, H.Y. Fu, Y. Ding, J. Wang, M.F. Zhou (2011) Effect of
monorhamnolidid on the degradation of n-hexadecane by Candida tropicalis and the association with cell surface properties.
Applied of Microbiology and Biotechnology 90:1155-1161
[3] Y. Shoji, T. Igarashi, H. Nomura, T. Eitoku, K. Katayama (2012) Liposome solubilization induced by surfactant molecules
in a microchip. Analytical Sciences 28:339-343
256
BioOrg 2015
AKTYWNOŚĆ PRZECIWUTLENIAJĄCA POCHODNYCH FLAWONOIDÓW
UZYSKANYCH NA DRODZE BIOTRANSFORMACJI
Sandra Sordon*, Anna Madej, Jarosław Popłoński, Tomasz Tronina,
Agnieszka Bartmańska, Ewa Huszcza
Flawonoidy to duża grupa naturalnie występujących związków polifenolowych. Są one szeroko
rozpowszechnionymi wtórnymi metabolitami roślin, pełniącymi wiele różnorakich funkcji w roślinach.
Flawonoidy mają istotny wpływ na wzrost i rozwój rośliny, chronią je przed negatywnym działaniem
promieniowania UV, przed infekcjami bakteryjnymi oraz grzybowymi, a także nadają barwę owocom
i kwiatom [1].
Flawonoidy wykazują szerokie spektrum aktywności biologicznych, takich jak: aktywność
przeciwutleniająca, przeciwbakteryjna, przeciwzapalna, przeciwnowotworowa i przeciwwirusowa [2].
Flawonoidy obecne w pożywieniu korzystnie wpływają na zdrowie człowieka. Obok
rozpuszczalnych w tłuszczach tokoferoli, są najpowszechniejszymi i najbardziej aktywnymi
antyoksydantami występującymi w żywności, działającymi zarówno w układach hydrofilowych, jak
i hydrofobowych. Wiele badań sugeruje, że większość korzystnych efektów zdrowotnych flawonoidów
jest przypisane do ich zdolności antyoksydacyjnej. Na ogół większa liczba podstawników
hydroksylowych w flawonoidach powoduje wyższą aktywność antyoksydacyjną [3,4].
Procesy biotransformacji, w przeciwieństwie do klasycznej syntezy chemicznej, są przyjazne dla
środowiska, prowadzone są w łagodnych warunkach i pozwalają na regio- i stereoselektywną
modyfikację substratu. Ponadto, zgodnie z prawem Unii Europejskiej, produkty uzyskane w drodze
biotransformacji związków naturalnych zaliczane są również do naturalnych (Dyrektywa UE 88/388/
EEC).
W toku naszych badań wykorzystano czerwone drożdże do otrzymywania bioaktywnych
związków pochodzenia naturalnego na drodze transformacji mikrobiologicznej. Otrzymane produkty
posiadają znacznie większą aktywność przeciwutleniającą w porównaniu do substratów. Jako jedną
z metod porównawczych zastosowano określenie aktywności przeciwutleniających, a dokładniej
zdolności do neutralizowania wolnego rodnika 2,2-difenylo-1-pikrylohydrazylowego (DPPH).
Biotransformacja takich naturalnych flawonoidów jak: naringenina, luteolina, hesperetyna
i chryzyna prowadziła do powstania hydroksylowanych produktów z ugrupowaniem katecholowym,
będących dobrymi zmiataczami wolnych rodników.
257
BioOrg 2015
Literatura:
12:155–160
[3] C. A. Rice-Evans, N. J. Miller, G. Paganga (1996) Structure-antioxidant activity relationships of flavonoids and phenolic
acids, Free Radical Biology and Medicine 20: 933-956
[4] P. G. Pietta (2000) Flavonoids as antioxidants, Journal of Natural Products 63: 1035-1042
258
BioOrg 2015
FLAWONOIDY JAKO ZWIĄZKI BIOLOGICZNIE CZYNNE
Sandra Sordon*, Jarosław Popłoński, Tomasz Tronina, Agnieszka Bartmańska, Ewa Huszcza
Flawonoidy to rozległa grupa naturalnych związków, wtórnych metabolitów roślin,
zawierających w swej budowie szkielet, w którym dwa pierścienie aromatyczne A i B połączone są
trójwęglowym fragmentem, tworzącym najczęściej dodatkowy heterocykliczny pierścień C, który wraz
z pierścieniem A tworzy układ chromanu (dihydrobenzopiranu), bądź chromenu (benzopiranu).
W zależności od pozycji przyłączenia aromatycznego pierścienia B do pochodnej benzopiranu,
flawonoidy możemy podzielić na trzy klasy: flawonoidy, izoflawonoidy oraz neoflawonoidy (Rys. 1).
Natomiast flawonoidy nie mające układu chromanu lub chromenu określa jako flawonoidy drugorzędowe
[1].
Rysunek 1.
W zależności od stopnia utlenienia pierścienia C, każdą z głównych grup flawonoidów dzieli się
na podklasy, w obrębie których poszczególne związki różnią się między sobą liczbą i rozmieszczeniem
grup hydroksylowych. Ponieważ grupy hydroksylowe charakteryzują się dużą reaktywnością, mogą one
ulegać reakcjom O-metylacji, O-acylacji, O-sulfatacji itp., czego efektem jest olbrzymia różnorodność
struktur chemicznych flawonoidów (Rys. 2) [1].
Flawonoidy występują naturalnie w większości roślin. Są skoncentrowane przede wszystkim
w skórce owoców, kwiatach, pestkach oraz korze. Związki te mają duże znaczenie w fizjologii roślin.
Nadają barwę kwiatom, liściom i owocom. Dzięki zdolności do pochłaniania promieniowania UV,
flawonoidy chronią rośliny przed niekorzystnymi skutkami jego działania. Związki te chronią także
rośliny przed infekcjami bakteryjnymi oraz grzybowymi [2].
Zarówno medycyna tradycyjna, jak i współczesna, wykorzystuje ekstrakty roślinne zawierające
związki biologicznie czynne, w tym flawonoidy, do leczenia wielu schorzeń. Działanie farmakologiczne
flawonoidów przejawia się w różny sposób. W ostatnim czasie zwrócono uwagę na właściwości
przeciwutleniające flawonoidów, są one wykorzystywane jako naturalne antyoksydanty oraz jako tzw.
zmiatacze wolnych rodników, odpowiedzialnych między innymi za powstawanie nowotworów czy
259
BioOrg 2015
procesy starzenia komórkowego [3]. Flawonoidy pozytywnie wpływają na uszczelnianie i wzmacnianie
naczyń kapilarnych, dzięki temu znalazły one zastosowanie jako środki zapobiegające krwawieniom,
wybroczynom oraz żylakom. Preparat Rutinoscorbin, zawierający flawonoid rutynę, jest stosowany
w leczeniu chorób żył i zaburzeń w mikrokrążeniu. C-glukozydy flawonoidów zawarte w preparatach
otrzymanych z głogu znalazły zastosowanie w leczeniu chorób serca [4].
Dowiedziono również przeciwalergiczne, przeciwzapalne oraz antydrobnoustrojowe działanie
flawonoidów [5]. Ze względu na szeroki zakres biologicznego działania, flawonoidy są bardzo ciekawą
grupą związków naturalnych, coraz szerzej wkraczającą na rynek farmaceutyczny jako nutraceutyki oraz
suplementy diety.
Rysunek 1. Podstawowe szkielety związków flawonoidowych: a) flawonoidy, b) izoflawonoidy,
c) neoflawonoidy, d) flawonoidy drugorzędowe
260
BioOrg 2015
Literatura:
[1] A. Samanta, G. Das, S. K. Das (2011) Roles of flavonoids in plants, International Journal of Pharmacy and Pharmaceutical
Sciences 6: 2-35
12:155–160
[3] P. G. Pietta (2000) Flavonoids as antioxidants, Journal of Natural Products 63: 1035-1042
[4] P. Knekt, J. Kumpulainen, R. Järvinen, H. Rissanen, M. Heliövaara, A. Reunanen, T. Hakulinen, A. Aromaa (2002)
Flavonoid intake and risk of chronic diseases, The American Journal of Clinical Nutrition 76: 560-568
261
BioOrg 2015
KOWALENCYJNE PRZYŁĄCZENIE HEMINY DO OLIGONUKLEOTYDU DNA
Z WYKORZYSTANIEM CHEMII „CLICK”
Alicja Stanisławska, Joanna Kosman*, Agata Głuszyńska, Bernard Juskowiak
Pracowania Chemii Bioanalitycznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza,
ul. Umultowska 89b, 60-614 Poznań
G-kwadrupleksy, będące fragmentami kwasów nukleinowych, zdolne są do tworzenia
kompleksów z cząsteczkami heminy i wykazywania aktywności katalitycznej. Takie układy noszą nazwę
DNAzymów, które katalizują reakcje peroksydazowe, zachodzące między nadtlenkiem wodoru,
a organicznym substratem, w wyniku czego obserwowany jest sygnał analityczny. DNAzymy tworzone
z oligonukleotydów bogatych w reszty guanozyny, poprzez oddziaływanie niekowalencyjne lub wiązanie
kowalencyjne (grupa prostetyczna DNAzymu) z heminą, wykazują aktywność peroksydazową [1]. Sama
hemina również cechuje się wysokim potencjałem oksydo-redukcyjnym, jednakże jest on znacznie
mniejszy niż w przypadku połączenia z oligonukleotydem. Mechanizm takiego oddziaływania polega
na zwiększeniu gęstości elektronowej na atomie żelaza porfiryny, przez co kompleks cechuje się
wyższym sygnałem analitycznym. Związanie kowalencyjne heminy do oligonukleotydu może wpłynąć
na wykazywaną aktywność oraz zredukować sygnał pochodzący od samej porfiryny. Utrudnieniem jest
słaba rozpuszczalność heminy w wodnych roztworach buforowych oraz jej silna tendencja do tworzenia
dimerów i oligomerów. Wówczas takie połączenia wykazują znikomą, lub w ogóle nie cechują się
aktywnością peroksydazową. Rozwiązaniem problemu może być zastosowanie detergentów, które
niwelują możliwość oddziaływania ze sobą porfiryn. Tworzenie się DNAzymu jest silnie zależne
od sekwencji oligonukleotydu, zatem także od topologii utworzonego DNAzymu. Sekwencje bogate
w reszty guanozyny mogą tworzyć G-kwadrupleksy o topologii antyrównoległej, równoległej, a także
mieszanej (równoległa i antyrównoległa). Istotny jest wpływ jonów(Na+, K+) na daną topologię
oraz dodatek samego liganda [1].
Udowodniono, że struktury G-kwadrupleksowe występują także w około 40% promotorów
genów. Jednakże znacznie mniej jest ich w genach supresorowych. Z kolei bogactwo G-tetrad
obserwowane jest w protoonkogenach, które stanowią około 1% wszystkich genów. Geny te, obecne
w prawidłowej komórce, zdolne są do rozpoczęcia procesu transformacji nowotworowej. Informacje
gromadzone na podstawie badań pozwalają stwierdzić, że struktury G-kwadrupleksów tworzą się w m.in.
protoonkogenie c-myc,
VEGF, c-kit, HIF-1R,
RET, b-cl2 [1]. Takie układy formowane
są także na zakończeniach sekwencji telomerowych, co może posłużyć do oznaczenia aktywności
telomerazy [3], obecnej w znakomitej większości komórek nowotworowych. Modelową sekwencją
do badań nad aktywnością peroksydazową jest np. PS2M ( 5’- GTG GGG CAT TGT GGG TGG-3’).
262
BioOrg 2015
Cechuje się dużą zdolnością do oddziaływania z heminą, posiada wyższe zdolności do katalizowania
reakcji peroksydacji niż telomerowe DNA [2].
Rysunek 1 Ułożenie heminy nad terminalną G-tetradą.
Układ katalityczny bazujący na G-kwadrupleksie charakteryzuje się mniejszymi rozmiarami niż
enzym, jest tańszy w syntezie, prostszy w modyfikacji, prawe stukrotnie stabilniejszy niż białka i może
przechodzić denaturację w sposób odwracalny, dlatego ich zastosowanie jest alternatywą do peroksydaz
stosowanych w detekcji określonych substancji. DNAzymy znalazły zastosowanie w detekcji kationów,
m.in. miedzi, srebra, ołowiu, rtęci, terbu. Służą także do detekcji białek, kwasów nukleinowych
oraz wielu biomolekuł [1]. Coraz częstszym połączeniem jest użycie nanocząstek wiążących kwasy
nukleinowe, które oddziałując z heminą formują G-kwadrupleksy (kropki kwantowe, nanocząstki złota,
srebra, nanocząstki magnetyczne). Takie układy, będące sensorami, oddziałują z białkami na powierzchni
komórek nowotworowych, z komórkami o obniżonym pH, co spotykane jest w przypadku komórek
zmienionych patologicznie Wykorzystując właściwości peroksydazowe utworzonych DNAzymów
w reakcji z heminą i organicznym indykatorem, możliwa jest detekcja produktów reakcji utlenienia.
Nanocząstki cechuje stabilność oddziaływania z DNA oraz łatwy transport do wnętrza komórek.
Posiadają znacznie wyższe współczynniki ekstynkcji, co czyni je bardziej wydajnymi niż barwniki
organiczne. Z wysoką wydajnością układy takie dostają się do wnętrza komórek nowotworowych HeLa,
stanowiąc wewnątrzkomórkowe sensory dla jonów metali, markerów i mutacji w genach związanych
z nowotworzeniem [1].
Utworzenie połączenia kowalencyjnego między heminą, a oligonukleotydem możliwe jest dzięki
zastosowaniu chemii „click”. Z wyniku działania katalizatora Cu (I) dochodzi do utworzenia trwałego
pierścienia triazolowego między azydkiem heminy, a oligonukleotydem modyfikowanym grupą
alkinową. Modyfikacja ta może mieć miejsce na obu końcach oligonukleotydu, bądź wewnątrz
sekwencji. Celem pracy jest kowalencyjne przyłączenie azydku heminy do oligonukleotydu, zbadanie
wpływu
miejsca
przyłączenia
na
aktywność
peroksydazową
charakterystyka spektralna utworzonego połączenia.
263
utworzonego
DNAzymu
oraz
BioOrg 2015
Rysunek 2. Schematyczny przebieg reakcji.
Literatura:
[1] H. Yaku, T. Murashima, D. Miyoshi, N. Sugimoto (2012) Specific Binding of Anionic Porphyrin and Phthalocyanine to
the G-Quadruplex with a Variety of in Vitro and in Vivo Applications, Molecules 17:10586-10613
[2] H.-W. Lee, Daniel J.-F. (2004) Chinnapen, and Dipankar Sen “Structure–function investigation of adeoxyribozyme with
dual chelatase and peroxidase activities, Pure Appl. Chem. 76:1537-1545.
[3] L.-J. Wang, Y. Zhang, C.h-Y. Zhang (2013) Ultrasensitive Detection of Telomerase Activity at the Single-Cell Level, Anal.
Chem. 85:11509−11517.
, 10 pkt)
264
BioOrg 2015
PRZEMIANY ESTRU 2-ETYLOHEKSYLOWEGO KWASU
p-DIMETYLOAMINOBENZOESOWEGO POD WPŁYWEM CZYNNIKÓW
UTLENIAJĄCYCH I PROMIENIOWANIA UV
Waldemar Studziński*
Zakład Analityki Żywności i Ochrony Środowiska , Uniwersytet Technologiczno- Przyrodniczy w Bydgoszczy,
ul. Ks. Kordeckiego 20, Bydgoszcz
(odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt)
Ester 2-etyloheksylowy kwasu p-dimetyloaminobenzoesowego (OD-PABA) jest jednym
z najczęściej stosowanych organicznych filtrów UV, którego zadaniem jest ochrona ciała, a także
minimalizacja szkodliwych rezultatów wywołanych nadmierną ekspozycją światła [1]. Wzrost produkcji
oraz konsumpcji filtrów UV przekłada się na przenikanie tych związków do środowiska. Związki, które
uważane są za nowe zanieczyszczenia środowiska, wymagają szczególnej uwagi, ponieważ trudno jest
przewidzieć ich zachowanie pod wpływem różnych czynników. Aktualnie można zaobserwować dużo
badań na temat zachowań filtrów UV w różnych środowiskach, co powoduje zwiększenie niezbędnych
danych na temat potencjalnych zagrożeń, spowodowanych wpływem tego rodzaju substancji.
Z przeprowadzonych dotąd badań wynika, że substancje promieniochronne mogą przedostawać się do
środowiska i ulegać fotodegradacji oraz reakcjom z innymi związkami obecnymi w nim. Wykazano, iż na
degradację filtrów wpływa wiele czynników, m.in. promieniowanie UV, pH, rodzaj matrycy, w jakiej
znajduje się ten związek, czy też obecność związków sąsiednich (pobocznych). Istotnymi czynnikami
wpływającym na degradację filtrów UV, są nadtlenek wodoru, ozon oraz chloran (I) sodu, stosowane do
oczyszczania ścieków czy dezynfekcji wód [2].
Celem pracy było zbadanie, w jaki sposób podstawowe czynniki utleniające wpływają na
stabilność estru 2-etyloheksylowego kwasu p-dimetyloaminobenzoesowego. W wyniku addytywnego
działania promieniowania UV oraz czynników utleniających następuje reakcja demetylacji grupy
aminowej. Przy zastosowaniu chloranu (I) sodu dochodzi do powstawania mono- i dichloro- substytutów,
zarówno związku macierzystego, jak i jego metabolitów. Badania wpływu układu oksychlorującego na
ester 2-etyloheksylowy kwasu p-dimetyloaminobenzoesowego również wykazały powstawanie szeregu
produktów chloroorganicznych.
Literatura:
[1] D. L. Giokas, A. Salvador, A. Chisvert (2007) UV filters, From sunscreens to human body and the environment, Trendsin
Analytical Chemistry, Vol. 26, 2007,str. 361
[2] L Fent, P. Y Kunzac., E.Gomezd (2008) UV Filters in the Aquatic Environment Induce Hormonal Effects and Affect
Fertility and Reproduction in Fish, Chimia, Vol. 62, 2008, str. 368-370;
265
BioOrg 2015
INTERAKCJE PIRAZOLOPOCHODNEJ Z WYBRANYMI AMINOKWASAMI
KIESZENI RECEPTOROWEJ – ANALIZA NMR I OBLICZENIA KWANTOWOMECHANICZNE
1
Paulina Szulc , Kornelia Czaja , Elżbieta Jodłowska1, Tomasz Ratajczak2, Marcin K. Chmielewski2,
Jacek Kujawski1*, Marek K. Bernard1
1
1
Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, ul. Grunwaldzka 6,
60-780 Poznań
2
Instytut Chemii Bioorganicznej, Polska Akademia Nauk, ul. Z. Noskowskiego 12/14 61-704 Poznań
Pochodne pirazolu są rzadko spotykane w świecie naturalnym. Połączenia te jednakże są
bioizosterami jednych z najważniejszych związków naturalnych, a mianowicie pirolu, pirymidyny
i puryny, stanowiąc ważny kierunek poszukiwań nowych struktur wiodących. Otrzymywane obecnie
biblioteki nowych pochodnych pirazolu i indazolu cechują się szerokim spektrum aktywności
biologicznej [1,2]. Kontynuując badania naszego zespołu dotyczące interakcji biologicznie ważnych
azahetarenów w otoczeniu chemicznym [1-4], skupiono uwagę na oddziaływaniu otrzymanego
w Katedrze 1-metylo-6-(4-metylofenylosulfonylo)-4H-pirazolo[4,3-c]pirazolu (Rys. 1) z aminokwasami
kieszeni receptorowych, będącymi najczęstszymi miejscami wiązania się pochodnych pirazolu
o aktywności przeciwnowotworowej, tj. Glu, Cys, Met, Ala, Lys i Asp, z uwzględnieniem widm
temperaturowych (25ᵒC, 40ᵒC, 60ᵒC)
1
H NMR azolu oraz w obecności danego aminokwasu,
z zastosowaniem dużego rozcieńczenia próby oraz w obliczu zaniedbywalnej zmiany pH w badanej
próbie. Wykazano przy tym największe fluktuacje sygnałów pirazolopochodnej w obecności Glu i Cys
(Tabela 1). Doświadczenie wykazało, że w funkcji wzrostu temperatury największą zmianę przesunięcia
chemicznego pod wpływem badanego aminokwasu odnotowano w przypadku protonu związanego
z pirolowym atomem azotu (N-H) oraz protonem zlokalizowanym w pozycji B. Podyktowane jest to
labilnym charakterem protonu N-H oraz względami natury sterycznej (odsłonięciem protonu B). Obecna
w strukturze azolu grupa sulfonowa wydaje się mieć stabilizujący charakter powstałego adduktu azol–
aminokwas. Analogiczne wnioski odnotowano w przypadku analizy interakcjami badanego azolu
z ważnymi z punktu widzenia kancerogenezy jonami magnezu [4]. Oszacowanie energii interakcji azol–
aminokwas z uwzględnieniem błędu superpozycji bazy BSSE (B3LYP/6-31g(d,p) i program Gaussian
G09 D.01) wykazały dominujący wpływ aminokwasów na ekranowanie jądra protonu N-H. W przypadku
cysteiny większy wpływ na energię oddziaływania wydaje się mieć wpływ ugrupowanie aminowe azolu
(Rys. 2, energia interakcji E = -10,75 kcal/mol), niż rozmyty ładunek grupy karboksylowej (Rys. 3,
energia interakcji E = -9,86 kcal/mol). W pierwszym przypadku (Rys. 2) obliczenia statyczne wykazały
możliwość utworzenia silnego wiązania wodorowego typu N-H…NH2 (rN-H = 1,036 Å; dH-N = 1,876 Å;
266
BioOrg 2015
= 166,5°), przy czym odległość protonu B względem grupy aminowej Cys w przyjętym modelu
wyniosła 4,927 Å, natomiast odległość N-H…S-H wyniosła 4,092 Å. W kolejnym modelu azol–Cys (Rys.
3) odnotowano słabsze wiązanie wodorowe typu N-H…S-H (rN-H = 1,017 Å; dH-S = 2,599 Å;
oraz kontakt typu SO2…HOOC (rO-H = 0,983 Å; dH-O = 1,888 Å;
= 148,8°)
= 149,4°), jednak rozmyty charakter
elektronowy karboksylu nie zwiększa siły tegoż oddziaływania, podobnie też jak odległość protonu B
względem grupy tiolowej (5,458 Å). Z kolei brak bliskiego sąsiedztwa karboksylu i grupy tiolowej
cysteiny względem protonu B w obliczu znikomego wpływu protonu N-H azolu (Rys. 4) skutkuje energią
oddziaływania na poziomie E = -3,23 kcal/mol. Z kolei w przypadku oddziaływania azolu z kwasem
glutaminowym największą wartość energii oddziaływania (E = -16,19 kcal/mol) odnotowano
w przypadku adduktu azol–Glu zobrazowanego na Rys. 5. i podyktowana ona była silnym wiązaniem
wodorowym typu N-H…HOOC (rN-H = 1,023 Å; dH-O = 1,913 Å;
= 143,6°), jak również bliskością grupy
aminowej względem karboksylu w strukturze Glu oraz względnie bliskim sąsiedztwem sulfonylu azolu
względem karboksylu Glu, a także protonów C i D tosylu w stosunku do terminalnego ugrupowania
karboksylowego oddziałującego aminokwasu. Na obecnym etapie prowadzone są rozważania
uwzględniające wpływ pozostałych ugrupowań aminokwasów z uwzględnieniem stabilizującej roli
tosylu. Natura powstałych wiązań wodorowych będzie także przedmiotem analizy topograficznej gęstości
elektronowej z uwzględnieniem analizy Badera Atoms-in-Molecules (program AIMAll, wersja 14.11.23).
H
N
B
N
N
N
O2S
Me E
C
C
D
D
Me
A
Rysunek 1.
Rysunek 2.
Rysunek 4.
Rysunek 3.
Rysunek 5.
267
BioOrg 2015
Tabela 1.
Azol
Lokant
Azol–Glu
Lokant
δ [ppm]
40 C
7,851
7,605
7,434
4,074
60 C
7,849
7,581
7,431
4,072
A
2,374
2,379
2,385
D
B
C
E
25 C
7,854
7,624
7,435
4,075
Azol–Cys
δ [ppm]
δ [ppm]
Lokant
D
B
C
E
25 C
7,861
7,644
7,444
4,084
40 C
7,858
7,625
7,444
4,083
60 C
7,855
7,602
7,442
4,081
A
2,375
2,380
2,387
D
B
C
E
25 C
7,859
7,637
7,442
4,081
40 C
7,856
7,619
7,441
4,080
60 C
7,853
7,597
7,439
4,079
A
2,374
2,379
2,386
Literatura:
[1] J. Kujawski, M. Doskocz, H. Popielarska, A. Myka, B. Drabińska, J. Kruk, M. K. Bernard (2013) Interactions between
indazole derivative and magnesium cations - NMR investigations and theoretical calculations, J. Mol. Struct. 1047, 292-301
[2] J. Kujawski, K. Czaja, M. Doskocz, M. K. Bernard, B. Drabińska, J. Kruk, A. Myka (2015) On the interactions of indazole
derivative with nucleosides - Toward modeling the cytotoxic activity mechanism, Comput. Theor. Chem. 1059, 45-50
[3] J. Kujawski, M. K. Bernard, E. Jodłowska, K. Czaja, B. Drabińska (2015) On the interactions of leflunomide and
teriflunomide within receptor cavity - NMR studies and energy calculation, J. Mol. Model. 21(5), 105 1-12]
[4] K. Czaja, J. Kujawski, U. Girrser, J. J. Panek, M. Doskocz, M. K. Bernard (2015) Possible interactions between fused
pyrazole derivative and magnesium ions - NMR experiments and theoretical calculations, Arkivoc (w recenzji)
268
BioOrg 2015
WŁAŚCIWOŚCI SPEKTROSKOPOWE I ZASTOSOWANIE APLIKACYJNE
OLIGONUKLEOTYDOWYCH SOND ZNAKOWANYCH UGRUPOWANIEM
PIRENYLOWYM
1
Angelika Świtalska *, Julia Masterniak2, Bernard Juskowiak1
Wydział Chemii, Pracownia Chemii Bioanalitycznej, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza,
2
Wydział Farmaceutyczny, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkiewicza, ul. Fredy 10, 61-701 Poznań
1
Istnieje szeroki wachlarz sond fluorescencyjnych, dzięki którym można zrozumieć organizacje
molekularną cząsteczek biologicznych. Sondy znakowane pirenem są jednymi z najstarszych
wykorzystywanych do badania wielu biocząsteczek: białek, lipidów i kwasów nukleinowych [1,2].
Komunikat ten opisuje oligonukleotydowe sondy wykorzystujące fluorescencję pirenu (końce 5’ i 3’
oligonukleotydu znakowane są grupami pirenylowymi) stosowane do monitorowania zmian
konformacyjnych cząsteczek DNA – tworzenia G-kwadrupleksów.
G-kwadrupleksy (G4 DNA) są to czteroniciowe struktury formowane na niciach bogatych
w guaninę (G). Czteroniciowa helisa DNA jest tworzona dzięki tetradom guaninowym – cztery zasady
guaninowe formujące tą strukturę są stabilizowane przez wiązania wodorowe typu Hoogsteen’a jak
również przez kation metalu, zwykle K+ lub Na+. G4 DNA mogą powstać w wyniku zwinięcia
pojedynczej nici DNA (intramolekularny G4 DNA) lub asocjacji dwóch lub czterech łańcuchów
(intermolekularny G4 DNA). Do niedawna struktury te istniały wyłącznie w probówce. Najnowsze
badania dowodzą, że udało się wykryć biologicznie aktywną ich formę w ludzkich komórkach, co jest
bardzo ważnym faktem z punktu widzenia biologii i medycyny [3,4].
Należy podkreślić, że fotofizyka cząsteczki pirenu jest zjawiskiem złożonym z udziałem wielu
procesów. Wzbudzenie cząsteczki monomeru (M) powoduje powstanie wzbudzonego stanu
monomerowego (M*), a typowe widmo emisji składa się z dwóch pasm, z max. przy λ=380 i λ=400 nm
(hνM) → (M → M* → M + hνM). Natomiast, gdy 2 cząsteczki monomeru (M+M) znajdują się
w przestrzeni blisko siebie, możliwe są 2 rozwiązania: (1) wzbudzenie (M•M) powoduje uzyskanie stanu
ekscymerowego (E*) z uzyskaniem szerokiego przesuniętego pasma z max. λ=480 nm (hνE) → (M + M
→ M•M → M•M* → E* → M•M + hνE); (2) lub może powstawać niefluorescencyjny kompleks (M•M),
który jest statycznie wygaszany (2 ugrupowania pirenu są w niekorzystnej konfiguracji ekscymerowej)
→ (M + M → M•M → M•M* → M•M) [5,6].
Podstawą działania układów sensorowych opisywanych w komunikacie jest selektywne
kompleksowanie jonów K+ lub Na+ przez znakowany oligonukleotyd (py/py), czemu towarzyszy
utworzenie struktury czteroniciowej (G4 DNA), a reorganizacja przestrzenna sondy skutkuje generacją
269
BioOrg 2015
sygnału fluorescencyjnego (Rys. 1). W miejscu monomerowej emisji pirenu (2 zespoły pasm przy λ=380
i λ=400 nm) obserwuje się emisję ekscymerową (pasmo λ=480 nm). Oligonukleotyd odpowiedzialny za
kompleksowanie kationów K+ i Na+ dobrany był w sposób zapewniający dobrą selektywność, a jest nim
aptamer antytrombinowy (TBA) – d(GGTTGGTGTGGTTGG). Wiadomo, że w obecności jonów K+
sekwencja ta przyjmuje formę krzesełkową [7]. Zaprojektowano 2 sondy fluorescencyjne: TBA-py
i ChTBApy na bazie tego aptameru do oznaczania jonów K+ w układach biologicznych. Istotną cechą
strukturalną sond jest sposób przyłączenia cząsteczki pirenu do sekwencji sondy oraz w przypadku sondy
ChTBA-py obecność ugrupowania cholesterolowego (Ch), które również ma wpływ na reorganizację
molekularną
sondy.
Scharakteryzowano
spektralnie
(spektroskopia
UV-Vis,
spektroskopia
fluorescencyjna, dichroizm kołowy) zaprojektowane oligonukleotydowe sondy fluorescencyjne. Stosunek
escymer/monomer (e/a) obliczony na podstawie porównania intensywność pasma fluorescencji
ekscymeru (~480 nm) w stosunku do pierwszego pasma pochodzącego od monomeru (~380 nm) jest
wskaźnikiem stopnia tworzenia stanu ekscymerowego, a co za tym idzie formowania struktury
kwadrupleksowej.
Rysunek 1. Schemat sondy oligonukleotydowej znakowanej ugrupowaniami pirenylowymi, opartej na strukturze
G-kwadrupleksu do detekcji jonów K+.
Literatura:
[1] J.N. Wilson, E.T. Kool (2006) Fluorescent DNA base replacements: Reporters and sensors for biological systems, Org.
Biomol. Chem. 4: 4265-4274.
[2] C. Wu, C. Wang, L. Yan, C.J. Yang (2009) Pyrene excimer nucleic acid probes for biomolecule Signaling, J. Biomed.
Nanotechnol. 5: 495-504.
[3] B. Juskowiak (2006) Analytical potential of the quadruplex DNA-based FRET probes, Anal. Chim. Acta 568:171-180.
[4] G. Biffi, D.H. McCafferty, S. Balasubramanian (2013) Quantitative visualization of DNA G-quadruplex structures in
human cells, Nature Chem. 5: 182-186.
[5] G. Bains , A.B. Patel, V. Narayanaswami (2011) Pyrene: A Probe to Study Protein Conformation and Conformational
Changes, Molecules 16: 7909-7935.
[6] S.S. Lehrer (1995) Pyrene excimer fluorescence as a probe of protein conformational change, Subcell. Biochem. 24:
115-132.
[7] L. C. Block, L. C. Griffin, J. A. Latham, E. H. Vermaas, J. J. Toole (1992) Selection of single-stranded DNA molecules that
bind and inhibit human thrombin, Nature 355(6360): 564-566.
270
BioOrg 2015
POTENCJALNE LEKI ANTYRESORPCYJNE:
BADANIA IN SILICO I SORPCJA NA HYDROKSYAPATYCIE
Rafał Tomczak1*, Monika Pietrzyńska1, Danuta Rusińska-Roszak1, Joanna Zembrzuska2,
Adam Voelkel1
1
2
Bisfosfoniany stanowią istotną grupę związków chemicznych, które znalazły szerokie
zastosowanie w leczeniu chorób układu kostnego, będących skutkiem zaburzeń metabolizmu wapnia.
Choć dokładny mechanizm molekularny funkcjonowania tych substancji nie został w pełni wyjaśniony,
przypuszcza się, że ich korzystne efekty terapeutyczne wynikają z bezpośredniego oddziaływania na
osteoklasty i osteoblasty, co w rezultacie prowadzi do zahamowania resorpcji tkanki kostnej oraz
pobudzenia procesu kościotworzenia [1]. Cechą charakterystyczną bisfosfonianów stosowanych obecnie
jako leki antyresorpcyjne jest to, że wykazują silne powinowactwo do fazy nieorganicznej kości, której
podstawową składową jest hydroksyapatyt. Pomimo wielu przeprowadzonych badań, mechanizm sorpcji
tych związków na powierzchni kości wciąż budzi wiele wątpliwości. Najczęściej reprezentowany pogląd
wyraża przekonanie, że zjawisko to jest efektem wiązania, jakie tworzy się pomiędzy grupami
fosfonianowymi tych substancji, a jonami wapnia obecnymi w strukturze hydroksyapatytu [2].
Wprawdzie zdolność tych leków do chemicznego wiązania się z tkanką kostną nie znajduje pełnego
odzwierciedlenia w ich efekcie terapeutycznym wynikającym z oddziaływań na poziomie komórkowym,
to analiza sorpcji na hydroksyapatycie posiada istotne znaczenie na etapie badań wstępnych [3].
Głównym problemem ograniczającym skuteczność działania bisfosfonianów jest ich niska
biodostępność (1-7%) i niedostateczna wchłanialność z przewodu pokarmowego, co związane jest ściśle
z ich lipofobowym charakterem i zdolnością do kompleksowania różnego rodzaju jonów, w tym np.
2+
Mg
[4]. Fakt ten skłania do poszukiwania nowych leków antyresorpcyjnych, które pozbawione będą
niekorzystnych właściwości, a przy tym wykazywać będą podobny wpływ na układ kostny.
Celem
badań
była
analiza
sorpcji
na
hydroksyapatycie
wybranych
związków
fosforoorganicznych, w tym estrów kwasu ortofosforowego(V). W zależności od struktury danego
związku wykorzystano technikę UV (dla substancji z pierścieniem aromatycznym) lub LC-MS/MS.
Próbki do badań sporządzono przy użyciu płynu Tris∙HCl∙NaCl w pH 7,2-7,3. Podjęto również próbę
porównania otrzymanych wyników doświadczalnych z badaniami in silico przeprowadzonymi przy
użyciu programu Gaussian® 09 dla soli typu anion związku–Ca2+ zoptymalizowanych w bazie
funkcyjnej 6-31+G(d,p) na poziomie DFT/B3LYP. Potencjalne działania farmakologiczne i toksyczne
przebadanych związków oszacowano wykorzystując program PASS (ang. Prediction of Activity Spectra
for Substances), który opracowany został w Instytucie Chemii Biomedycznej Rosyjskiej Akademii Nauk
271
BioOrg 2015
w Moskwie do oceny spektrum bioaktywności związków chemicznych, w tym potencjalnych leków na
etapie ich projektowania [5].
Literatura:
[1] E. V. Giger, B. Castagner, J.-C. Leroux (2013) Biomedical applications of bisphosphonates, J. Control. Release
167(2):175-188
[2] E. Sewerynek, M. Stuss (2007) Bisfosfoniany – leki antyresorpcyjne o działaniu przeciwbólowym?, Prz. Menopauz.
6(5):276-282
[3] R. Bartl, B. Frisch, E. von Tresckov, C. Bartl (2007) Bisphosphonates in Medical Practice, Springer-Verlag, Berlin
[4] S. Reinsdorf, B. Habermann, K. Hochmuth, A. A. Kurth (2007) Bisphosphonate in der Osteoporosetherapie. Standards
und Perspektiven, Orthopäde 36(2):110–117
[5] D. A. Filimonov, V. V. Poroikov, E. I. Karaicheva, R. K. Kazarian, A. P. Budunova, E. M. Mikhailovskii, A. V.
Rudnitskikh, L. V. Goncharenko, I. V. Burov (1995) The computerized prediction of the spectrum of biological activity of
chemical compounds by their structural formula: the PASS system. Prediction of Activity Spectra for Substance, Eksp. Klin.
Farmakol. 58(2):56-62.
272
BioOrg 2015
DEGRADACJA WYBRANYCH BARWNIKÓW SYNTETYCZNYCH
Z WYKORZYTANIEM LAKKAZY Z TRAMETES SP. IMMOBILIZOWANEJ NA
MATRYCY FERROMAGNETYCZNEJ
Agata Wasak*, Radosław Drozd
Barwniki syntetyczne są powszechnie stosowane w przemyśle tekstylnym, papierniczym,
farmaceutycznym, tworzyw sztucznych, spożywczym, chemicznym, kosmetycznym i innych [1,2].
Zdecydowana większość z nich jest odporna na działanie światła słonecznego, wysokich temperatur,
detergentów oraz mikroorganizmów. Jednak to łatwość i opłacalność procesu ich syntezy oraz duża
różnorodność kolorystyczna sprawiają, że zainteresowanie nimi wciąż rośnie. Co roku na świecie
wytwarza się około 7 x 105 ton różnych barwników i pigmentów. Blisko 10 % z nich trafia do wody,
tworząc barwne ścieki [3]. Ograniczają one penetrację wody przez światło słoneczne, spowalniając
proces fotosyntezy, hamując wzrost fauny i flory oraz zakłócając rozpuszczalność gazów w zbiornikach
wodnych [4]. Remediacja barwnych ścieków jest ważna nie tylko ze względu na sam kolor, ale przede
wszystkim ich toksyczność, mutagenność i możliwość tworzenia przez nie w środowisku wodnym
kancerogennych amin [5]. Konwencjonalne fizyczne i chemiczne metody oczyszczania ścieków
tekstylnych (filtracja, precypitacja, fotodegradacja, metody chemiczne, adsorpcja, ozonowanie) są
kosztowne, wiążą się z niebezpieczeństwem powstawania toksycznych produktów pośrednich oraz są
mało wszechstronne [6]. Rozwiązaniem tych problemów jest wykorzystanie alternatywnych metod
bioremediacji z użyciem mikroorganizmów i ich enzymów [7].
Grzyby z rodzaju Trametes sp. wykształciły szlaki metaboliczne umożliwiające im utlenianie
wielu związków organicznych oraz nieorganicznych w tym również aromatycznych np. barwników
syntetycznych. W procesy te zaangażowany jest złożony kompleks enzymatyczny, którego głównym
elementem jest oksydaza p - difenolowa (EC 1.10.3.2), zwana lakkazą. Charakteryzuje się ona szerokim
zakresem specyficzności substratowej. Jako enzym egzocelularny, pozostaje stabilna w środowisku
pozakomórkowym, co daje możliwość jej wydajnego oczyszczenia i wykorzystania w procesach
biotechnologicznych w formie wolnej i zimmobilizowanej [8]. Jedną z najbardziej wydajnych metod
immobilizacji lakkaz jest kowalencyjne wiązanie enzymu do nośnika. Obiecującą modyfikacją tej
techniki jest zastosowanie matrycy ferromagnetycznej, dającej łatwość manipulacji oraz możliwość
szybkiego odseparowania lakkazy ze środowiska reakcyjnego wykorzystując zwykły magnes [9].
273
BioOrg 2015
Celem badań była analiza zdolności lakkazy zimmobilizowanej na nośniku ferromagnetycznym
do degradacji wybranych barwników syntetycznych z grupy barwników azowych oraz arylometanowych.
Źródło enzymu stanowił grzyb z rodzaju Trametes sp. o numerze identyfikacyjnym - 7/23/03/13,
pochodzący z kolekcji mikroorganizmów Katedry Immunologii, Mikrobiologii i Chemii Fizjologicznej
Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie. Jego hodowle prowadzono
w płynnych pożywkach PDB (Potato Dextrose Broth) z dodatkiem 0,1% zieleni malachitowej, jako
induktora dla sekrecji lakkazy. Kultury prowadzono do chwili zaniku absorbancji przy 620 nm (≈ 7 dni),
następnie filtrowano i zagęszczano. Następnie przeprowadzono wieloetapowy proces oczyszczania
enzymu z zastosowaniem metod: frakcjonowania w trzech fazach (TPP), sita molekularnego oraz
chromatografii
jonowymiennej.
Czystość
końcowego
preparatu
enzymatycznego
analizowano
elektroforetycznie z wykorzystaniem 10% żelu SDS-PAGE. Oczyszczoną lakkazę poddano wielostronnej
analizie jej właściwości katalitycznych i strukturalnych z wykorzystaniem standardowych technik
analitycznych. Wyznaczono stałą Km, optima katalityczne i stabilności względem temperatury oraz pH.
Oznaczono specyficzność substratową, wpływ wybranych jonów metali (m. in.: miedzi, manganu, niklu,
kobaltu, rtęci) oraz właściwości strukturalne np. masę molekularną. Scharakteryzowany enzym poddano
procesowi
immobilizacji
na
silanizowanym
APTS
((3-aminopropylo)trietoksysilan)
nośniku
ferromagnetycznym aktywowanym glutaraldehydem. Opracowany układ poddawany był testom
sprawdzającym wydajność procesu immobilizacji oraz wpływu tego procesu na parametry kinetyczne
enzymu. Następnie oceniono jego efektywność w procesie dekoloryzacji wybranych barwników
syntetycznych.
Wyizolowana i oczyszczona lakkaza wykazywała porównywalne właściwości do znanych
lakkaz
grzybowych.
Nie
stwierdzono
istotnych
różnic
w
właściwościach
katalitycznych
immobilizowanego enzymu i jego formy wolnej, co świadczyło o znikomym wpływie zastosowanej
metody immobilizacji, na jego strukturę. Immobilizowana lakkaza wykazywała dużą wydajność w
procesie odbarwiania zieleni malachitowej i oranżu metylowego. Jednakże degradacja barwników
wymagała obecności mediatora w postaci ABTS. Uzyskane wyniki wskazują na potencjalną przydatność
badanego układu do oczyszczania ścieków przemysłowych zawierających barwniki azowe oraz
arylometanowe.
Literatura:
[1] S. Rodríguez Couto (2009) Dye removal by immobilised fungi, Biotechnology Advances 27, 227–235
[2] E. A. Erkurt , A. Unyayar, H. Kumbur (2007) Decolorization of synthetic dyes by white rot fungi, involving laccase
enzyme in the process, Process Biochemistry 42, 1429–1435
[3] M. A. Mazmanci, A. Ünyayar, E. A. Erkurt, N. B. Arkçı, E. Bilen, M. Özyurt (2009) Colour removal of textile dyes by
culture extracts obtained from white rot fungi, African Journal of Microbiology Research Vol. 3(10) pp. 585-589
[4] M. A. Amoozegar, M. Hajighasemi, J. Hamedi, S. Asad, A. Ventosa (2011) Azo dye decolorization by halophilic and
halotolerant microorganisms, An Microbiol, 61:217–230
274
BioOrg 2015
[5] H. R. Kariminiaae-Hamedaani, A. Sakurai, M. Sakakibara (2007) Decolorization of synthetic dyes by a new manganese
peroxidase-producing white rot fungus, Dyes and Pigments 72, 157e162
[6] J. T. Chacko, K. Subramaniam (2011) Enzymatic Degradation of Azo Dyes – A Review, International Journal of
Environmental Sciences Volume 1, No 6, 201
[7] I. Eichlerova, I. Homolka, F. Nerud (2002) Decolorization of Synthetic Dyes by Pleurotus ostreatus Isolates Differing in
Ligninolytic Properties, Folia Microbiol. 47 (6), 691q595
[8] M. Fernández - Fernández, M. Ángeles Sanromán, D. Moldes (2013) Recent developments and applications of immobilized
laccase, Biotechnology Advances 31:1808 – 1825
[9] J. Rotkova, R. Sulakova, L. Korecka, P. Zdrazilova, M. Jandova , J. Lenfeld, D. Horak, Z. Bılkova (2009) Laccase
immobilized on magnetic carriers for biotechnology applications, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 321:1335 - 40
odstęp pojedynczy, 10 pkt)
275
BioOrg 2015
MAGNEZOWA PORFIRAZYNA DIAZEPINOWA Z PERYFERYJNYMI
UGRUPOWANIAMI 3,5-BISBENZYLOKSYBENZYLOWYMI JAKO
POTENCJALNY FOTOSENSYBILIZATOR W TERAPII FOTODYNAMICZNEJ
1
Ewelina Wieczorek *, Jarosław Piskorz 2, Łukasz Popenda 3, Stefan Jurga 3,4, Jadwiga Mielcarek 2,
Tomasz Gośliński 1
Katedra i Zakład Technologii Chemicznej Środków Leczniczych, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego
w Poznaniu, Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań, Polska
2
Katedra i Zakład Chemii Nieorganicznej i Analitycznej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu,
Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań, Polska
3
Centrum NanoBioMedyczne, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Umultowska 85, 61-614 Poznań, Polska
4
Zakład Fizyki Makromolekularnej, Wydział Fizyki, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Umultowska 85, 61-614 Poznań,
Polska
§(odstęp pojedynczy, 10 pkt)
1
Porfirazyny należą do makrocyklicznych związków zawierających w rdzeniu atomy azotu
w miejscach, gdzie w porfirynach występują mostki metinowe. Związki porfirazynowe, posiadające
peryferyjne ugrupowania dendrymeryczne, stwarzają szerokie perspektywy zastosowań w medycynie
i
bionanotechnologii.
Makrocykle
tej
grupy
wykazują
interesujące
właściwości
optyczne,
w szczególności fluorescencję oraz zdolność generowania tlenu singletowego. Wzbudzenie cząsteczki
porfirynoidu, po jego kumulacji w tkance zmienionej nowotworowo światłem o odpowiedniej długości
fali, wywołuje konwersję energii świetlej w energię chemiczną. Przeniesienie energii wzbudzenia
z fotosensybilizatora na tlen trypletowy prowadzi do wytworzenia tlenu singletowego charakteryzującego
się stosunkowo długim czasem życia i silnymi właściwościami utleniającymi, co w konsekwencji
wywołuje zniszczenie patogenów lub tkanek nowotworowych (Rys. 1) [1].
O
O
1
O2*
O
O
Źródło światła
O
O
O
O
N
N
O
N
O
N
N
O
O
N
Mg
N
N
O
N
N
N
N
O
N
N
O
N
N
O
O
O
O
O
O
O
O
O
Rysunek 1. Uproszczony schemat terapii fotodynamicznej (PDT).
276
tkanka
nowotworowa
BioOrg 2015
Zastosowanie terapii fotodynamicznej (PDT) jako terapii fotochemioterapeutycznej do leczenia
onkologicznego jest możliwe głównie dzięki zastosowaniu fotouczulaczy o określonych właściwościach.
Z tego względu, porfirazyny posiadające w strukturze skondensowany z rdzeniem pierścień diazepinowy
stały się tematem badań fizykochemicznych [2]. Porfirazyny diazepinowe w zakresie UV-Vis
charakteryzują się kilkoma pasmami absorpcji, z których najbardziej charakterystyczne jest szerokie
pasmo Q w przedziale 530-620 nm. Obecność tego pasma warunkuje możliwość zastosowania tych
makrocykli jako fotosensybilizatorów w PDT.
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
N
N
N
O
N
NH2
N
N
1
N
N
O
N
O
N
N
O
O
N
Mg
N
O
O
N
N
N
N
NH2
N
N
BuOH, Mg, I2
24h, reflux
N
N
N
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
2
3
Zsyntezowano
ugrupowaniem
i
scharakteryzowano
3,5-bisbenzyloksybenzylowym,
nową
z
porfirazynę
y, 10 pkt)
diazepinową
wykorzystaniem
z
komercyjnie
peryferyjnym
dostępnego
diaminomaleonitrylu (1). Najpierw przeprowadzono trzyetapową syntezę 5,7-dipodstawionej pochodnej
diazepinowej (2). Następnie związek ten został poddany reakcji makrocyklizacji w warunkach reakcji
Linsteada. Otrzymaną porfirazynę diazepinową (3) oczyszczano na drodze chromatografii kolumnowej
oraz scharakteryzowano z wykorzystaniem technik NMR oraz UV-vis.
Badania wykonano w ramach grantu Sonata Bis NCN (2012/05/E/NZ7/01204). ŁP i SJ dziękują NCBiR
za finansowanie badań (PBS1/A9/13/2012).(odstęp pojedynczy, 10 pkt)
Literatura:
[1] S. Yano, S. Hirohara, M. Obata, Y. Hagiya, S. Ogura, A. Ikeda, H. Kataoka, M. Tanaka, T. Joh (2011) Current states and
future views in photodynamic therapy, J. Photochem. Photobiol. C 12(1):46-67
[2] J. Piskorz, K. Konopka, N. Düzgüneş, Z. Gdaniec, J. Mielcarek, T. Goslinski (2014) Diazepinoporphyrazines containing
peripheral styryl substituents and their promising nanomolar photodynamic activity against oral cancer cells in liposomal
formulations, ChemMedChem 9(8):1775-1782.
277
BioOrg 2015
WPŁYW CZWARTORZĘDOWYCH SOLI PIRYDYNIOWYCH NA WZROST
POPULACJI BAKTERII OSADU CZYNNEGO
Aleksandra Wojciechowska*, Wojciech Smułek, Irmina Wojciechowska,
Karolina Wieszczycka, Ewa Kaczorek
Czwartorzędowe sole pirydyniowe są związkami o szerokim spektrum zastosowania,
m.in. znalazły zastosowanie jako środki ochrony roślin, surfaktanty, składniki preparatów grzyboi bakteriobójczych, a także w ostatnich latach jako ligandy w procesie odzysku metali z roztworów
odpadowych [1-5].
Potencjalne wykorzystanie czwartorzędowych soli pirydyniowych na skalę przemysłową może
doprowadzić do skażenia środowiska poprzez przypadkowe wycieki ścieków i dostanie się ich do wód
odpadowych. Z kolei obecność tego typu związków w wodach ściekowych może wpłynąć na równowagę
biologiczną osadu czynnego w oczyszczalniach ścieków.
Oczyszczanie wód odpadowych metodą biologiczną z wykorzystaniem osadu czynnego ma na
celu mineralizację zanieczyszczeń organicznych przez mikroorganizmy, które znajdują się w osadzie.
W ten sposób pozyskują one energię niezbędna do życia, następuje przyrost biomasy oraz powstają
mineralne formy węgla, fosforu, siarki i azotu. Osad czynny jest kłaczkowatą zawiesiną, w skład której
wchodzą bakterie heterotroficzne (głównie z rodzaju Pseudosomonas, Bacillus i Alcaligenes),
pierwotniaki (orzęski i wiciowce), wrotki oraz grzyby [6].
Charakter substancji obecnych w ściekach istotnie wpływa na pracę osadu czynnego.
Przykładowo, substancje organiczne, które są trwałe i trudne do degradacji, wymagają wydłużonego
czasu kontaktu z osadem i recyrkulacji ścieków oczyszczonych. W obecności substancji silnie
toksycznych może dojść również do zachwiania równowagi biologicznej, a nawet wymarcia
mikroorganizmów osadu czynnego.
Celem badań było określenie wpływu wybranych czwartorzędowych soli pirydyniowych na
dynamikę wzrostu bakterii obecnych w osadzie czynnym.
Otrzymanie badanych związków obejmowało trzyetapową syntezę. W pierwszym etapie
otrzymano keton decylowo-3-pirydynowy w reakcji Gringarda, który następnie poddano reakcji
oksymowania w obecności silnej zasady. Ostatni etap polegał na przeprowadzeniu oksymu
1-(3-pirydylo)undekan-1-onu (3PC10) w odpowiednią sól pirydynową (Rys. 1.). Struktury wszystkich
otrzymanych związków zostały potwierdzone za pomocą metod spektroskopowych: 1H i
FT-IR oraz ESI-MS.
278
13
C NMR,
BioOrg 2015
O
C
N
1) C10H21MgBr / Et2O
C10H21
+
2) H2O, H , 2 dni
N
N
NH2OH*HCl
NaOH
EtOH, 2h rt.
OH
OH
N
N
C10H21
RBr
C10H21
CH3CN, rt.
N
N
R Br
3PC10
R= C2-C4
Rysunek 1. Schemat syntezy czwartorzędowych soli pirydyniowych.
Do badań wybrano następujące czwartorzędowe sole pirydyniowe:
3PC10-EtBr - bromek 1-etylo-3-[1-(hydroksyimino)undecylo]pirydyniowy;
3PC10-PrBr - bromek 3-[1-(hydroksyimino)undecylo]-1-propylo pirydyniowy;
3PC10-BuBr - bromek 1-butylo-3-[1-(hydroksyimino)undecylo]-pirydyniowy.
W badaniach użyto konsorcjum bakteryjne pochodzące z osadu czynnego pobranego
z oczyszczalni komunalnej w Koziegłowach k. Poznania. Konsorcjum przechowywano na płytkach
agarowych z podłożem Mueller-Hinton. Hodowle płynne zawierały (w g/l): 4,0 peptonu; 0,4 wyciągu
mięsnego; 5,4 hydrolizatu kazeiny; 1,7 hydrolizatu drożdży; 3,5 NaCl. Drugą serię hodowli prowadzono
w medium hodowlanym [7] zawierającym sole mineralne będące źródłem makro- i mikroelemntów.
Hodowle o objętości 25 ml prowadzono w szklanych kolbach stożkowych o objętości 250 ml
i inkubowano w temperaturze 30°C. Hodowle zaszczepiono konsorcjum bakteryjnym i wprowadzono
testowane związki w ilości 10, 25, 100, 200 oraz 500 mg/l hodowli. Próbę odniesienia stanowiła hodowla
nie zawierająca badanych związków. Pomiary przyrostu biomasy wykonano po 24, 48 i 120 h mierząc
gęstość optyczną przy długości fali 600 nm.
Zebrane wyniki dla hodowli prowadzonych na bulionie odżywczym wykazały, że we wszystkich
próbach po początkowym etapie wzrostu następował spadek gęstości optycznej, co może wskazywać na
obumieranie komórek bakteryjnych. W hodowlach z 3PC10-BuBr spadek ilości biomasy był mniejszy niż
w przypadku pozostałych związków. Wyniki pokazują także wyraźny wzrost toksyczności przy wzroście
stężenia soli pirydyniowych w hodowlach.
W hodowlach prowadzonych jedynie na medium hodowlanym w badanym okresie czasu nie
zaobserwowano, aby następował przyrost ilości biomasy. Świadczyć to może o braku włączenia tych
związków w szlaki metaboliczne bakterii składających się na konsorcjum.
279
BioOrg 2015
Badania wykazały, że czwartorzędowe sole pirydyniowe mogą stanowić zagrożenie dla
równowagi biologicznej bakterii osadu czynnego. Nie stwierdzono również, aby szczepy konsorcjum
mogły wykorzystywać te związki, jako źródło węgla i energii. Ich toksyczność rośnie wraz z malejącą
długością łańcucha węglowego.
Badania zrealizowano ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na działalność statutową
Wydziału Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej 03/32/DSMK/0520.
Literatura:
[1] R. Mikláš, N. Miklášová, M. Bukovsky , B. Horváth, J. Kubincová , F. Devínsky (2014) Synthesis, surface and
antimicrobial properties of some quaternary ammonium homochiral camphor sulfonamides, European Journal of
Pharmaceutical Sciences 65:29–37
[2] Y.H. Kim, G. Sun (2002) Functional finishing of acrylic and cationic dyeable fabrics: intermolecular interactions, Textile
Research Journal 72:1052–1056
[3] J. Krysiński, J. Placzek, A. Skrzypczak, B. Predki (2009) Analysis of relationships between structure, surface properties,
and antimicrobial activity of quaternary ammonium chlorides, QSAR & Combinatorial Science 28:995–1002
[4] Y. Pico, G. Font, J.C. Molto, J. Manes (2000) Solid-phase extraction of quaternary ammonium herbicides, Journal of
Chromatography A 885:251–271
[5] K. Wieszczycka, A. Wojciechowska, M. Krupa, R. Kordala-Markiewicz (2013) Quaternary Pyridinium Ketoximes as Zinc
Extractants from Chloride Solution, Journal of Chemical and Engineering Data 58(11):3207–3215
[6] J. Kalka (2000) Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego, w: K. Miksch (red.), Biotechnologia ścieków, Politechnika
Śląska, Gliwice
[7] E. Kaczorek, W. Smułek, A. Zgoła-Grześkowiak, K. Bielicka-Daszkiewicz, A. Olszanowski (2015) Effect of Glucopon 215
on cell surface properties of Pseudomonas stutzeri and diesel oil biodegradation, International Biodeterioration and
Biodegradation 104:129-135
280
BioOrg 2015
BIODEGRADACJA LEKÓW NOOTROPOWYCH, KTÓRE WSPÓŁCZEŚNIE
ZANIECZYSZCZAJĄ NASZ EKOSYSTEM
1,2
Marta Woźniak *, Łukasz Chrzanowski1, Monika Cvancarová2, Philippe F.X. Corvini2, Danuta
Cichocka2
1
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, Berdychowo 4, 60-965 Poznań, Polska
2
Institute for Ecopreneurship, School of Life Sciences,
University of Applied Sciences and Arts Northwestern Switzerland, Muttenz, Switzerland
Leki nootropowe są nową grupą farmaceutyków współcześnie zanieczyszczających środowisko.
Stały się bardzo popularne ze względu na ich stosowanie jako substancji psychoaktywnych. Występują
w lekach, suplementach, odżywkach i żywności funkcjonalnej (probiotycznej), które aktywizują procesy
psychiczne, w szczególności poziom świadomości, procesy kognitywne, pamięciowe, poprawiają
inteligencję, aktywność, motywację oraz koncentrację. W Polsce coraz częściej pojawiają się na rynku
farmaceutycznym,
wabiąc
swoimi
właściwościami
szczególnie
osoby
pracujące
umysłowo.
Metylofenidat (znany jako Ritalin) jest znanym stymulantem ośrodkowego układu nerwowego, a jego
nadużywanie jako substancji psychoaktywnej prowadzi do zwiększenia efektywności pracy [1]. Raporty
międzynarodowych instytucji dotyczące spożywania substancji nielegalnych sugerują, że produkcja
metylofenidatu wzrosła trzykrotnie w latach 2000-2009 [2]. Jedynie w Niemczech ilość recept
z metylofenidatem wzrosła z 8 mln DDD (zdefiniowane dzienne dawki 30 mg) do 52,3 mln DDD tylko
w ostatnich 9 latach, co stanowi około 1570 kilogramów metylofenidatu rocznie [1]. Metylofenidat jest
metabolizowany w organizmie i wydalany jako kwas ritalinowy. Piracetam zaś jest substancją
stymulującą mózg i układ nerwowy, a dodatkowo nadużywany jest w celu zwiększenia funkcji
poznawczych tj. pamięci oraz koncentracji. Cieszy się coraz większym zainteresowaniem wśród
studentów jako wspomagacz podczas egzaminów [3]. Substancje nootropowe zostały niedawno wykryte
w wodach powierzchniowych, ściekach i wodzie pitnej [4, 5], ale do tej pory nie ma żadnych doniesień
dotyczących stabilności tych związków w środowisku oraz możliwości ich usuwania.
Celem badań było określenie potencjału biodegradacji kwasu ritalinowego (RA) oraz piracetamu
(PIR) w różnych próbkach środowiskowych. Po raz pierwszy podjęto próbę izolacji i scharakteryzowania
nowych szczepów bakteryjnych zdolnych do biodegradacji substancji nootropowych oraz określenia ich
szlaków metabolicznych.
Do izolacji mikroorganizmów degradujących nootropiki wykorzystano próbki gleby pochodzące
ze Szwajcarii, Niemiec i Polski oraz osady czynne z oczyszczalni ścieków znajdujące się w obrębie
zakładów przemysłu farmaceutycznego. Wyizolowano pięć czystych szczepów degradujących RA: trzy
Arthrobacter sp., jeden Nocardioides sp. oraz jeden Phycicoccus sp. (16S rRNA). Potwierdzono ich
281
BioOrg 2015
zdolności biodegradacyjne oraz wzrost na RA jako jedynym źródle węgla oraz azotu. Próby identyfikacji
metabolitu sugerują wysokie prawdopodobieństwo różnych szlaków metabolicznych w zależności od
biodegradującego szczepu.
Wyizolowano dwa czyste szczepy degradujące piracetam. W oparciu o wariancje w genie recA
zidentyfikowano je na poziomie gatunku (specyficzna reakcja PCR). Mineralizacja piracetamu została
potwierdzona za pomocą związku znakowanego izotopowo (izotop
14
C). Dalsze badania w kierunku
zidentyfikowania stabilnych metabolitów będą prowadzone w najbliższej przyszłości.
Biodegradację obu tych substancji zaobserwowano w próbkach środowiskowych różnego
pochodzenia, sugerując, że zdolność do rozkładu kwasu ritalinowego i piracetamu może być
rozpowszechniona w środowisku. Potencjalne stosowanie tych związków jako markerów do
monitorowania nadużywana farmaceutyków może być utrudnione.
Projekt został sfinansowany ze środków Scientific Exchange Programme NMS.CH no.13.217
entitle “Microbial degradation of emerging trace organic contaminants”.
Literatura
[1] Letzel M., Weiss K., Schussler W., Sengl M. (2010) Occurrence and fate of the human pharmaceutical metabolite ritalinic
acid in the aquatic system, Chemosphere 81(11):1416-22
[2] International Narcotics Control Board, Report of the International Narcotics Control Board for 2009. 2010: Austria.
[3] Moore D.R., Burgard D.A., Larson R.G., Ferm M. (2014) Psychostimulant use among college students during periods of
high and low stress: An interdisciplinary approach utilizing both self-report and unobtrusive chemical sample data, Addictive
Behaviors 39:987-993
[4] Bijlsma L., Emke E., Hernández F., de Voogt P. (2013) Performance of the linear ion trap Orbitrap mass analyzer for
qualitative and quantitative analysis of drugs of abuse and relevant metabolites in sewage water, Analytica Chimica Acta,
768:102-110
[5] Östman M., Fick J., Näsström E., Lindberg R.H. (2014) A snapshot of illicit drug use in Sweden acquired through sewage
water analysis, Science of the Total Environment, 472:862-71
282
BioOrg 2015
WPŁYW CZĄSTECZEK QUORUM SENSING NA PROFILE
BIOSURFAKTANTÓW PRODUKOWANYCH PRZEZ BAKTERIE
WYIZOLOWANE Z ODCHODÓW ZWIERZĄT HODOWLANYCH
Marta Woźniak1*, Kamila Myszka2, Agata Sznajdrowska1, Alicja Szulc1,
Agnieszka Zgoła-Grześkowiak3, Mateusz Sydow1, Anna Parus1, Łukasz Ławniczak1,
Łukasz Chrzanowski1
1
Instystut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, Poznań, Polska
Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, Uniwersytet Przyrodniczy, Poznań, Polska
3
Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Politechnika Poznańska, Poznań, Polska
2
Ramnolipidy, będące biosurfaktantami glikolipidami, należą do najlepiej poznanych do tej pory
biosurfaktantów. Składają się z cukru - ramnozy oraz β-hydroksykwasu [1]. Pod względem budowy
opisano około 60 różnych kongenerów, z czego można wyróżnić dwa główne rodzaje: monoramnolipidy
(z jedną cząsteczką ramnozy) oraz diramnolipidy (z dwiema cząsteczkami ramnozy) [2]. Powiązanie mechanizmu produkcji ramnolipidów z potencjalną patogennością bakterii oraz tworzeniem biofilmów
sugeruje, że mikroorganizmy żyjące w przewodach pokarmowych zwierząt i będące obecne w ich
odchodach mogą być obiecującym źródłem do izolacji szczepów produkujących te cząsteczki [3,4].
Dotychczasowe badania dotyczące produkcji ramnolipidów prowadzono z wykorzystaniem pojedynczych
szczepów bakteryjnych, jednakże ostatnie doniesienia literaturowe wskazują na zwiększenie produkcji
tych biosurfaktantów w obecności autoinduktorów (AI-2) wydzielanych przez mikroflorę towarzyszącą
[5].
Celem badań jest określenie zdolności do produkcji ramnolipidów przez kultury bakteryjne
wyizolowane z odchodów krów, świń, kurcząt oraz obornika. Dodatkowo przebadano wpływ sygnałów
komunikacji międzygatunkowej [6] na ilościowe i jakościowe różnice w produkcji ramnolipidów.
Łącznie wyizolowano 51 kultur bakteryjnych. Do oceny zdolności badanych kultur do produkcji
biosurfaktantów wybrano cztery metody skrinningowe. Wstępne badania pokazały, że około 36% kultur
mieszanych wykazywało potencjał do produkcji biosurfaktantów. Do kolejnych badań wybrano aktywną
kulturę mieszaną wyizolowaną z odchodów krów. Dzięki analizie sekwencji kodującej 16S rRNA
określono przynależność gatunkową wyizolowanej kultury mieszanej:
Enterococcus faecalis,
Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli. Badania napięcia powierzchniowego wykazały, że tylko
P. aeruginosa produkował związki obniżające napięcie powierzchniowe.
Monitorowano zmiany napięcia powierzchniowego oraz wydzielanie autoinduktorów (AI-2)
podczas hodowli bioreaktorowej monokultury P. aeruginosa oraz kultury mieszanej. Zaobserwowano
znaczące różnie w produkcji ramnolipidów pomiędzy kulturą mieszaną (4,70 mg/L), a czystym szczepem
P. aeruginosa (0,54 mg/L). Odnotowano również różnice w jakościowym składzie produkowanych
283
BioOrg 2015
kongenerów. Zwiększona produkcja ramnolipidów występowała w momencie wydzielania cząsteczek
(AI-2) odpowiedzialnych za komunikacje międzygatunkową.
Odchody zwierzęce charakteryzowały się dużą zdolnością do produkcji biosurfaktantów.
Otrzymane wyniki sugerują również wpływ quorum sensing na jakościową i ilościową efektywność
biosyntezy ramnolipidów. Obserwacje te mogą mieć wpływ na wielkoskalową produkcje biosurfaktatów,
otwierając nowe rozwiązania w oparciu o wykorzystanie kultur mieszanych bądź dodatku cząsteczek (AI2) stymulujących te procesy.
decyzji numer DEC-2012/07/D/NZ9/00981
Literatura
[1] Déziel E., Lépine F., Milot S., Villemur R. (2000) Mass spectrometry monitoring of rhamnolipids from a growing culture
of Pseudomonas aeruginosa strain 57RP, Biochim Biophys Acta, 1485:145–52
[2] Nitschke M., Costa S., Contiero J. (2011) Rhamnolipids and PHAs: Recent reports on Pseudomonas-derived molecules of
increasing industrial interest, Process Biochemistry, 46(3):621-30
[3] Laabei M., Jamieson W.D., Lewis S.E., Diggle S.P., Jenkins A.T. (2014) A new assay for rhamnolipid detection-important
virulence factors of Pseudomonas aeruginosa, Appl Microbiol Biotechnol, 98(16):7199-209
[4] Chrzanowski Ł., Ławniczak Ł., Czaczyk K. (2012) Why do microorganisms produce rhamnolipids? World J Microbiol
Biotechnol, 28:401–19
[5] Kuniho N, Akihiro Y, Yasuhiro Y. (1998) Correlation between autoinducers and rhamnolipids production by
Pseudomonas aeruginosa IFO 3924. J Ferment Bioengineer 1998;86(6):608–10
[6] Dusane D.H., Zinjarde S.S., Venugopalan V.P., McLean R.J., Weber M.M., Rahman P.K. (2010) Quorum sensing:
implications on rhamnolipid biosurfactant productionm, Biotechnol Genet Eng Rev, 27:159-84
284
BioOrg 2015
POLIAMINY BIOGENNE JAKO CZYNNIK KOMPLEKSUJĄCY JONY
LANTANOWCÓW
M. Zabiszak1, R. Jastrząb1
1
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Wydział Chemii, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań.
[email protected]
Pierwiastki metali ziem rzadkich nie występują naturalnie w organizmach żywych, jednak ich
związki kompleksowe znalazły szerokie zastosowanie medyczne i biologiczne [1]. Związki chelatowe
lantanowców wykazujące luminescencję stosuje się w badaniach fluoroimmunologicznych [2] oraz jako
znaczniki kwasów nukleoinowych i protein [3]. Kompleksy lantanowców stosowane są w obrazowaniu
metodą rezonansu magnetycznego MRI. Detekcja wielu chorób wymaga zastosowania czynnika kontrastującego, którym najczęściej są kompleksy chelatowe gadolinu. Najczęściej używanymi czynnikami
kontrastującymi są kompleksy lantanowców z aminokwasami oraz kwasami karboksylowymi [4].
Istotną rolę w układach biologicznych odgrywają poliaminy biogenne takie jak spermina, która
powstaje w organizmach żywych w wyniku eliminacji grupy karboksylowej z cząsteczek aminokwasów.
Aminy biogenne stabilizują błony komórkowe, aktywują niektóre enzymy oraz katalizują biosyntezę
białek i kwasów nukleinowych. Stężenie poliamin w organizmie zależy od rodzaju komórek i ich wieku.
Zaobserwowano, że najwyższe stężenie poliamin występuje w komórkach młodych oraz komórkach
nowotworowych. Zwiększony poziom poliamin we krwi wskazuje również na np. infekcje pasożytnicze.
Występują one w układach biologicznych głównie w postaci polikationów co czyni je „atrakcyjną” grupą
ligandów dla jonów metali [5].
Badania reakcji kompleksowania w układach podwójnych zawierających jony lantanowców
i sperminę
wykazały
tworzenie
się
połączeń
koordynacyjnych.
Wykorzystując
badania
potencjometryczne oraz komputerową analizę danych (program HYPERQUAD) określono skład oraz
ogólne stałe trwałości (logβ) otrzymanych kompleksów. Otrzymane wartości ogólnych stałych trwałości
otrzymanych form przedstawiono w Tabeli 1.
Tabela 1. Wartości logβ otrzymanych kompleksów
La3+
Nd3+
Eu3+
Gd3+
Tb3+
Ho3+
Lu3+
MLH
14,84(9)
16,97(1)
17,86(9)
18,02(1)
17,84(4)
18,05(3)
18,45(2)
ML
6,15(1)
7,71(2)
6,15(1)
8,68(1)
7,97(5)
8,65(5)
8,49(3)
MLOH
-5,50(7)
-2,72(1)
-5,50(7)
-2,27(2)
---
-1,57(5)
---
ML2H
---
24,15(5)
---
---
---
---
---
285
BioOrg 2015
Literatura:
1. Montgomery C.P., Murray B.S., New E.J., Paj R., Parker D., Acc. Chem. Res., 2009, 42, 925.
2. Hemmila I., Laitala V., J. Fluoresc. 15 (2005) 529-542.
3. Yam V. W. W.; Lo, K. K. W. , J. Coord. Chem. Rev., 1999, 184 ,157.
4. Montgomery C.P., Murray B.S., New E.J., Paj R., Parker D., Acc. Chem. Res., 2009, 42, 925-937
5. Kalac P., Food Chemistry, 2014, 161, 27-39
286
BioOrg 2015
WPŁYW RODZAJU ŹRÓDŁA WĘGLA W HODOWLI NA HYDROFOBOWOŚĆ
POWIERZCHNI KOMÓREK MIKROORGANIZMÓW
Agata Zdarta*, Wojciech Smułek, Ewa Kaczorek
Politechnika Poznańska, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Zakład Chemii Organicznej,
Skład chemiczny ropy naftowej może być różny w zależności od miejsca wydobycia. Wśród
związków wchodzących w skład ropy naftowej można wyróżnić ok. 40 różnych związków tj. alkany,
cykliczne alkany, alkeny oraz węglowodory aromatyczne. Substancje te są w dużej mierze toksyczne
i różnią się podatnością na biodegradację. Węglowodory alifatyczne są łatwiej biodegradowalne, niż
aromatyczne.
Alkany
długołańcuchowe
charakteryzują
się
mniejszą
toksycznością
i są łatwiej metabolizowane. Toksyczność, hydrofobowość oraz odporność na biodegradację zwiększa się
wraz ze wzrostem liczby pierścieni aromatycznych [1].
Poważnym zagrożeniem dla ekosystemów wodnych i lądowych są straty występujące na każdym
etapie procesu wydobycia, transportu, a także stosowanie produktów przetworzenia ropy naftowej.
Najbardziej narażone na skażenia, a zarazem wymagające remediacji, są ekosystemy lądowe, które
obejmują miejsca i okolice wydobycia ropy naftowej, magazynowania i stosowania [2].
Zdolność do transformacji związków ropopochodnych przez mikroorganizmy kształtowała się
na przestrzeni wieków na skutek wycieków ropy naftowej na powierzchnię ziemi. W ten sposób pewne
grupy bakterii wyspecjalizowały się w tej działalności. Mikroorganizmy zdolne do rozkładu
węglowodorów ropopochodnych zajmują najczęściej miejsca naturalnego występowania ropy naftowej
i gazu ziemnego. Bakterie utylizujące węglowodory stanowią od 0,1 do 10% populacji bakterii obecnych
w środowisku [3].
Czynnikiem decydującym o szybkości biodegradacji węglowodorów przez mikroorganizmy są
właściwości powierzchniowe komórki podczas bezpośredniego kontaktu z substancją ropopochodną [4].
Hydrofobowy charakter powierzchni komórek mikrobów ułatwia wykorzystanie hydrofobowych
węglowodorów jako pokarmu dla bakterii. Przeprowadzone dotychczas badania wykazały, że na
hydrofobowość powierzchni mikroorganizmów ma wpływ wiele parametrów, które można w odpowiedni
sposób modyfikować podczas prowadzenia hodowli [5].
Celem przeprowadzonych badań było określenie zmian właściwości powierzchniowych
komórek szczepów z rodzaju Pseudomonas w wyniku hodowli na podłożach z surową ropą, a także ze
związkami aromatycznymi oraz alifatycznymi. W badaniu określono właściwości powierzchniowe
komórek z logarytmicznej fazy wzrostu. Hydrofobowość powierzchni komórek wyznaczono za pomocą
metody MATH (mikrobiologicznej adhezji do węglowodorów) [5].
287
BioOrg 2015
Przedstawione wyniki potwierdzają, że w zależności od różnorodności podłoża hodowlanego
oraz dostępności składników pokarmowych hydrofobowość powierzchni badanych komórek zmienia się.
Dominująca wydaje się tendencja do zwiększania hydrofobowości powierzchni komórek na podłożach
z analizowanymi związkami, a największy wzrost hydrofobowości powierzchni odnotowano dla szczepu
Pseudomonas fluorescens w hodowli ze związkami alifatycznymi oraz Pseudomonas alcaligenes
w hodowli z surową ropą. Wszystkie badane szczepy po 9 miesiącach hodowli na wybiórczych
podłożach z analizowanymi związkami wykazywały większą hydrofobowość powierzchni komórek, niż
próba kontrolna. Uzyskane wyniki potwierdzają zmiany adaptacyjne, zachodzące na powierzchni
komórek drobnoustrojów, które ułatwiają im przyłączenie i rozkładanie związków aromatycznych
obecnych
w substancjach ropopochodnych, co predestynuje badane mikroorganizmy do wykorzystania w procesie
bioremediacji.
decyzji numer DEC-2012/07/B/NZ9/00950
Literatura:
[1] Mulligan C. N. (2005) Enviromental applications for biosurfactants, Environmental Pollution 133:183-198
[2] Singh A., Van Hamme J.D., Ward O.P. (2007) Surfactants in microbiology and biotechnology: Part 2. Application aspects,
Biotechnology Advances 25: 99-121.
[3] Malina G., Szczepański A. (1994) Likwidacja zanieczyszczeń substancjami ropopochodnymi w środowisku wodnogruntowym, w: Biblioteka Monitoringu Środowiska, Warszawa
[4] Zhang M.-L., Dang Z., Wu F.-J., Liang X.-J., Guo C.-L., Lu G.-N., Yang C. (2014) Using flow cytometry to explore the
changes of Sphingomonas sp. GY2B bacterial surface characteristics in the process of degrading phenanthrene, Huanjing
Kexue/Environmental Science 35 (4): 1449-1456
[5] Kaczorek E., Moszyńska S., Olszanowski A. (2011) Modification of cell surface properties of pseudomonas alcaligenes
s22 during hydrocarbon biodegradation, Biodegradation 22: 359-366
288
BioOrg 2015
DNAZYMY O AKTYWNOŚCI PEROKSYDAZOWEJ, KOWALENCYJNE
ADDUKTY HEMINA/G-KWADRUPLEKS
Krzysztof Żukowski*, Joanna Kosma, Bernard Juskowiak
Pracownia Chemii Bioanalitycznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu,
ul. Umultowska 89B, 61-614 Poznań,
DNAzymy to nowa klasa biokatalizatorów, w których funkcję apobiałka przejęła cząsteczka
kwasu nukleinowego. Jednym z przedstawicieli DNAzymów jest kompleks heminy z oligonukleotydem
w formie G-kwadrupleksu, który posiada właściwości peroksydazy [1]. Znalazł on zastosowanie
w nowych wariantach testów enzymatycznych, a także w całkowicie nowych rozwiązaniach
biosensorowych. Do dzisiaj prowadzone są intensywne prace dotyczące opracowania bardziej wydajnych
i czułych układów tego typu oraz badania podstawowe, których celem jest poznanie mechanizmu
działania DNAzymów i wpływu różnych czynników na ich efektywność [2,3]. Celem realizowanej pracy
jest opracowanie nowych układów DNAzymów o aktywności peroksydazowej poprzez przyłączenie
heminy do łańcucha oligonukleotydu tworzącego G-kwadrupleks. Planowanych jest kilka wariantów.
Najprostszy z nich to reakcja sprzęgania modyfikowanego grupą alkiloaminową z aktywnym estrem
heminy. Przyłączenie heminy do oligonukleotydu może być realizowane w różnych pozycjach (końce 3’
i 5’ oraz w pozycjach wewnętrznych pętli G-kwadrupleksu). Kolejnym etapem jest charakterystyka
fizykochemiczna otrzymanych sond, zbadanie ich aktywności enzymatyczne oraz wybór najbardziej
efektywnego układu do zastosowań sensorowych w układach heterogenicznych (fluorescencja, SPR).
Otrzymane układy umożliwią zniwelowanie wartości
sygnału
analitycznego próby zerowej
pochodzącego od heminy, co zapewnić może wyższą czułość oznaczeń w sensorach opartych na danych
DNAzymach.
Autorzy dziękują za wsparcie finansowe z Narodowego Centrum Nauki - Projekt „Harmonia”
2013/10/M/ST4/00490.
Literatura:
[1] P. Travascio ,Y. Liu, D. Sen (1998) Chemistry and Biology, 505-517
[2] S. Nakayama, J Wang, H. O. Sintim (2011) Chemistry-A European Journal, 17(20), 5691-5698
[3] A. V. Gribas, S. P. Korolev, T. S. Zatsepin, M. B. Gottikh, I. Y. Sakharov (2015) RSC Advances, 5(64), 51672-51677
289
BioOrg 2015
WYBRANE METODY MODYFIKACJI POWIERZCHNI MATERIAŁÓW
STOSOWANYCH W IMMOBILIZACJI
Joanna Żur*, Danuta Wojcieszyńska, Urszula Guzik
Katedra Biochemii, Uniwersytet Śląski, ul. Jagiellońska 28, 40-032 Katowice
* e-mail: [email protected](odstęp pojedynczy, (odstęp pojedynczy, 10 pkt)
(odstęp o pojedynczy, 10 pkt)
, 10 pkt)
Głównym celem modyfikacji powierzchni materiałów jest zmiana ich parametrów, skutkująca
określonym i zamierzonym zachowaniem komórek immobilizowanych (np. bakterii, komórek
macierzystych). Trzy główne metody modyfikacji obejmują metody biologiczne, fizykochemiczne
i chemiczne. Ze względu na istotność wprowadzanych zmian oraz towarzyszące im efekty
fizykochemiczne (tj. dyfuzja jonów lub wolnych rodników potencjalnie zaburzająca strukturę
materiałów) oraz chemiczne (związane głównie ze zmianą orientacji łańcuchów polimerowych), proces
modyfikacji powinien być dobrze zdefiniowany [1].
Biologiczne metody funkcjonalizacji obejmują powierzchniową immobilizację cukrów (oligoi polisacharydy, cukry proste), białek (przeciwciała, enzymy, antygeny), lipidów (kwasy tłuszczowe,
fosfolipidy, glikolipidy) oraz antybiotyków i kwasów nukleinowych lub szczepienie wybranych
kompozytów białkowych i aminokwasów. Unieruchomienie molekuł aktywnych biologicznie na
powierzchni nośników pozwala na zwiększenie możliwości wiązania dodatkowych cząsteczek, a tym
samym umożliwia wzrost potencjału aplikacyjnego takich materiałów i stosowane jest często
w przypadku polimerów, metali, szkła oraz ceramiki. Wyróżnia się trzy główne sposoby modyfikacji
powierzchni metodami biologicznymi. Dwie z nich związane są ze zjawiskiem adsorpcji i pułapkowania,
trzecia natomiast polega na wytworzeniu wiązań kowalencyjnych. Za fizysorpcję odpowiedzialne są siły
van der Waalsa, elektrostatyczne, powinowactwa elektronowego oraz dyspersyjne Londona. Modyfikację
polegającą na wytworzeniu wiązań pomiędzy biocząsteczkami a powierzchnią stosuje się głównie
w przypadku polimerów, co związane jest z obecnością na ich powierzchni różnorodnych grup
funkcyjnych. Nośniki modyfikowane biologicznie znalazły szerokie zastosowanie. Unieruchomione
powierzchniowo enzymy z grupy lizyn, odpowiedzialne za rozpuszczanie włókien fibrynowych,
przeciwdziałają tworzeniu się skrzepu. Zrekombinowane szczepy Bacillus subtilis zdolne do wytwarzania
toksyn
cytotoksycznych
immobilizowane
w
zmodyfikowanych
powłokach
polilizynowo-
polietylenoiminowych wykorzystywane są do niszczenia komórek zmienionych nowotworowo [1, 2].
Chemiczna modyfikacja powierzchni materiałów obejmuje reakcje zarówno specyficzne jak
i niespecyficzne. Reakcje specyficzne ukierunkowane są na konkretne grupy funkcyjne np. C=O lub
COOH. Druga grupa reakcji dotyczy jednoczesnych zmian w różnych grupach funkcyjnych (silanizacja,
utlenianie powierzchni kwasem chromowym lub mieszaniną podtlenków). Do chemicznych metod
modyfikacji powierzchni materiałów zaliczane są również reakcje szczepienia i trawienia. Najczęściej
290
BioOrg 2015
stosowane metody szczepienia, polegające na przyłączeniu reaktywnych grup chemicznych, m.in. -OH,
-NH2 czy –COOH, do powierzchni materiałów hydrofobowych lub inertnych i klasyfikowane według
zastosowanego źródła energii, obejmują: szczepienie z użyciem jonizacyjnego źródła promieniowania
(najczęściej typu γ), szczepienie promieniami UV (fotoszczepienie) oraz szczepienie z użyciem
wysokoenergetycznej wiązki elektronowej [3].
Jedną z najciekawszych i najczęściej stosowanych metod chemicznej modyfikacji powierzchni
jest metoda samoorganizujących się warstw (ang. SAMs - self-assembled monolayers). Modyfikatorami
stosowanymi dla metali (Au, Cu) są di- i alkanotiole, platyny – aminy oraz alkohole, krzemionki, szkła
i glinu – n-alkilosilany. W powstający film SAMs zaangażowane są wiązania kowalencyjne, siły van der
Waalsa oraz wiązania wodorowe. Monowarstwy zdolne są do sieciowania białek lub zasad azotowych
kwasów nukleinowych. Filmy SAMs znalazły również zastosowanie w oczyszczaniu wód ze związków
rtęci oraz arsenu [4, 5].
Modyfikacje fizykochemiczne polegają głównie na zmianie stopnia chropowatości, tekstury
materiałów lub ich zwilżalności. Zwiększona odporność na korozję osiągana jest dzięki zastosowaniu
technik implantacji jonów i anodyzacji. Modyfikację chropowatości powierzchni umożliwia obróbka
plazmą, natomiast obniżenie hydrofobowości możliwe jest dzięki zastosowaniu warstwy PEG (glikolu
polietylenowego) [1, 3].
Przedstawione sposoby modyfikacji parametrów powierzchniowych metodami biologicznymi,
chemicznymi
i
fizykochemicznymi
znacząco
zwiększają
możliwości
aplikacyjne
nośników.
Dla polimerów o zastosowaniu biomedycznym wykazano związek pomiędzy parametrami powierzchni
a odpowiedzią komórkową, m.in. adsorpcją białek, adhezją komórek, proliferacją czy aktywnością
enzymów komórkowych. Immobilizacja komórek bakterii, a tym samym możliwość ich praktycznego
zastosowania np. w oczyszczaniu ścieków, również w dużym stopniu uzależniona jest od struktury
sorbentów (ładunku powierzchniowego, hydrofobowości, szorstkości, porowatości czy obecności grup
funkcyjnych).
Literatura:
[1] B. Świeczko-Żurek (2009) Biomateriały, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk.
[2] Z. Bakuła, R. Stachowiak, J. Wiśniewski, L. Granicka, J. Bielecki (2013) Immobilizacja komórek – znaczenie biomedyczne,
Post. Mikrobiol. 52(30): 233-245.
[3] E. Stodolak (2006) Badania nad modyfikacją powierzchniową i wpływem włókien na materiał polimerowy i odpowiedź
komórkową. Praca doktorska. Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica, Kraków.
[4] J. C. Love, L. A. Estroff, J. K. Kriebel, R. G. Nuzzo, G. M. Whitesides (2005) Self-Assembled Monolayers of Thiolates on
Metals as a Form of Nanotechnology, Chem. Rev. 105: 1103-1169.
[5] S. V. Mattigod, G. E. Fryxell, R. Skaggs, K. E. Parker (2006) Functionalized Nanoporous Ceramic Sorbents for Removal
of Mercury And Other Contaminant, NSTI-Nanotech 1: 355-357.
291
BioOrg 2015
CHEMIA ORGANICZNA
292
BioOrg 2015
WYKŁAD SEKCYJNY
NOWE KONIUGATY STEROIDOWE:
SYNTEZA, ANALIZA SPEKTROSKOPOWA I ZASTOSOWANIE
Tomasz Pospieszny
Pracownia Chemii Mikrobiocydów, Wydział Chemii UAM
Umultowska 89b, 61-614 Poznań
Steroidy należą do
związków pochodzenia naturalnego powszechnie występujących
w mikroorganizmach, organizmach roślinnych i zwierzęcych. Pełnią w nich decydujące funkcje o
fundamentalnym znaczeniu dla metabolizmu – są hormonami płciowymi ssaków (testosteron, estrogeny)
i roślin (brasinosteroidy), regulują przemianę materii (kwas glikocholowy i taurocholowy, witaminy D),
są też ważnymi glikozydami nasercowymi (digoksyna, gitoksyna). Szczególnie interesujące są sterole, do
których należą m. in. cholesterol, ergosterol czy stigmasterol. Cholesterol jest najbardziej znanym
związkiem z grupy steroidów zaliczanym do zoosteroli. Tworząc estry stabilizuje i usztywnia błony
komórkowe, a jednocześnie zmniejsza ich przepuszczalność oraz płynność. Z kolei ergosterol pełni
podobne funkcje metaboliczne w komórkach grzybów. Ponadto cholesterol jest ważnym metabolitem, z
którego w wątrobie biosyntezowane są kwasy żółciowe [1-5]. Kwasy żółciowe np. litocholowy,
deoksycholowy, cholowy charakteryzuje duży, sztywny i zakrzywiony szkielet steroidowy, różne
położone grupy hydroksylowe (3 ; 3 ,7 ; 3 ,7 ,12 ) oraz właściwości amfifilowe (Rysunek 1). Mają
one istotny wpływ na rozpuszczalność zawartego w żółci cholesterolu, zmniejszają napięcie
powierzchniowe i emulgują tłuszcze.
21
18
19
HO
3
8
5
6
22
CO2H
28
R2
23 24
27
7
R1
HO
25
26
(1) ergosterol
OH
(2) cholesterol
(3) R1 = R2 = H kwas litocholowy
(4) R1 = H; R2 = OH kwas deoksycholowy
(5) R1= R2 = OH kwas cholowy
Rysunek 1. Wzory strukturalne oraz numeracja w wybranych sterolach (1,2) i kwasach żółciowych (3-5).
W ostatnich latach ze względu na unikatowe właściwości biochemiczne steroidów syntezowane
są, modyfikowane oraz izolowane nowe koniugaty (ang. coniugates) pochodzenia naturalnego. Związki
takie charakteryzują się bardzo zróżnicowanymi właściwościami fizycznymi, biologicznymi, a także
farmakologicznymi.7,8 Ich najważniejszą cechą jest zwiększona aktywność biobójcza i zmniejszona
toksyczność względem związków tworzących koniugat.
293
BioOrg 2015
Jednym z najbardziej znanych związków tego typu jest skwalamina (Rysunek 2). Została on
wyizolowana z komórek wątroby kolenia pospolitego (Squalus acanthias).9,10 Związek ten jest stosowany
jako antybiotyk o szerokim spektrum aktywność biobójczej wobec bakterii Gram-dodatnich i Gramujemnych, a także grzybów, pierwotniaków czy wirusów.
(a)
OSO3H
H
N
H2N
H
N
HO
(6) skwalamina
(b)
Rysunek 2. Wzór strukturalny (a) oraz obliczona struktura molekularna skwalaminy (b).
Tematem wykładu będzie synteza różnorodnych koniugatów steroidowych oraz ich analiza
spektroskopowa (1H i
13
C NMR, FT-IR). Omówione zostaną także wybrane metody semiempiryczne
(PM5), aktywność biologiczna i zastosowanie koniugatów steroidowych.
Literatura
[1] P. M. Dewick (2003) Medicinal Natural Products: A Biosynthetic Approach 3 rd Ed., Wiley and Sons, London.
[2] D. Lednicer (2011) Steroid Chemistry at a Glance, Wiley and Sons, London.
[3] A. M. P. Koskinen (2012) Asymmetric Synthesis of Natural Products, Wiley and Sons, London.
[4] W. Templeton (1969) An Introduction to the Chemistry of Terpenoids and Steroids, Butterworths, London.
[5] A. Kołodziejczyk (2003) Naturalne związki organiczne, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
[6] Z. Paryzek, M. Piasecka, T. Pospieszny, I. Skiera (2011) Steroidy wybrane zagadnienia i ćwiczenia, UAM, Poznań.
[7] D. B. Salunke, B. G. Hazra, V. S. Pore (2006) Curr. Med. Chem. 13:813–847.
[8] T. Pospieszny (2015) Steroidal Conjugates: Synthesis, Spectroscopic, and Biological Studies, w: Studies in Natural
Products Chemistry 46:169–200.
[9] T. Pospieszny (2015) Mini-Rev. Org. Chem., 12:258–270.
[10] K. S. Moore, S. Wehrli, H. Roder, M. Rogers Jr., J.N. Forrest Jr., D. McCrimmon, M. Zasloff (1993) Proc. Natl. Acad.
Sci. USA 90:1354–1358.
[11] S. Wehrli, K. S. Moore, H. Roder, S. Durell, M. Zasloff (1993) Steroids 58: 370–378.
294
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
SYNTEZA I POTENCJALNE ZASTOSOWANIE NOWYCH
NANOKATALIZATORÓW
Weronika Ambrożkiewicz*
Instytut Chemii, Uniwersytet Śląski w Katowicach, Szkolna 9, 40-006 Katowice
Rosnące zainteresowanie nanomateriałami wywarło wpływ na poszukiwanie nowych
katalizatorów heterogenicznych. Nanokatalizatory ze względu na swoje specyficzne właściwości
posiadają duży potencjał dla zastosowania w wielu gałęziach chemii [1].
Niedawno
opracowana
została
wydajna
metoda
rozpraszania
nanocząsteczek
z wykorzystaniem ultradźwięków na powierzchni amorficznej krzemionki wytworzonej metodą Stöbera
[2]. Późniejsze badania doprowadziły do udoskonalenia metody o przeniesienie nananometalu
z krzemionki, która pełni tu również funkcję nośnika pośredniego, na ziarnistą powierzchnię nośnika
metalicznego. W ten sposób powstaje układ bimetaliczny [3]. Metal wykorzystany jako nośnik, jest
również zaangażowany w proces katalityczny i może poprzez synergię zwiększać działanie składnika
aktywnego. Struktura tego typu w postaci nanopalladu na miedzi elektrolitycznej Pd NPs/Cu znalazła
zastosowanie w reakcji sprzęgania Sonogashiry [1]. Z kolei nanozłoto na krzemionce AuNPs/SiO2 daje
dobre wyniki w reakcji utleniania glicerolu, będącego produktem ubocznym produkcji biodiesla [4].
Wykorzystując tą procedurę pozyskano również wydajny katalizator niskotemperaturowego rozkładu
amoniaku PdNPs/Ni o potencjalnym zastosowaniu w przemyśle [5]. W trakcie badań znajduje się szereg
nanokatalizatorów metali grupy przejściowej, osadzonych na krzemionce oraz serie odpowiadających im
układów bimetalicznych, osadzonych na takich nośnikach jak Cu, Ni, Co i Mo. Zaobserwowano również
aktywność katalityczną dla kombinacji multimetalicznych. Badane są możliwości zastosowania
analogicznych nanoukładów na nośnikach w postaci siatek metalicznych, szczególnie przydatnych dla
reakcji przeprowadzanych w fazie gazowej.
Ponieważ proces wytwarzania katalizatorów wymaga redukcji nanometali w piecu wodorowym,
co nie zawsze jest korzystne, badane są alternatywne metody redukcji. Wykorzystanie mikroorganizmów
takich jak okrzemki do produkcji tego typu struktur pozwoliłoby nie tylko na uniknięcie procesu redukcji
w piecu wodorowym, ale również na pominiecie kilku innych etapów pośrednich.
Literatura
[1] M. Korzec, P. Bartczak, A. Niemczyk, J. Szade, M. Kapkowski, P. Zenderowska, K. Balin, J. Lelątko, J. Polański (2014)
Bimetallic nano-Pd/PdO/Cu system as a highly effective catalyst for the Sonogashira reaction. Journal of Catalysis, 313, 1-8
[2] P. Bartczak, M. Korzec, M. Kapkowski, J. Polański Patent application P.405270
[3] P. Bartczak, M. Korzec, M. Kapkowski, J. Polański Patent application P.405268
295
BioOrg 2015
[4] M. Kapkowski, P. Bartczak, M. Korzec., R. Sitko, J. Szade, K. Balin, J. Lelątko, J. Polański (2014) SiO2-, Cu-, and Nisupported Au nanoparticles for selective glicerol oxidation in the liquid phase. Journal of Catalysis, 319, 110-118
[5] J. Polanski, P. Bartczak, W. Ambrozkiewicz, R. Sitko, T. Siudyga, A. Mianowski, J. Szade, K. Balin, J. Lelątko (2015) NiSupported Pd Nanoparticles with Ca Promoter: A New Catalyst for Low Temperature Ammonia Cracking PLOS ONE
e0136805. doi:10.1371
296
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
STEREOKONTROLOWANA SYNTEZA POCHODNYCH KARBAZOLOWYCH
Magdalena Grzelak1*, Mariusz Majchrzak1, Bogdan Marciniec2
1
Zakład Chemii Metaloorganicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu,
2
Centrum Zaawansowanych Technologii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu,
ul. Umultowska 89c, 61-614 Poznań
Karbazol należy do grupy organicznych związków heterocyklicznych, które zawierają w swoim
pierścieniu atom azotu. Celem pracy było otrzymanie nowych sprzężonych, pochodnych karbazolowych
na drodze modyfikacji wprowadzonych w szkielecie węglowym oraz przez podstawienie atomu azotu
grupami alkilowymi [1], a następnie wykorzystanie ich do syntezy nowych układów organicznych
i krzemoorganicznych. W tym celu zastosowano reakcje katalizowane związkami kompleksowymi metali
przejściowych np. reakcję sprzęgania Suzuki – Miyaura oraz reakcję sililującego sprzęgania olefin
z winylosilanami.
W
pierwszym
etapie
badań,
zmodyfikowano
warunki
syntezy
bromopochodnych
i N-modyfikacji karbazolu, prowadząc reakcje w łagodnych warunkach, co pozwoliło na zwiększenie ich
wydajności i selektywności oraz znacznie skróciło czas ich trwania. Ponadto zastosowane modyfikacje
pozwoliły na poprawę właściwości związków, które stanowiły substraty w reakcjach sprzęgania.
Kolejnym zastosowanym procesem była reakcja Suzuki-Miyaura szeroko definiowana jako
katalizowane palladem sprzęganie halogenków winylowych, arylowych z organicznymi związkami boru
w środowisku zasady, która jest skutecznym sposobem syntezy olefin, styrenów i bifenyli poprzez
wytworzenie wiązania węgiel- węgiel (C-C) [2,3]. Zoptymalizowanie warunków tej reakcji i użycie jako
reagentów kwasów boronowych pozwoliło na otrzymanie z bardzo dobrą wydajnością, nowych
winylofenylenowych pochodnych karbazolu, które zastosowano jako substraty w kolejnych etapach.
Wśród wielu reakcji kluczową rolę pełni sililujące sprzęganie olefin, które poprzez
wykorzystanie różnorodności substratów i katalizatorów jest efektywną metodą, pozwalającą
otrzymywać 1-sililo-1-alkeny, winylosilany oraz bis(sililo)eteny tworzące ważną grupę związków
krzemoorganicznych. Reakcja sililującego sprzęgania w przeciwieństwie do reakcji metatezy przebiega
nie przez rozerwanie wiązania wielokrotnego węgiel - węgiel (C=C) lecz poprzez aktywację i rozerwanie
wiązań węgiel - krzem (Cwinyl-Si) w winylosilanie oraz wiązania węgiel - wodór (C-H) w drugiej
cząsteczce substratu - winylosilanu dla reakcji homo – sprzęgania bądź w olefinie w przypadku
ko - sprzęgania [4,5]. Zastosowanie tej reakcji pozwoliło na otrzymanie nowych sililo-pochodnych
karbazolu w reakcji styrylokarbazoli z różnymi winylosilanami. Otrzymane produkty cechowały się
297
BioOrg 2015
wysoką stereoregularnością, (>99%) czystością oraz zostały scharakteryzowane za pomocą metod
spektroskopowych.
Rysunek 1. Synteza sprzężonych pochodnych karbazolu
Przedstawione reakcje katalityczne mogą znaleźć zastosowanie w syntezie związków
molekularnych,
makromolekularnych
oraz
polimerowych.
Poprzez
wykorzystanie
dobrze
zdefiniowanych katalizatorów, możemy w bardzo wydajny, efektywny i stereokontrolowany sposób
otrzymywać
π - sprzężone materiały o ciekawych właściwościach fizykochemicznych. Zaproponowane metody
katalityczne są kontrolowane i pozwalają na otrzymanie pożądanego trans - stereoregularnego produktu.
Autorzy dziękują za wsparcie finansowe z Narodowego Centrum Nauki - Projekt 'Maestro'
No. UMO - 2011/02/A/ST5/00472.
Literatura:
[1] M. Ludwiczak, M. Majchrzak, M. Bayda, B. Marciniak, M. Kubicki, B. Marciniec, (2014) Stereoselective synthesis and
luminescence properties of novel trans-regular N-alkylcarbazolylene–silylene–vinylene polymers, Journal of Organometallic
Chemistry, 750, 150–161
[2] M. Majchrzak, S. Kostera, M. Kubicki, I. Kownacki (2013) Synthesis of new styrylarenes via Suzuki–Miyaura coupling
catalysed by highly active, well-defined palladium catalysts, Dalton Transactions, 42,15535
[3] M. Majchrzak, M. Hybsz, S. Kostera, M. Kubicki, B. Marciniec (2014) A highly stereoselective synthesis of new styryl-πconjugate organosilicon compounds, Tetrahedron Letters, 19, 3055
[4] B. Marciniec,(2005) Coordination Chemistry Reviews, 249, 2374
[5] M. Majchrzak, B. Marciniec, Y. Itami (2005), Highly Stereoselective Synthesis of Arylene‐Silylene‐Vinylene Polymers,
Advanced Synthesis & Catalysis, 347 (2005), 1285
298
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
ACYLOWANIE 2-ETYLOBENZO[B]FURANU
Andrzej Günther1*, Halina Kwiecień2
Zakład Analizy Instrumentalnej, Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej ZUT, ul. Piastów 42, 71-065 Szczecin
2
Zakład Syntezy Organicznej i Technologii Leków, Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej ZUT, ul. Piastów 42, 71-065
Szczecin
1
Struktura benzo[b]furanu (1) obecna jest w wielu aktywnych związkach zarówno pochodzenia
naturalnego jak i syntetycznych, które
wykazują szerokie spektrum aktywności farmakologicznej.
Rośliny bogate w pochodne benzo[b]furanu znane były już w starożytności z cennych właściwości
terapeutycznych. Do takich roślin należy między innymi Myszopłoch kolczasty (Ruscus aceleatus),
w którym stwierdzono obecność benzo[b]furanu (1). Wyciąg z tej rośliny uszczelnia naczynia włosowate,
a także działa przeciwzapalnie. Moracyny (2 i 3), bogato występujące w korze korzenia morwy białej
(Morus alba), posiadają cenne właściwości przeciwgrzybiczne i przeciwnowotworowe [1]. Wyciąg
z aminka egipskiego (Ammi visnaga) zawierający kelinę (4) starożytni Egipcjanie stosowali w leczeniu
astmy. W medycynie ludowej ekstrakt z aminka stosowany był jako terapeutyk rozszerzający naczynia
krwionośne. Obecnie w lecznictwie stosowane są analogi keliny, które są podstawą wielu preparatów
nasercowych [2].
Syntetyczne benzo[b]furany a w szczególności ich acylowe pochodne są składnikiem znanych
leków nasercowych. Jednym z nich jest amiodaron (5), którego struktura podobna jest do tyroksyny,
hormonu gruczołu czołu tarczycy. Amiodaron stosowany jest w leczeniu rzadkiego typu arytmii tzw.
syndromu WPW, Wolffa-Parkinsona-White’a [3, 4]. Benzbromaron (6) bromowa pochodna
3-benzoilobenzo[b]furanu, jest stosowany w leczeniu dny moczanowej, obniża stężenie kwasu
moczowego w surowicy krwi oraz hamuje biosyntezę puryn [5]. Celivaron (7) jest kolejnym lekiem
stosowanym w leczeniu arytmii, działa ponadto przeciwnadciśnieniowo [6].
299
BioOrg 2015
Celem badań było opracowanie optymalnych warunków acylowania 2-etylobenzo[b]furanu
chlorkiem kwasu 3,4,5-trimetoksybenzoesowego. Potrzebny do badań 2-etylobenzo[b]furan otrzymano
według technologii opracowanej w Zakładzie Syntezy Organicznej i Technologii Leków. Stosowana
metoda syntezy składa się z trzech etapów: kondensacji, hydrolizy i cyklizacji (schemat 1), a jej
surowcami są aldehyd salicylowy i kwas masłowy (8).
Aldehyd salicylowy był pochodzenia
handlowego, natomiast 2-bromomaślan (9) otrzymano z kwasu masłowego (8) poprzez kolejne reakcje –
chlorowania chlorkiem tionylu, bromowania i estryfikacji. Wszystkie procesy prowadzono w jednym
reaktorze, w sposób ciągły, a pożądany produkt otrzymano z wysoką wydajnością.
Reakcję acylowania 2-etylobenzo[b]furanu prowadzono w 1,2-dichloroetanie, w obecności
chlorku glinu jako katalizatora. Produkty po reakcji wydzielano w znany sposób i analizowano za
pomocą chromatografii gazowej sprzężonej z detektorem mas (GC-MS). W wyniku analizy w
mieszaninie
po
reakcyjnej
stwierdzono
obecność
dwóch
związków:
2-etylobenzo[b]furan-3-ylo)(4-hydroksy-3,5-dimetylofenylo)metanonu (11) jako produktu acylowania,
oraz
2-etylobenzo[b]furan-3-ylo)(3,4,5-trimetoksyfenylo)metanonu
jednoczesnego acylowania i odmetylowania.
300
(12)
powstałego
w
wyniku
BioOrg 2015
Rysunek 1.
W celu ustalenia warunków selektywnego przebiegu acylowania wykonano szereg prób reakcji,
w których zmieniano stosunek molowy reagentów i czas reakcji. W wyniku przeprowadzonych badan
stwierdzono, że:
1. Produkt acylowania w pozycji 3 2-etylobenzo[b]furanu otrzymano z wysoką (89%)
wydajnością, gdy zastosowano 1,5 molowy nadmiar chlorku glinu w stosunku do 2-etylobenzo[b]furanu
i reakcje prowadzono przez 8 godzin.
2. Produkt acylowania połączonego z odmetylowaniem grupy metoksylowej pozycji para
uzyskano z wysoką wydajnością, gdy proces prowadzono stosując 2,5 molowy nadmiar katalizatora
w stosunku do substratu organicznego.
3. Strukturę otrzymanych i oczyszczonych poprzez krystalizację obydwu produktów ustalono za
pomocą spektroskopii 1H i C13 NMR.
Literatura:
[1] Rollinger J.M., Bodensieck A., Seger C., Ellmerer EP., Bauer R., Langer T., Stuppner H., (2005) Discovering COXInhibiting Constituents of Morus Root Bark: Activity-Guided versus Computer-Aided Methods. Planta Med, 2005, 71, 39.
[2] Kołodziejczyk A., (2013) Naturalne związki organiczne. Wydawnictwa Naukowe PWN. Warszawa
301
BioOrg 2015
[3] Lednicer D., (2008) The Organic Chemistry of Drug Synthesis, Volume 7. John Wiley & Sons, Inc.
[4] Michalak R., Zieleniewski W., (2010) Terapia amiodaronem a zaburzenia czynności gruczołu tarczowego. Folia Medica
Lodziensia, 2010, 37, 205.
[5] Weinberg A. G., Mize C.E., Worthen H.G., (1976) The occurrence of hepatoma in the chronic form of hereditary
tyrosinemia. J Pediatr, 1976, 88, 434.
[6] Gautier P., Serre M., Cosnier-Pucheu S., Djandjighian L., Roccon A., Herbert J.-M., Nisato D., (2005) In vivo and in vitro
antiarrhythmic effects of SSR149744C in animal models of atrial fibrillation and ventricular arrhythmias. J Cardiovasc
Pharmacol, 2005, 45, 125.
302
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
SYNTEZA SIARKOFUNKCYJNYCH ZWIĄZKÓW ZAWIERAJĄCYCH
PIERWIASTKI Z GRUPY WĘGLOWCÓW
Krzysztof Kuciński1*
1
Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89B, 61-614 Poznań
Synteza siarkofunkcyjnych pochodnych otrzymywanych w reakcji tioli z nienasyconymi
związkami pierwiastków z grupy węglowców, a katalizowanej przez kwasy Lewisa, może odbywać się
na drodze reakcji sprzęgania lub addycji wiązania S-H. Hydrosulfidowanie polegające na addycji
wiązania siarka-wodór do wiązań nienasyconych, stanowi bardzo ważną reakcję, pozwalającą
otrzymywać skomplikowane struktury chemiczne [1]. W zależności od warunków prowadzenia procesu,
addycja ugrupowania S-H może przebiegać zgodnie lub niezgodnie z regułą Markownikowa. Pierwszą
grupę związków uzyskuje się stosując katalizatory metali przejściowych lub kwasy Lewisa, natomiast
regioizomery anty-Markownikowa otrzymuje się przede wszystkim na drodze reakcji wolnorodnikowych
[2,3].
W komunikacie zaprezentowano wyniki badań nad reakcjami tioli, z różnymi grupami
związków nienasyconych, katalizowanymi przez trifluorometanosulfonian skandu(III) (Schemat 1).
Pierwszą grupę przebadanych związków stanowiły allilo- i etynylosilany [4]. Addycja S-H do
allilosilanów przebiega zgodnie z regułą Markownikowa. Etynylyosilany wykazały, iż charakteryzują się
mniejszą reaktywnością, a addycja
zachodzi niezgodnie z regułą Markownikowa. Drugą grupę
testowanych związków stanowiły allilogermanany. Zaowocowało to opracowaniem nowej metody
otrzymywania tiogermananów, gdyż dochodzi do reakcji S-germylowania [5]. Ostatnią grupę
przebadanych związków stanowiły różne
-olefiny [6]. Prowadząc proces w obecności triflatu
skandu(III) w łagodnych warunkach i bez rozpuszczalnika, otrzymano z wysoką wydajnością i
selektywnością produkty addycji niezgodne z regułą Markownikowa. W opublikowanej pracy
przebadano bardzo szeroką grupę olefin.
303
BioOrg 2015
Rysunek 1.
Literatura:
[1] A. B. Lowe (2014) Thiol-yne ‘click’/coupling chemistry and recent applications in polymer and materials synthesis and
modification, Polymer 55(22):5517–5549.
[2] R. Castarlenas, A. Di Giuseppe, J. J. Perez-Torrente, L. A. Oro (2013) The Emergence of Transition-Metal-Mediated
Hydrothiolation of Unsaturated Carbon–Carbon Bonds: A Mechanistic Outlook, Angew. Chem. Int. Ed. 52(1):211–222.
[3] J. R. Cabrero-Antonino, A. Leyva-Perez, A. Corma (2012) Iron-Catalysed Markovnikov Hydrothiolation of Styrenes, Adv.
Synth. Catal. 354(4):678-687.
[4] K. Kuciński, P. Pawluć, B. Marciniec, G. Hreczycho (2015) Highly Selective Hydrothiolation of Unsaturated
Organosilicon Compounds Catalyzed by Scandium(III) Triflate, Chem. Eur. J. 21(13):4940-4943.
[5] K. Kuciński, P. Pawluć, G. Hreczycho (2015) Metal triflate-mediated coupling of allylgermanes with thiols: a facile route
to thiogermanes, Dalton Trans. 44:10943-10946.
[6] K. Kuciński, P. Pawluć, G. Hreczycho (2015) Scandium(III) triflate-catalyzed anti-Markovnikov hydrothiolation of
functionalized olefins, Adv. Synth. Catal. doi:10.1002/adsc.201500720.
304
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
SYNTEZA ORAZ TRANSFORMACJE
POCHODNYCH KWASÓW FOSFONOWYCH
Patrycja Mrowiec*, Magdalena Rapp, Henryk Koroniak
Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Wieniawskiego 1, 61-712 Poznań
Pochodne kwasów fosfonowych, zawierające grupę aminową, hydroksylową lub atom(y) fluoru
w pozycji α w stosunku do grupy fosfonianowej; wykazują wiele udokumentowanych przykładów
związków o aktywności biologicznej będącej wynikiem ich podobieństwa do naturalnie występujących
w organizmie fosforanów czy aminokwasów. Do grupy estrów kwasów fosforowych należą składniki
fosfolipidów,
nukleotydów,
w tym
ATP
(nośnika
energii
chemicznej)
wykorzystywanego
w metabolizmie komórek, a także fragmenty kwasów nukleinowych przechowujących informacje
genetyczne. W związku z tym pochodne fosforanów znalazły zastosowanie w medycynie głównie jako
leki działające na zasadzie wiązania się z centrum aktywnym enzymów prowadząc w ten sposób do
hamowania ich działania. Otrzymanie pochodnych kwasów fosfonowych - analogów fosforanów,
zawierających odpowiednie grupy funkcyjne w cząsteczce daje szanse na znalezienie nowych,
charakteryzujących się znaczną aktywnością biologiczną analogów tych naturalnych substancji. [1-4]
Fosfoniany zawierają w swojej cząsteczce wiązanie C-P niepodatne na działanie czynników
chemicznych, hydrolizę przez fosfatazy, fotolizę, a także rozkład termiczny. Obecność odpornego na
biodegradację wiązania jak również możliwość specyficznego koordynowania metali znajdujących się
w centrum aktywnym enzymów; sprawiają, że fosfoniany są wbudowywane we fragmenty biomolekuł
stających się w ten sposób inhibitorami pewnych szlaków biosyntez. Co więcej, pochodne kwasu
fosfonowego można stosunkowo łatwo poddać modyfikacjom. [1-5]
pKa2
wartość
6,45
7,65
6,20
5,64
118,7°
112,1°
113,2°
116,5°
kąta C-X-P
X = O, CH2, CHF lub CF2
Rysunek 1.
305
BioOrg 2015
Wprowadzenie atomu lub atomów fluoru w pozycji α w stosunku do grupy fosfonianowej
zwiększa podobieństwo fosfonianów do fosforanów zawierających wysokoelektroujemny mostkujący
atom tlenu (C-O-P). Zastąpienie jednego atomu wodoru atomem fluoru prowadzące do otrzymania
α-fluoroalkilowych pochodnych kwasów fosfonowych zawierających grupę (C-CHF-P), wpływa na
wartość pKa2 (6,20) zbliżając ją do wartości pKa2 odpowiednich fosforanów (6,45) – Rysunek 1.
Natomiast wprowadzenie dwóch atomów fluoru prowadzące do otrzymania α,α-difluoroalkilowych
pochodnych wpływa na wartość kąta C-CF2-P (116,5°) zbliżając go do wartości kąta C-O-P
w fosforanach (118,7°). Przedstawione zmiany właściwości wynikające z wprowadzenia atomu fluoru do
cząsteczki zostały wykorzystane w syntezie nowych leków. [3]
Jedną z możliwości wprowadzenia atomu fluoru do cząsteczki jest podstawienie grupy
hydroksylowej α-hydroksyfosfonianu przy użyciu trifluorku dietyloaminosiarki (DAST – Rysunek 2).
W reakcji alkoholu R1R2CH-OH z odczynnikiem fluorującym kluczowym etapem jest utworzenie
związku zawierającego dobrą grupę opuszczającą R1R2CH-OSF2NEt2, która w kolejnym etapie ulega
podstawieniu wytworzonym anionem fluorkowym (Rysunek 2). [3,6]
Rysunek 2.
Reakcja zachodzi zarówno w przypadku pierwszo-, jak i drugo- a nawet trzeciorzędowych
alkoholi. Dla alkoholi pierwszo- i drugorzędowych często przebiega stereoselektywnie i z inwersją
konfiguracji. Do problemów związanych z otrzymywaniem związków fluoroorganicznych tą metodą jest
możliwość wystąpienia reakcji wtórnych, dehydratacji bądź przegrupowania związku. [1,3,6]
306
BioOrg 2015
Rysunek 3.
W czasie prac nad syntezą pochodnych α-fluorofosfonianowych zaobserwowano interesujące
przegrupowanie będące wynikiem reakcji α-hydroksyfosfonianu 1 z trifluorkiem dietyloaminosiarki
(DAST), prowadzące do otrzymania pochodnej 2 analogu znanego antybiotyku – fosfomycyny 3
(Rysunek 3). Utworzony w pierwszym etapie reakcji kwas fluorowodorowy powoduje usunięcie grupy
izopropylidenowej pierścienia dioksolanowego w wyniku czego tworzy się diol. Ostatnim etapem reakcji
jest utworzenie pierścienia oksiranowego spowodowane atakiem pary elektronowej sąsiedniego atomu
tlenu grupy hydroksylowej na utworzony karbokation zgodnie z mechanizmem S N1, za którym
przemawia powstanie wyłącznie diastereoizomeru 1R,2R. [7]
Rysunek 4.
307
BioOrg 2015
W ramach kontynuacji projektu badawczego przeprowadzono syntezy dodatkowych
α-hydroksyfosfonianów (pochodnej seryny 3 oraz glukopiranozy 4), które poddano działaniu odczynnika
fluorującego
DAST.
W
wyniku
tych
reakcji
otrzymano
produkty
przegrupowania,
które
scharakteryzowano za pomocą spektroskopii NMR oraz spektrometrii mas MS.
Literatura:
[1] V.D. Romanenko, V.P. Kukhar (2006) Fluorinated Phosphonates: Synthesis and Biomedical Application, Chem. Rev.
106(9):3868-3935
[2] V.D. Romanenko, V.P. Kukhar (2008) Fluorinated organophosphates for biomedical targets, Tetrahedron 64:6153-6190
[3] J.P. Begue, D. Bonnet-Delpon (2008) Bioorganic and Medicinal Chemistry of Fluorine, Wiley & Sons Press. Inc.,
Hoboken (New Jersey)
[4] J. Nieschalk, A.S. Batsanov, D. O’Hagan, J.A.K. Howard (1996) Synthesis of Monofluoro- and Difluoromethylenephosphonate Analogues of sn-Glycerol-3-phosphate as Substrates for Glycerol-3-Phosphate Dehydrogenase and the
X-Ray Structure of the Fluoromethylenephosphonate Moiety, Tetrahedron 52(1):165-176
[5] O.I. Kolodiazhnyi (2005) Asymmetric synthesis of hydroxyphosphonates, Tetrahedron: Asymmetry 16:3295-3340
[6] L. Baptista, G.F. Bauerfeldt, G. Arbilla, E.C. Silva (2006) Theoretical study of fluorination reaction by diethylaminosulfur
trifluoride (DAST), Journal of Molecular Structure: THEOCHEM 761:73–81
[7] A.E. Wróblewski, I.I. Bąk-Sypień (2007) Studies towards the synthesis of (1R,2S)- and (1S,2S)-1,2-epoxy-3hydroxypropylphosphonates and (1S,2S)- and (1R,2S)-2,3-epoxy-1-hydroxypropylphosphonates, Tetrahedron: Asymmetry
18:2218–2226
308
BioOrg 2015
KOMUNIKAT
BORYLOBUTA-1,3-DIENY – SYNTEZA ORAZ ZASTOSOWANIE JAKO TZW.
BLOKI BUDULCOWE WE WSPÓŁCZESNEJ SYNTEZIE ORGANICZNEJ
ORAZ METALOORGANICZNEJ.
Jadwiga Pyziak1*, Marcin Hoffman2, Bogdan Marciniec3
1
Zakład Chemii Metaloorganicznej/Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza,
Umultowska 89B, 61-614 Poznań
2
Pracownia Chemii Kwantowej / Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza,
Umultowska 89B, 61-614 Poznań
3
Centrum Zaawansowanych Technologii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza,Umultowska 89C, 61-614 Poznań,
Związki metaloorganiczne pierwiastków grup głównych układu okresowego, w szczególności
boro-, krzemo-, germano- i cynoorganiczne, ze względu na dużą reaktywność, a jednocześnie dobrą
stabilność chemiczną stosowane są w współczesnej syntezie organicznej, jako tzw. bloki budulcowe
umożliwiające łatwe wprowadzenie nienasyconych układów wiązań C=C, czy C≡C. Szeroka gama
procesów demetalacji, sprzęganie Hecka, Suzuki, Negishi, Hiyamy, czy Stilla, pozwala wbudować
w strukturę związku różne grupy funkcyjne (Schemat 1) [1]. Metody te znalazły zastosowanie
w syntezie produktów pochodzenia naturalnego, w szczególności liniowych łańcuchów polienowych.
Wykorzystanie tego typu reagentów metaloorganicznych pozwala selektywnie otrzymać rozbudowane
strukturalnie związki, o określonej geometrii, które znajdują zastosowanie w wielu gałęziach
współczesnego przemysłu.
Schemat 1. Potencjalne zastosowanie 1-borylo-4-metaloidobuta-1,3-dienów.
309
BioOrg 2015
Borylobutadieny są obecnie stosowane jako kluczowe substraty w procesach syntezy analogów
produktów naturalnych, zwłaszcza substancji biologicznie czynnych, w tym leków. Reagenty te są
wykorzystane w syntezie między innymi: makrolaktyny A, eteru heptametylomulberrofuranu C, Fusariu,
Lucilactaenu, Restryctynolu, Klerodanu,
kluczowych produktów pośrednich w cyklu inhibitorów
trombiny - α-aminoboranianów, (+)-Kalikuliny A oraz (-)-Kalikuliny B, kwasu β-parynowego,
(13E,15E,18Z,20Z)-1-hydroksypentakoza-13,15,18,20-tetraen-1-yn-4-on-1-octanu,
Gomisinu
E,
Inerioferinu A, Angeloylgomisinu. Tak szerokie perspektywy aplikacyjne wynikają z łatwości
przeprowadzania
procesów
przekształcania
grupy
borylowej,
sililowej
bądź
germylowej
borylometaloidobutadienu w inne grupy funkcyjne. Co więcej, jednoczesna niesymetryczna
funkcjonalizacja buta-1,3-dienów grupami borylowymi i sililowymi (lub germylowymi) otwiera
możliwość selektywnego zastąpienia jednej z tych grup z pozostawieniem niezmienionej drugiej,
co stwarza perspektywę jej dalszej modyfikacji poprzez funkcjonalizację w innym procesie
syntetycznym. Obecnie najintensywniejszy rozwój przeżywają badania katalitycznych przemian
z udziałem tego typu związków metaloidoorganicznych.
Doniesienia literaturowe przedstawiają liczne drogi syntezy borylobutadienów (Schemat 2.).
Znacznie mniej jest danych odnoście możliwości pozyskania borylometaloidobutadienów (Schemat 2.).
Schemat 2. Drogi syntezy 1-borylo-1,3-dienów (schemat po stronie lewej oraz 1-borylo-4-metaloidobuta-1,3-dienów (schemat
po stronie prawej).
Przedstawione toki syntetyczne są to w większości procesy wieloetapowe, często niemożliwe
do przeprowadzenia tzw. metodą „one-pot”, jak również cechujące się niską selektywnością procesu oraz
prowadzące przeważnie do uzyskania mieszaniny izomerycznych produktów. Stosowane w nich reagenty
nie są przeważnie odczynnikami komercyjnie dostępnymi. Przedstawiona na schemacie 3 odkryta
na zakładzie prof. Marcińca reakcja kodimeryzacji winyloboranów z terminalnymi alkinami
i sililoalkinami, z wyjątkiem fenyloacetylenu, prowadzi w obecności kompleksów zawierających
310
BioOrg 2015
wiązanie Ru-H (w szczególności [RuH(CO)Cl(PCy3)2]) do otrzymania dwóch izomerów borylo-,
borylosililo- borylogermylopodstawionych buta-1,3-dienów - w zdecydowanej przewadze związku
o geometrii wiązań (1E),(3E) [2-4]. Do zalet tej metody należy otrzymywanie borylo- oraz
borylo(sililo)buta-1,3-dienów a także borylo(germylo)buta-1,3-dienów przy niewielkiej ilości użytego
katalizatora, jej jednoetapowość oraz wysoka selektywność procesu.
Schemat 3. Reakcja kodimeryzacji winyloboranów z terminalnymi alkinami.
Badania mechanistyczne w oparciu o teorię funkcjonału gęstości (DFT) etapu insercji
fenyloacetylenu oraz etynylocykloheksanu do kompleksu [Ru]-H potwierdziły brak postępu reakcji
kodimeryzacji fenyloacetylenu z winyloboranami i bierność tego reagenta w procesie sililującego
sprzęgania winylosilanu (Schemat 4. oraz Wykres 1.).
Schemat 4. Badany etap insercji z fenyloacetylenu oraz etynylocykloheksanu do komleksu rutenu(II).
Wykres 1. Profil energetyczny insercji (niebieska linia opisuje insercję fenyloacetylenu, czerwona etynylocykloheksanu).
Uzyskane wyniki wykazały duży udział orbitali atomowych węgli pierścienia aromatycznego
w tworzeniu orbitalu molekularnego obejmującego całą cząsteczkę. Ma to istotny wpływ na stabilizację
całego układu.
311
BioOrg 2015
Ta praca została wykonana w ramach grantu Narodowego Centrum Nauki (Polska) Maestro nr.
UMO-2011/02 / A / ST5 / 00472. Badania był wykonywane przy wykorzystaniu infrastruktury PL-Grid.
Literatura:
[1] a) T, Hayashi, K. Yamasaki (2003) Chem. Rev., 103: 2829-2844; b) A. P. Lightfoot, S. J. R. Twiddle, A. Whiting (2005)
Org. Biomol. Chem., 3: 3167-3172; c) J. Uenishi, K. Matsui, A. Wada (2003) Tetrahedron Lett., 44: 3093-3096; d) J. Cornil,
A. Guérinot , J. Cossy (2015) Org. Biomol. Chem., 13: 4129-4142; e) M. E. Welker (2008) Tetrahedron, 64: 11529–11539
[2] J. Walkowiak, M. Jankowska-Wajda, B. Marciniec (2008) Chem. Eur. J., 14: 6679-6686.
[3] J. Pyziak, J. Walkowiak, M. Hoffmann, B. Marciniec (2015) J. Mol. Catal. A: Chem., 396: 239-244.
[4] J. Pyziak, J. Walkowiak, M. Hoffmann, B. Marciniec (2015) J. Organomet. Chem., 794: 96-103.
312
BioOrg 2015
CHEMIA ORGANICZNA
POSTERY
313
BioOrg 2015
SYNTEZA O- I N-ALKILO PIRYDYNOAMIDOKSYMÓW
Przemysław Aksamitowski1*, Irmina Wojciechowska1, Aleksandra Wojciechowska1,
Karolina Wieszczycka1, Grzegorz Framski2
1
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Zakład Chemii Organicznej, Politechnika Poznańska,
2
Instytut Chemii Bioorganicznej, Zakład Chemii Kwasów Nukleinowych, Polska Akademia Nauk, ul. Z. Noskowskiego 12/14
61-704 Poznań
Rozwój społeczno-ekonomiczny współczesnego świata wymusza na przemyśle syntezy
organicznej produkcję związków chemicznych, które spełniałyby określone właściwości, a ich synteza
byłaby ekonomicznie opłacalna. Podczas syntezy związków organicznych bardzo ważny jest dobór
optymalnych warunków procesu, które zapewnią wysoką wydajność i czystość otrzymanego produktu,
a także uwzględnią ekonomiczny aspekt całego procesu. Grupą związków organicznych znajdujących się
w obrębie zainteresowań przemysłu chemicznego są amidoksymy. Ważnym zastosowaniem tych
związków stanowiło wykorzystanie ich, jako odczynniki kompleksujące jony metali w celu ich
analitycznego oznaczania [1]. Ta cecha pozwoliła wysnuć wniosek, że mogą sprawdzić się one również
w roli ekstrahentów.
Celem badań była synteza i modyfikacja pirydynoamidoksymów w nowe pochodne
o spodziewanych właściwościach ekstrakcyjnych. Syntezowane pirydynoamidoksymy zawierają grupę
O- lub N-alkilową: prostą (oktylową) lub rozgałęzioną (2-etyloheksylową). Zastosowana metoda
otrzymywania O-alkilo pochodnych polega głównie na reakcji soli sodowej lub potasowej
pirydynoamidoksymu z halogenkiem alkilu (synteza eterów Williamsona) i prowadzi do mieszaniny
produktów (w tym również N-alkilo), która jest rozdzielana za pomocą destylacji próżniowej. Typowa
synteza N-alkilo pochodnych jest bardziej skomplikowana i polega w pierwszym etapie na otrzymaniu
odpowiedniej amidyny [2], a następnie przeprowadzenia reakcji oksymowania za pomocą
hydroksyloaminy. W przypadku O-alkilo pochodnych rozpuszczalnikami zastosowanymi podczas
syntezy były etanol oraz izopropanol, natomiast przy syntezie N-alkilo pochodnych wykorzystano
DMSO, DMF oraz dichlorometan (Rysunek 1).
314
BioOrg 2015
N
NH2OH.HCl/ NaHCO3
C
N
OH
C
EtOH/i-PrOH
N
NH
R-NH2/AlCl3
DMSO/DMF/dichlorometan
N
NH2OH.HCl/NaOH
N
NH R
R
I
NH2
N
C
O
C
EtOH/i-PrOH
NH2
N
N
R-X/NaOH
OH
C
EtOH/i-PrOH
N
II
NH R
Rysunek 1. Schemat syntezy O-alkilo (i) oraz N-alkilo (ii) pirydynoamidoksymu
z cyjanopirydyny. R=alkil (oktyl, 2-etylheksyl) X = halogenek (chlor, brom).
Niska wydajność i kłopotliwe wydzielenie właściwego produktu z mieszaniny wymusiło
zaproponowanie modyfikacji, dzięki której reakcja O-alkilowania przebiegała szybciej i wydajniej.
Zmiana polegała na zastąpieniu halogenku alkilu tosylanem alkilu. Zabieg ten poprawił wydajność
reakcji oraz ograniczył ilość produktów ubocznych. Tak jak w przypadku O-alkilowania, N-alkilowanie
wg metody przedstawionej na rysunku 1 nie okazało się zbyt wydajne. W tym przypadku należało
całkowicie zmienić strategię. Wykorzystując dostępne odczynniki został zaproponowany następujący
cykl reakcji [3,4] (Rysunek 2):
O
C
N
H
N
NH2OH.HCl/ NaHCO3
OH
N
NCS/NBS/SOCl2
C
C
EtOH/i-PrOH
DMF
H
N
OH
N
N
OH
X
R-NH2
C
N
NH R
NaOH
Rysunek 2. Schemat syntezy N-alkilo pirydynoamidoksymu z pirydynokarboaldehydu
W wyniku przeprowadzonych syntez otrzymaliśmy 12 nowych związków z różnymi
wydajnościami (od 30 do 92%, w zależności od obranej drogi syntezy), które będą badane pod kątem
właściwości ekstrakcyjnych. Wszystkie reakcje były kontrolowane przy wykorzystaniu chromatografii
cienkowarstwowej TLC. Struktury otrzymanych związków zostały potwierdzone za pomocą widm UV,
IR oraz NMR (1H oraz 13C).
Pracę sfinansowano ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na działalność statutową
Wydziału Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej 03/32/DSMK/0520.
315
BioOrg 2015
Literatura:
[1] F. Eloy, R. Lenaers (1962) The chemistry of amidoximes and related compounds, Chemical Reviews 62(2):155-183,
[2] A. Ashraf, A. Nour El-Din, A. M. Nour El-Din (2008) Functionality of amidines and amidrazones, ARKIVOC (I):153-194,
[3] D. N. Nicolaides, E. A. Varella (1992), The chemistry of amidoximes, w: S. Patai, The chemistry of acid derivatives.
Volume 2, John Wiley & Sons, Chichester,
[4] L. I. Belen’kii (2008), Nitrile Oxides, w: H. Feuer, Nitrile oxides, nitrones & nitronates in organic synthesis: novel
strategies in synthesis. Second edition, John Wiley & Sons, New Jersey.
316
BioOrg 2015
ZASTOSOWANIE POLIMEROWYCH MEMBRAN INKLUZYJNYCH DO
WYDZIELANIA JONÓW CYNKU(II) I ŻELAZA(II) Z ROZTWORÓW
CHLORKOWYCH
Monika Baczyńska*, Martyna Rzelewska, Magdalena Regel-Rosocka, Maciej Wiśniewski
Politechnika Poznańska, Wydział Technologii Chemicznej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, ul.
Berdychowo 4, 60-965 Poznań
Praca przedstawia wyniki badań dotyczących możliwości zastosowania trzech fosfoniowych
cieczy
jonowych:
chlorku
triheksylo(tetradecylo)fosfoniowego
(Cyphos
IL
101),
bis(2,4,4-trimetylopentylo)fosfinianu triheksylo(tetradecylo)fosfoniowego (Cyphos IL 104) oraz chlorku
tributylo(teradecylo)fosfoniowego (Cyphos IL 167) jako przenośników jonów Zn(II) i Fe(II) przez
polimerowe membrany inkluzyjne. Stwierdzono, że zastosowane przenośniki są skutecznymi
przenośnikami jonów Zn(II). W przypadku transportu jonów Fe(II) odnotowano zdecydowanie niższą
skuteczność transportu.
Zwiększenie świadomości ekologicznej w zakresie ochrony środowiska spowodowało wzrost
zainteresowania membranowymi technikami separacji w tym ciekłymi membranami. Najnowszym
rodzajem membran ciekłych są membrany formowane techniką wylewania roztworu zawierającego
polimerową matrycę, przenośnik jonów oraz plastyfikator. Membrany takie zwane polimerowymi
membranami inkluzyjnymi PIM (Polymer Inclusion Membranes) mogą stanowić alternatywę dla
pozostałych typów membran ciekłych, gdyż charakteryzują się zdecydowanie większą wytrzymałością
mechaniczną. W czasie formowania polimerowej membrany inkluzyjnej ma miejsce proces fizycznej
immobilizacji (unieruchomienia) przenośnika jonów w polimerowej membranie [1, 2]. Współcześnie
membrany te znajdują zastosowanie w procesach transportu m.in.; metali szlachetnych, metali
alkalicznych, lantanowców, aktynowców, metali
ciężkich [2-5]. Fosfoniowe ciecze
jonowe
z powodzeniem znalazły zastosowanie jako przenośniki jonów Zn(II), Fe(II), Fe(III) z chlorkowych
roztworów wodnych [3-5].
Celem niniejszej pracy jest porównanie skuteczności transportu jonów Zn(II) i Fe(II) przez
polimerowe membrany inkluzyjne z wykorzystaniem fosfoniowych cieczy jonowych jako przenośników
jonów metali.
Preparatyka
membran:
triheksylo(tetradecylo)fosfoniowy
Trzy
(Cyphos
fosfoniowe
IL
101),
ciecze
jonowe,
chlorek
bis(2,4,4-trimetylopentylo)fosfinian
triheksylo(tetradecylo)fosfoniowy (Cyphos IL 104) oraz chlorek tributylo(teradecylo)fosfoniowy
(Cyphos IL 167) (Cytec Ind. Inc., USA) zastosowano jako przenośniki Zn(II) i Fe(II) przez PIM. Rolę
polimerowej matrycy pełnił trioctan celulozy (CTA), zaś plastyfikatora eter o-nitrofenylooktylowy
317
BioOrg 2015
(NPOE). Poszczególne substancje wchodzące w skład membrany rozcieńczono dichlorometanem, a
następnie taką mieszaninę wylewano na szalki Petriego i pozostawiono do odparowania rozpuszczalnika.
Roztwór fazy zasilającej zawierał: 0,1 g/dm3 Zn(II) i 0,1 g/dm3 Fe(II); 0,58 M HCl, 5 M Cl-. Jako fazę
odbierającą zastosowano 1 M H2SO4.
Transport Zn(II) i Fe(II) przez PIM: Gotową membranę umieszczono w module membranowym typu
sandwich, składającym się z dwóch jednakowych komór, pomiędzy którymi umieszczona była
membrana. Roztwory faz wodnych znajdowały się w kolbach stożkowych, a następnie zasilano nimi
w sposób ciągły w obiegu zamkniętym obie komory. W trakcie procesu pobierano w określonych
odstępach czasu po 1 cm3 każdej z faz w celu określenia stężenia jonów Zn(II) i Fe(II) za pomocą
atomowej spektroskopii absorbcyjnej.
Transport jonów Zn(II) i Fe(II) przez PIM przedstawiono na rysunku 1 jako zmianę stężenia
jonów metali w fazie zasilającej i odbierającej.
a) Zn(II)
b) Fe(II)
Rysunek 1. Zmiana stężenia jonów Zn(II) i Fe(II) w fazie zasilającej (■) i odbierającej (●) w wyniku transportu przez
membrany zawierające 55% CTA, 40% IL 101, 5% NPOE.
W przypadku transportu jonów Fe(II) przez PIM obserwuje się niewielką skuteczność przenoszenia
jonów metalu z fazy zasilającej do odbierającej. Po upływie 72 godzin wyekstrahowano niewiele ponad
30% początkowej ilości jonów Fe(II). W przypadku transportu Zn(II) przez polimerową membranę
inkluzyjną odnotowano zdecydowanie wyższą skuteczność transportu.
Dodatkowo, w celu zobrazowaniu wpływu zastosowanego przenośnika do przenoszenia jonów
Zn(II) i Fe(II) na rysunku 2. przedstawiono wyniki procentu ekstrakcji (% E) oraz współczynnika
odzysku (RF). Wartość procentu ekstrakcji (E) oraz współczynnika odzysku (RF) obliczono na podstawie
następujących wzorów:
E
RF
c0 c
100 %
c0
(1)
cs
100 %
c0
(2)
318
BioOrg 2015
c0 – początkowe stężenie jonów metalu w fazie zasilającej (M), c- stężenie jonów metalu w fazie
zasilającej po czasie t (M), cs- stężenie jonów metalu w fazie odbierającej po 48 godzinach (M), t- czas
trwania procesu (s)
a) Zn(II)
b) Fe(II)
Rysunek 2. Porównanie wartości procentu ekstrakcji (■) oraz współczynnika odzysku (□) jonów Zn(II)
i Fe(II) przez PIM o składzie: 55% CTA, 40% IL 101, 5% NPOE.
Najwyższe wartości procentu ekstrakcji oraz współczynnika odzysku odnotowano w przypadku
transportu Zn(II) przez membranę, która w swoim składzie zawierała Cyphos IL 104 (wartości E i RF
ponad 90%). Równie skuteczny transport Zn(II) odnotowano przez membrany zawierające jako
przenośnik Cyphos IL 101. W przypadku transportu jonów Fe(II) najwyższą skuteczność transportu
odnotowano dla membran zbudowanych z Cyphos IL 104 jednak wartości te nie przekraczają 40%.
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że zastosowane jako przenośniki
fosfoniowe ciecze jonowe są skutecznymi przenośnikami jonów Zn(II) przez polimerowe membrany
inkluzyjne. Transport jonów Fe(II) przez PIM był zdecydowanie mniej skuteczny. Najwyższą
skuteczność uzyskano w przypadku transportu Zn(II) przez PIM zawierające jako przenośnik
Cyphos IL 104.
Praca wykonana w ramach grantu 03/32/DS-PB/0501.
Literatura:
[1] M. Bodzek, J. Bohdziewicz, K. Konieczny (1997) Techniki membranowe w ochronie środowiska, Wydawnictwo
Politechniki Śląskiej, Gliwice
[2] L. D. Nghiem, P. Mornane, I. D. Potter, J. M. Perera, R. W. Catrall, S. D. Kolev (2006) Extraction and transport of metal
ions and small organic compounds using polymer inclusion membranes (PIMs), Journal of Membrane Science 281
[3] M. Baczyńska, M. Regel-Rosocka, M. Wiśniewski (2013) Zastosowanie polimerowych membran inkluzyjnych w procesie
transportu jonów metali, Przemysł Chemiczny 92(6) 928-935
[4] M. Baczyńska, M. Regel-Rosocka, M. Nowicki, M. Wiśniewski (2015) Effect of the structure of polymer inclusion
membranes on Zn(II) transport from chloride aqueous solutions, Journal of Applied Polymer Science 132:42319
[5] M. Baczyńska, M. Rzelewska, M. Regel-Rosocka, M. Wiśniewski (2015) Transport of iron ions from chloride solutions
using cellulose triacetate matrix inclusion membranes with an ionic liquid carriers, Chemical Papers, DOI: 10.1515/chempap2015-0198
319
BioOrg 2015
MODYFIKOWANE, MOSTKOWANE TRIANGLAMINY – NOWE
PREKURSORY MATERIAŁÓW POROWATYCH, CHIRALNYCH
SELEKTORÓW I LIGANDÓW
Mateusz Bardziński*, Paweł Skowronek
Pracownia Stereochemii Organicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu,
Modyfikacja trianglaminy poprzez podstawienie protonów związanych z atomem azotu skutkuje
przeważnie zwiększeniem mobilności konformacyjnej makrocykla, a tym samym trudnościami
w interpretacji widm NMR i krystalizacji. Mostkowanie trianglaminy za pomocą paraformaldehydu
prowadzi do otrzymania makrocykla z trzema mostkami metylenowymi, co częściowo usztywnia
strukturę, przez co w ciele stałym obserwuje się tworzenie kanałów, do których może wnikać
rozpuszczalnik. Powstaje trwały materiał porowaty, w którym po usunięciu rozpuszczalnika kanały
zostają zachowane a struktura nie zapada się. W zależności od rozpuszczalnika użytego do krystalizacji
otrzymuje się kryształy o zróżnicowanych parametrach i stechiometrii gość-gospodarz.
320
BioOrg 2015
Poprzez
wprowadzenie
do
pierścienia
aromatycznego
makrocykla
podstawników
o zróżnicowanych rozmiarach i właściwościach chemicznych (m.in. Br, CN, NO2, Ar), można sterować
powinowactwem wnęki makrocyklicznej i jednocześnie kontrolować wielkość tworzących się w ciele
stałym kanałów. Dodatkowo, użycie niesymetrycznego dialdehydu do syntezy trianglamin może
zmieniać stereoselektywność reakcji makrocyklizacji – produkt cyklokondensacji może charakteryzować
się symetrią C3 lub C1, podczas gdy symetrycznych dialdehydów maksymalna symetria to D2. Celem
projektu jest synteza biblioteki związków makrocyklicznych na bazie trianglaminy, modyfikowanych
w części aldehydowej, mostkowanie ich oraz poddanie badaniom strukturalnym.
Literatura:
[1] J. Gawroński et al. (2006) Trianglamines—Readily Prepared, Conformationally Flexible Inclusion-Forming Chiral
Hexamines Chem. Eur. J. 12:1807-1817
321
BioOrg 2015
FUNKCJA OCHRONNA GRUPY TRYTYLOWEJ
W CHEMII SUPRAMOLEKULARNEJ
Wioletta Bendzińska-Berus*, Urszula Rychlewska
Zakład Krystalografii, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań
Grupa trytylowa (trifenylometylowa) znana jest powszechnie jako grupa ochronna
w syntezie organicznej[1], natomiast dotychczas niezbadane pozostają jej właściwości blokujące na
poziomie supramolekularnym. Wynikają one z faktu, że duża objętościowo grupa trytylowa może
hamować
uczestnictwo
sąsiadujących
z
nią
grup
funkcyjnych
w
oddziaływaniach
międzycząsteczkowych, a więc pełnić rolę grupy ochronnej w chemii supramolekularnej. Ponadto,
wystąpienie zawady przestrzennej na poziomie molekularnym niejednokrotnie przekłada się na trudności
z efektywnym upakowaniem cząsteczek w krysztale. Równoległe badania obu tych zjawisk
przeprowadzono na grupie chiralnych trytyloacetamidów oraz bis-trytyloacetamidów. Badane związki
zostały zsyntezowane w Pracowni Stereochemii Organicznej Wydziału Chemii UAM kierowanej przez
dr. hab. Marcina Kwita [2].
W wystąpieniu zaprezentowany zostanie sposób upakowania w krysztale przez cząsteczki
charakteryzujące się znacznym zatłoczeniem przestrzennym i jednakową chiralnością. Określony też
zostanie stopień zaangażowania grupy amidowej w oddziaływania wewnątrz- i międzycząsteczkowe.
Dotychczasowe badania wykazały, że w grupie bis-trytyloacetamidów obecność grup trytylowych
przyłączonych do sztywnego szkieletu cykloheksanu w pozycji 1,2 prowadzi do generowania luk
strukturalnych o dostatecznie dużej objętości, by pomieścić cząsteczki rozpuszczalnika. Na podstawie
badań strukturalnych i analizy termicznej stwierdzono obecność kompleksów gość/gospodarz w stosunku
1:1, 2:1 oraz 1:1:1. Co znamienne, nie udało się, jak dotychczas, otrzymać kryształów
jednoskładnikowych.
Literatura:
[1] P. G. M. Wuts, T. W. Greene (2007) Greene's Protective Groups in Organic Synthesis (4th ed.), Wiley, Canada
[2] N. Prusinowska, W. Bendzińska-Berus, J. Szymkowiak, B. Warżajtis, J. Gajewy, M. Jelecki, U. Rychlewska M. Kwit
(2015) Double helicity induction in chiral bis(triphenylacetamides) RSC Advances 5:83448-83458
322
BioOrg 2015
CHARAKTERYSTYKA SPEKTROSKOPOWA SONDY OPARTEJ NA
STRUKTURZE I-MOTYWU Z WBUDOWANYM FLUORESCENCYJNYM
ANALOGIEM 1,3-DIAZO-2OKSOFENOTIAZYNĄ
Patrycja Bielecka*, Bernard Juskowiak
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Chemii, Pracownia Chemii Bioanalitycznej
I-motywem (i-tetrapleksem) nazywamy czteroniciową strukturę DNA złożoną z sekwencji
oligonukleotydowej bogatej w cytozyny. Warunkiem powstania i-tetrapleksu jest obniżenie wartości pH,
w wyniku czego tworzą się pary cytozyna-cytozyna+ stabilizujące ową strukturę [1-3]. Punktem przejścia
pojedyncza nić → i-motyw przypada w przedziale wartości pH od 5,5 do 6,5 w zależności od sekwencji
oligonukleotydu [4-5]. Jak wiadomo środowisko o odczynie kwasowym stwarza dogodne warunki
formowania i-motywów, jednak ich dokładniejszą charakterystykę układu wymaga dodatkowe
znakowanie. W niniejszych badaniach skoncentrowano się na wykorzystaniu fluorescencyjnego analogu
cytozyny 1,3-diazo-2-oksofenotiazynę (tC) [6]. Zaletą stosowania analogu jest przede wszystkim
możliwość włączenia analogu w środku łańcucha oligonukleotydowego (para C-C+ czy też pętla
i-motywu), a nie tylko na jego końcach.
W celu monitorowania procesu formowania się i-motywu wykorzystana została fluorescencja
analogu cytozyny (tC). Charakterystyka badanych układów obejmuje również rejestracja widm absorpcji
UV-Vis oraz dichroizmu kołowego (CD). Ocenę trwałości utworzonego i-motywu umożliwiło
wyznaczenie wartości temperatur topnienia z profili temperaturowych zmierzonych w zakresie
temperatur 10-90˚C. Dodatkowo naprzemienne dodatki jonów H+ oraz OH- pozwoliły ocenić
odtwarzalność pracy zaprojektowanego układu sensorowego oraz jego czułość.
Rysunek 1. Idea działania sondy oparta na strukturze i-motywu znakowana
fluorescencyjnym analogiem cytozyny tC.
323
BioOrg 2015
Literatura:
[1] C. Kang, I. Berger, C. Lockshin, R. Ratliff, R. Moyzis, A. Rich (1994) Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 91:11636–11640
[2] J. L. Leroy, M. Gueron, J. L. Mergny, C. Helene (1994) Nucleic Acids Res. 22:1600-1606
[3] J. L. Leroy, M. Gueron (1995) Structure 3: 101-120
[4] N. Escaja, Ju. Viladoms, M. Garavı´s, A. Villasante, E. Pedroso, C. Gonza´lez (2012) Nucleic Acids Research 40:11737–
11747
[5] A. Dembska, P. Rzepecka, B. Juskowiak (2013) J. Fluoresc. 23:807–812
[6] L. M. Wilhelmsson, A. Holmen, P. Lincoln, P. E. Nielsen, B. Norden (2001) J. Am. Chem. Soc. 123:2434-2435.
324
BioOrg 2015
UTLENIANIE ALKOHOLI PIERWSZO- I DRUGORZĘDOWYCH KOMPLEKSAMI
ŻELAZA W UKŁADZIE TERPIRYDYNOWYM
A.Bocian, A. Gorczyński, M. Zaranek, P. Pawluć, V.Patroniak
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza ul. Umultowska 89B 61-614 Poznań, Wydział Chemii
Reakcje katalityczne pozwalają przyspieszać procesy chemiczne. Alkohole można utleniać
stosując różnego rodzaju katalizatory [1], między innymi: żelazowe [2,3] czy manganowe [4]. Oprócz
nich ważną rolę w układach reakcyjnych spełniają utleniacze oraz rozpuszczalniki organiczne [5].
Stosowane reagenty wchodzą w skład systemu katalizującego i w zależności od ich doboru można
otrzymać różne wyniki stopnia konwersji alkoholi.
Badania katalityczne przeprowadzono z użyciem cyklopentanolu i 1-fenyloetanolu. Katalizatorem
stosowanym w tym procesie był [FeLCl(µ-O)FeCl3], gdzie L: 6,6”-dimetylo 2,2’;6,2”-terpirydyna.
W testach katalitycznych utleniaczami były: t-BuOOH, mCPBA, H2O2. Po przeprowadzeniu
reakcji zmierzono stopień konwersji za pomocą GC/MS Otrzymany wynik porównywano z stopniem
konwersji z następnego dnia.
Tabela 1.
Przeprowadzone badania i otrzymane wyniki pokazują, że stosowanie różnych utleniaczy ma
wpływ na wartość stopnia konwersji. Rozszerzeniem projektu będzie przeprowadzenie badań z użyciem
alkoholi alifatycznych i aromatycznych.
Badania przeprowadzono w ramach projektu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego:
Grant nr 0111 / DIA / 2012 / 41 w ramach programu „Grantu Diamentowego''.
Literatura:
[1] J.H. Han, S.K. Yoo, J.S. Seo, S.J. Hong, S.K. Kim, C. Kim (2004) Dalton Trans. 402-404
[2] M.T. Raisanen, A. Al.-Hunaiti, E. Atosuo, M. Kemell, M. Leskela, T. Repo (2014) Cat. Sc. & Technology
[3] B.M. Peterson, M.E. Herried, R.L. Neve, R.W. McGaff (2014) Dalton Trans.
[4] P. Shejwalkar, N.P. Rath, E.B. Bauer (2011) Dalton Trans. 7617, 7619, 7626
[5] J.W. Shin, J.W. Bae, C. Kim, K.S. Min (2011) Dalton Trans. 4001, 4004, 4006
325
BioOrg 2015
NATURALNY SORBENT JAKO DOSKONAŁY MATERIAŁ DO WYDZIELANIA
I ZATĘŻANIA DODEKANOLU I OKSYETYLENOWANYCH ALKOHOLI
Martyna Caban*, Joanna Zembrzuska, Irena Budnik
Wydział technologii Chemicznej, Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Zakład Chemii Ogólnej i Analitycznej,
Politechnika Poznańska, ul Berdychowo 4, 60-965 Poznań
W dzisiejszych czasach kładzie się coraz większy nacisk na ekologię, w związku z czym
używane są produkty, które są nieszkodliwe, często wielorazowego użytku, a ich odpady są
biodegradowalne. W dziedzinie sorbentów pojawił się trend używania produktów, które są tanie
i bezpieczne dla środowiska, czyli tzw. sorbentów „lowcost”.
Ziemia okrzemkowa, (diatomit) składa się z 87-91% tlenku krzemu (SiO2) z niewielkim
dodatkiem tlenku glinu (Al2O3) i tlenku żelaza (Fe2O3) [1]. W związku ze specyficznymi właściwościami
(porowata struktura, wysoka zawartość krzemu, niska gęstość, niski współczynnik przewodnictwa, itp.)
[1] znalazła ona wiele zastosowań, takich jak: medium do filtracji, adsorbent [2], medium izolacyjne,
jako nośnik lub wsparcie reakcji katalizy i naturalny środek owadobójczy lub chroniący ziarna zbóż [3].
Zauważono, że ziemia okrzemkowa ma doskonałe właściwości adsorpcyjne. Zawdzięcza je właśnie
swojej mikroporowatej strukturze. Dlatego jednym z jej zastosowań jest użycie jako adsorbentu dla
cieczy, takich jak: kwasy, płynne nawozy, oleje, woda i alkohole [1].
Ziemia okrzemkowa jako adsorbent posiada niezwykle cenne zalety: niskie koszty, przyjazna dla
środowiska, możliwość wykorzystania odpadu z przemysłu browarniczego (stosowana jest do filtracji
piwa).
Celem pracy było sprawdzenie czy ziemia okrzemkowa jest dobrym sorbentem do wydzielania
i zatężania homogenicznych oksyetylenowanych alkoholi zwierających od 1 do 9 grup oksyetylenowych
w cząsteczce (C12EO1-9) i dodekanolu (C12OH). Proces wydzielania i zatężania kontrolowano techniką
chromatografii cieczowej połączonej z tandemową spektrometrią mas (LC-MS/MS).
W celu sprawdzenia właściwości sorpcyjnych ziemi okrzemkowej przeprowadzono serię
eksperymentów. Wykorzystano komercyjnie dostępną ziemię okrzemkowa typu F50 wyprodukowaną
przez LB Materials (Czechy). Po osuszeniu materiału napełniono nią kolumienki do ekstrakcji do fazy
stałej (SPE). Masa złoża w kolumience wynosiła 500 mg. Do wymycia zatrzymanych analitów
wykorzystano 3 rozpuszczalniki organiczne: chloroform, metanol i octan etylu. Adsorpcję
przeprowadzono dla przygotowanych wodnych roztworów modelowych, w których stężenie każdego
z homologów oksyetylenowanych alkoholi i wolnego alkoholu wynosiło 0,5 µg/50 mL. Ekstrakcję
przeprowadzono według procedury składającej się z następujących kroków: kondycjonowanie złoża przemycie kolumienki 5 mL rozpuszczalnika; przemycie złoża 5 mL wody destylowanej; adsorpcja
326
BioOrg 2015
analitów; przemycie złoża 5 mL wody destylowanej; suszenie złoża przez 30 min; elucja analitów 5 mL
rozpuszczalnika.
Uzyskane wyniki (Rysunek 1) wskazują, że ziemia okrzemkowa jest dobrym sorbentem
badanych analitów. Świadczą o tym odzyski poszczególnych związków. Rozpatrując użyte do elucji
zaadsorbowanych surfaktantów oraz wolnego alkoholu rozpuszczalniki zauważono iż związki
hydrofobowe skuteczniej wymywane są rozpuszczalnikiem hydrofobowym. Dlatego też elucja
chloroformem daje odzyski ok. 100% tylko dla wolnego alkoholu i C12EO1-C12EO3. Wzrost długości
łańcucha oksyetylenowanego w cząsteczce oksyetylatu, a zatem wzrost hydrofobowości analitu
powoduje drastyczny spadek odzysku przy użyciu tego eluentu. Odwrotną sytuację obserwuje się dla
metanolu jako eluentu. W tym przypadku wraz ze wzrostem hydrofilowości związku (wzrostu długości
łańcucha oksyetylenowanego w cząsteczce surfaktantu) wartości odzysku rosną, uzyskując wartości
powyżej 97% dla C12EO4 – C12EO9.
Rysunek 1. Odzyski oksyetylenowanych alkoholi oraz wolnego alkoholu dla modelowego roztworu wodnego uzyskane
dla kolumienek z ziemią okrzemkową
Z trzech badanych eluentów najmniej odpowiednim okazał się octan etylu. Odzyski dla tego
rozpuszczalnika kształtują się od ok. 48% (C12EO9) do ok. 96% (C12EO3).
Zaprezentowane dane uzyskane dla metanolu i chloroformu jako eluentu sugerują zastosowanie
obu tych rozpuszczalników do elucji zaadsorbowanych oksyetylatów oraz wolnego alkoholu z jednej
kolumienki SPE wypełnionej ziemią okrzemkową. Badania w tym kierunku będą dalej prowadzone.
327
BioOrg 2015
Literatura:
[1] K. R. Engh, M. Howe-Grant, Kirk-Othmer (1993) Encyclopedia of chemical Technology, Vol 8, fourt edition. Willey, New
York
[2] M. A. Ai-Ghouti, M. A. M. Khraisheh. S. J. Allen, M. N. Ahmad (2003) The removal of dyes from textile wastewater: a
study of the physical characteristics and adsorption mechanisms of diatomaceous earth, J. Environ. Mannage 69:229-238
[3] Z. Korunic (1998) Diatomaceous earths, a group of natural insecticides, Journal of Stored Products Research. 34:87-97
328
BioOrg 2015
SORBENTY POLIMEROWE IMPREGNOWANE CZWARTORZĘDOWYMI
SOLAMI PIRYDYNIOWYMI – OTRZYMYWANIE I ZASTOSOWANIE
Martyna Frąckowiak, Joanna Bornikowska, Karolina Wieszczycka, Aleksandra Wojciechowska
Zakład Chemii Organicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4,60-965 Poznań
Sorbent jest to rozdrobnione ciało porowate o znacznie rozwiniętej powierzchni właściwej, na
której zachodzi proces fizycznego wiązania cząstek – adsorpcja (na powierzchni sorbentu) i absorpcja
(wewnątrz porów), co w efekcie prowadzi do zatężenia pożądanej substancji [1]. Sorbenty dzielimy na
trzy podstawowe kategorie: sorbenty organiczne naturalne (tj. torf, słoma), nieorganiczne (tj. piasek, wata
szklana) oraz syntetyczne polimerowe (np.: otrzymywane metodą polimeryzacji suspensyjnej) [2,3].
Sorbenty polimerowe mimo wielu zalet takich jak: niska pracochłonność, wysoki uzyskiwany
stopień zatężenia i możliwość miniaturyzacji procesu, co pozwala na analizowanie próbek o ograniczonej
objętości, cechują się niską selektywnością wpływającą negatywnie na wydajność procesu [4].
Alternatywą dla klasycznych sorbentów są sorbenty impregnowane np.: substancją kompleksującą (SIRs
– Solvent Impregnated Resins), które charakteryzują się zwiększoną zdolnością do selektywnego
rozdziału analitów.
Koncept SIRs oparty jest na włączeniu substancji o silnych właściwościach kompleksujących
(ekstrahenty o właściwościach kwasowych, zasadowych lub chelaty) do porowatej matrycy polimerowej
za pomocą technik impregnacji fizycznej. Impregnacja sorbentów polimerowych została stworzona z
myślą połączeniu zalet ekstrakcji ciecz-ciecz z wymianą jonową. Główną zaletą impregnacji sorbentów
polimerowych jest uniwersalność tego procesu, ponieważ możliwe jest uzyskanie szerokiej gamy
materiałów sorpcyjnych, dopasowanych do poszczególnych roztworów mieszanin analitów z
zastosowaniem różnych kombinacji nośników polimerowych i ekstrahentów [5]. Dodatkowym atrybutem
tego procesu jest łatwość usunięcia czynnika impregnującego i zastąpienia go innym bez uszkodzenia lub
wymiany sorbentu, natomiast wadą jest możliwością wymywania impregnatu w trakcie prowadzenia
procesu sorpcyjnego.
Rys.1 Schemat przygotowania SIRs
329
BioOrg 2015
Celem badań było przeprowadzenie procesu impregnacji wybranych sorbentów polimerycznych o
matrycy poli(styren-diwinylobenzen) i porównanie ich zdolności separacyjnej względem jonów
cynku(II). Do badań wybrano sorbenty: Sepabeads® SP850 i Diaion® HP-20 (Tabela 1), a jako czynniki
impregnujące zastosowano ekstrahenty z grupy czwartorzędowych soli pirydyniowych (chlorek 3undekanoilo-1-propylopirydyniowy
oraz
bromek
3-undekanoilo-1-propylo-pirydyniowy).
Proces
impregnacji prowadzono w acetonie stosując 5% udział substancji impregnującej. Badanie sorpcji jonów
Zn(II) prowadzono w kolbkach stożkowych o pojemności 100 cm3 (metoda statyczna). Do każdej z
kolbek wprowadzono 1g sorbentu oraz 50 cm3 roztworu wodnego zawierającego 100 mg/dm3 Zn(II), 2 i
4 mol/dm3 NaCl oraz 0.1 mol/dm3 HCl. Tak przygotowane kolbki mieszano w czasie od 1 do 240 min, a
następnie fazę wodną oddzielano i analizowano na zawartości metalu metoda ASA (Z8200, Hitachi).
Stopień wydzielenia jonów Zn(II) obliczono ze wzoru:
gdzie: Co - stężenia początkowe metalu w roztworze [mg/dm3], Ct - stężenie metalu w roztworze po
procesie sorpcji [mg/dm3].
Tabela 1. Właściwości fizykochemiczne wybranych do badań sorbentów.
Właściwości
Sorbent
Sepabeads® SP850
Diaion® HP-20
Producent
Supelco
Supelco
Struktura
Makroporowata
makroporowata
Matryca
styrenowo-
styrenowo-
diwinylobenzenowa
diwinylobenzenowa
jasnobrązowe
białe sferyczne
sferyczne ziarna
ziarna
Rozmiar ziarna [mm]
0,25-0,84
0,25-0,85
Powierzchnia [m²/g]
1000
500
Objętość porów [ml/g]
1,2
1,3
Postać fizyczna
330
BioOrg 2015
Otrzymane wyniki pozwoliły stwierdzić, iż sorbenty Diaion® HP-20 i Sepabeads® SP850
impregnowane
chlorkiem
3-undekanoilo-1-propylopirydyniowym
i
bromkiem
3-undekanoilo-1-
propylopirydyniowym wykazują dobre właściwości sorpcyjne względem jonów cynku(II). Przykładowo
sorbent Diaion® HP-20 impregnowany bromkiem 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowym, w zależności
od stężenia jonów cynku(II) w roztworze wodnym zawierającym 2M NaCl i 0,1M HCl, uzyskał 23 i 39%
stopień wydzielenia, a czas kontaktu faz niezbędny do osiągnięcia stanu równowagi wynosił od 5 do 15
minut.
W przypadku sorbentu Sepabeads® SP850 również impregnowanego bromkiem 3-undekanoilo1-propylopirydyniowym, stopień wydzielenia wynosił odpowiednio 23 i 45%, a czas kontaktu faz
niezbędny do osiągnięcia stanu równowagi wynosił 15-30 minut.
Rysunek 1. Diaion® HP-20 modyfikowany
bromkiem 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowym
Rysunek 2. Sepabeads® SP850 modyfikowany
bromkiem 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowym
Literatura:
[1] A. Nowak (2012) Bezpieczeństwo Środowiskowe: Badanie chłonności sorbentów, Skrypt do ćwiczeń, Katedra Technologii
Chemicznej, Politechnika Gdańska
[2] A. W. Trochimczuk (2003) Abstrakt Sorbenty polimerowe – synteza i właściwości, kolekcja BazTech, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej
[3] http://www2.epa.gov/emergency-response/sorbents
[4] P. P. Wieczorek (2005) Sorbenty i membrany polimerowe w przygotowaniu do analizy próbek środowiskowych i
biologicznych, Polimery, Tom L, Nr 6 (409-412)
[5] N. Kabay, J. L. Cortina, A. Trochimczuk, M. Streat (2010) Solvent-impregnated resins (SIRs) – Methods of preparation
and their applications, Reactive & Functional Polymers 70 (2010) 484-485
331
BioOrg 2015
NOWE FLUOROFORY PERYLENOWE – SYNTEZA, STRUKTURA
I WŁAŚCIWOŚCI FLUORESCENCYJNE
Marta Głodek1*, Anna Makal2, Janusz Zakrzewski1, Damian Plażuk1
1
Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii, Katedra Chemii Organicznej, ul. Tamka 12, 91-403 Łódź
2
Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii, ul. Pasteura 1, 02-093 Warszawa
Perylen 1 oraz jego pochodne są ważnymi związkami wykazującymi właściwości
fluorescencyjne znajdującymi zastosowania m.in. jako znaczniki fluorescencyjne, w OLED’ach (ang.
Organic Light-Emitting Diode), jako pigmenty. Pomimo szerokiego zakresu zastosowań pochodnych
perylenu, najważniejszą metodą syntezy pochodnych 1 są reakcje funkcjonalizowania N-alkilowych
diimidów perylenowych. Stosunkowo niewielkie zastosowanie mają reakcje substytucji elektrofilowej
perylenu, prowadzące do otrzymania jedynie 3- lub też mieszaniny 1- oraz 3-podstawionych perylenów.
Jedną z reakcji o szerokim zastosowaniu w syntezie pochodnych węglowodorów aromatycznych jest
reakcja acylowania Friedela-Craftsa prowadząca do odpowiednich ketonów, które następnie mogą zostać
wykorzystane do dalszych syntez.
W komunikacie zostaną zaprezentowane reakcje 1 z trifluorooctanami acylowymi,
generowanymi in situ z kwasów 2,3-αβ-nienasyconych oraz bezwodnika trifluorooctwoego w obecności
kwasu trifluorometanosulfonowego prowadzące do skondensowanych ketonów perylenowych. Ponadto
zostaną przedstawione wyniki badań strukturalnych oraz fotofizycznych zsyntezowanych nowych
fluoroforów perylenowych.
Rysunek 1. Schemat syntezy.
Badania sfinansowane ze środków NCN na podstawie decyzji DEC-2013/11/B/ST5/0107.
332
BioOrg 2015
SYNTEZA, ARCHITEKTURA I ZASTOSOWANIA CHIRALNYCH
KALIKSALENÓW
Natalia Gurlaga*, Małgorzata Petryk, Marcin Kwit
Zakład Stereochemii Organicznej, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu ,ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań
Kaliksaleny będące poliiminowymi makrocyklami, powstają na drodze [3+3] cyklokondensacji
pomiędzy enancjomerycznie czystym trans-1,2-diaminocykloheksanem a pochodnymi aldehydu
izoftalowego. [1,2] Metoda ich otrzymywania została opracowana przez zespół Gawrońskiego
i bazuje na koncepcji dynamicznej chemii kowalencyjnej (DCC). Odwracalna natura reakcji pozwala na
tzw. sprawdzanie błędów i ich korektę, poprzez zrywanie wiązań i formowanie nowych, aż do
osiągnięcia minimum energetycznego układu w stanie równowagi. [3,4,5] Otrzymane w ten sposób nowe
C3-symetryczne związki makrocykliczne charakteryzują się strukturą wazy, podobną do kaliksarenów.
[1,2] Ponadto, kaliksaleny zdolne są do tworzenia architektur strukturalnych wyższego rzędu,
utrzymywanych przez oddziaływania niekowalencyjne. Dwie sąsiadujące ze sobą cząsteczki
kaliksalenów mogą tworzyć ze sobą dimery typu gość-gospodarz lub kapsuły z inkluzją
rozpuszczalnika.[1]
Rozszerzenie biblioteki kaliksalenów o makrocykle otrzymywane na bazie enancjomerycznie
czystej stilbenodiaminy pozwala na dokładne zbadanie struktury i właściwości tych związków oraz na
poszukiwanie nowych zastosowań.
Literatura:
[1] M.Petryk, A. Troć, B. Gierczyk, W. Danikiewicz, M. Kwit (2015) Chem. Eur. J. 21: 10318-10321.
[2] M. Kwit, J. Gawroński (2003) Tetrahedron-Asymmetr 14 1303-1308;
[3] Y. Jin, Q. Wang, P. Taynton, W. Zhang (2014) Acc. Chem. Res. 47, 1575;
[4] Y. Jin, C. Yu, R. J. Denman, W. Zhang (2013) Chem. Soc. Rev. 42, 6634;
[5] S. J. Rowan, S. J. Cantrill, G. R. L. Cousins, J. K. M. Sanders, J. F. Stoddart (2002) Angew. Chem. Int. Ed. 41, 898-952.
333
BioOrg 2015
PRÓBA SYNTEZY SZKIELETU HAOUAMINY Z 2-PIRYDONÓW
Tomasz J. Idzik, Aleksandra Borzyszkowska, Łukasz Struk, Jacek G. Sośnicki*
1
Instytut Chemii i Podstaw Ochrony Środowiska, Zakład Chemii Organicznej,
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Al. Piastów 42, 71-065 Szczecin
Haouamina A i B (schemat 1) to wyizolowane z osłonic żyjących na południowych wybrzeżach
Hiszpanii [1] siostrzane alkaloidy, które wykazują silne działanie przeciwnowotworowe. Szczególnie
interesujący jest alkaloid Haouamina A, który posiada wysoką aktywność i selektywność wobec komórek
raka jelita grubego linii HT-29 (IC50=0.1μg/ml) [1]. Związki te występują jako mieszaniny
nierozdzielających się izomerów przestrzennych. W swojej budowie posiadają ugrupowanie
indenotetrahydropirydynowe połączone z 11-częściowym układem paracyklofanu, który jest tak
naprężony, że jeden z pierścieni aromatycznych traci planarność by przyjąć konformację pseudołodziową
[1]. Połączenie takich cech jak aktywność przeciwnowotworowa oraz interesująca budowa powodują,
że ciągle podejmowane są próby syntezy tych alkaloidów. Niektóre trudności jakie napotkano w syntezie
ich pochodnych, związane są z otrzymaniem układu indenotetrahydropirydyny, który posiada z jednej
strony czwartorzędowe centrum chiralne, natomiast z drugiej strony wysoce naprężony układ azaparacyklofanowy.
Opracowano kilka metod syntezy totalnej alkaloidów z grupy Haouaminy, w ramach których
zaproponowano różne sposoby skonstruowania tricyklicznego układu indenotetrahydropirydyny
(Schemat 1). Na przykład Baran i Burns zastosowali reakcję bromocyklizacji przy użyciu 2,4,4,6tetrabromo-2,5-cykloheksadienonu (TBCO), wychodząc z podstawionego oksymu indan-2-onu [2].
Grupa badaczy z Niemiec, Stanów Zjednoczonych i Hiszpanii wykorzystała wewnątrzcząsteczkową
sprzężoną addycję pierścienia arylowego do α,β-nienasyconej pochodnej pirydyn-3-onu [3]. Furstner
i Ackerstaff wykorzystali wewnątrzcząsteczkową reakcję Hecka podobnego pirydyn-3-onu [4], natomiast
naukowcy z Japonii skorzystali z kaskadowej reakcji Mizoroki-Hecka układu acyklicznego [5]. Wśród
innych metod można wymienić wewnątrzcząsteczkową reakcję McMurry’ego [6] oraz różne podejścia
wykorzystujące reakcję Friedela – Craftsa [7] (Schemat 1).
Kontynuując własny program badań nad wykorzystaniem prostych prekursorów w syntezie
pochodnych alkaloidów oraz związków biologicznie czynnych, podjęliśmy próbę otrzymania
tricyklicznego szkieletu Haouaminy wychodząc z pochodnych 2-pirydonu. Pirydony, ze względu na ich
dużą dostępność oraz stosunkowo łatwą syntezę i funkcjonalizację, stają się coraz bardziej atrakcyjnym
źródłem pierścienia piperydyny w syntezie alkaloidów piperydynowych [8-12] i potencjalnie mogą być
również wykorzystane w syntezie pochodnych Haouaminy.
334
BioOrg 2015
Przedstawiona przez nas w niniejszym komunikacie strategia syntezy szkieletu Haouaminy opiera
się przede wszystkim na wprowadzeniu grupy benzylowej w pozycję C6 pierścienia 2-pirydonu
w wyniku addycji nukleofilowej, a następnie na cyklizacji produktu przejściowego, tj. 6-benzylo-5,6-dihydropirydyn-2-onu (3) (Schemat 2). W komunikacie zostaną przedstawione wstępne wyniki
optymalizacji obu etapów. W syntezie związku 3 i jego pochodnych zostaną zaprezentowane wyniki
zastosowania klasycznych związków Grignarda oraz benzylowych kompleksów magnezowych typu
R3MgLi [8-13], natomiast wyniki optymalizacji reakcji cyklizacji będą dotyczyły zastosowania
odczynników elektrofilowych, stosowanych w elektrofilowej cyklofunkcjonalizacji.
Schemat 1. Metody syntezy układu indenotetrahydropirydyny występującego w Haouaminie A i B.
Schemat 2. Proponowana strategia syntezy układu indenotetrahydropirydyny 2.
335
BioOrg 2015
Literatura:
[1] L. Garrido, E. Zubıá, M.J. Ortega, J. Salva (2003) J. Org. Chem. (68): 293-299
[2] P.S. Baran, N.Z. Burns (2012) J. Am. Chem. Soc., (128): 3908-3909
[3] M. Matveenko, G. Liang, E.M.W. Lauterwasser, E. Zubía, D. Trauner, (2012) J. Am. Chem. Soc. (134): 9291-9295
[4] A. Furstner, J. Ackerstaff (2008) Chem. Commun. 2870–2872
[5] T. Taniguchi, H. Zaimoku, H. Ishibashi (2009) J. Org. Chem. (74): 2624–2626
[6] K. Okuyama, Y. Momoi, K. Sugimoto, K. Okano, H. Tokuyama (2011) Synlett (1): 73–76
[7] M.A. Grundl, D. Trauner (2006) Org. Lett. (8): 25-23
[8] J.G. Sośnicki (2006) Tetrahedron Lett. (47): 6809-6812
[9] J.G. Sośnicki, Ł. Struk (2009) Synlett (15): 2508-2512
[10] J.G. Sośnicki, Ł. Struk, T. Idzik, G. Maciejewska (2014) Tetrahedron (70): 8624-8635
[11] J.G. Sośnicki (2009) Tetrahedron Lett. (50): 178-181
[13] J.G. Sośnicki (2007) Tetrahedron (63): 11862-11877
[15] J.G. Sośnicki, P. Dzitkowski, Ł. Struk (2015) Eur. J. Org. Chem. 5189–5198
336
BioOrg 2015
CIECZE JONOWE A STANDARDOWE PREPARTY HERBICYDOWE
W UPRAWIE KUKURYDZY (ZEA MAYS L.)
Małgorzata Jagła1, Anna Syguda2, Anna Parus2, Łukasz Sobiech1, Piotr Szulc1,
Grzegorz Skrzypczak1
1
Katedra Agronomii, Wydział Rolnictwa i Bioinżynierii, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Dojazd 11, 60-632 Poznań 2
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Wydział Technologii Chemicznej,
Politechnika Poznańska, Berdychowo 4, 60-965 Poznań
Kukurydza uprawna (Zea mays L.), obok pszenicy i ryżu jest jedną z głównych roślin
zbożowych uprawianych na świecie [1, 2]. Duża popularność w uprawie tej rośliny uwarunkowana jest
możliwością wszechstronnego jej wykorzystania. Uprawiana w technologii ziarnowej może być
użytkowana jako typowa roślina zbożowa, ale może być również doskonałym źródłem pasz
objętościowych dla przeżuwaczy [3]. Jednym z głównych czynników wpływających na wysokość
uzyskanego plonu jest zdrowotność łanu oraz utrzymanie plantacji wolnej od chwastów. Zwalczanie
chwastów w kukurydzy jest jednym z najważniejszych zabiegów pielęgnacyjnych. Z danych światowych
wynika, że obecność chwastów na polu powoduje istotne straty plonów do 13% przy stosowaniu metod
zapobiegawczych
i blisko 30% w przypadku zaniechania jakiejkolwiek ochrony [4]. Na rynku dostępnych jest wiele
środków ochrony roślin o odmiennym mechanizmie działania. Herbicydy stosowane w kukurydzy poza
tym, że muszą być bezpieczne dla środowiska, człowieka, pszczół, organizmów wodnych, także muszą
być skuteczne w zwalczaniu chwastów oraz wykazywać się pełną selektywnością w stosunku do odmian
[4].
Nowym rozwiązaniem w ochronie roślin jest zastosowanie herbicydowych cieczy jonowych.
Ciecze jonowe (ionic liquids, ILs) to związki chemiczne o budowie jonowej składające się z kationu
o
organicznego oraz anionu organicznego lub nieorganicznego o temperaturze topnienia poniżej 100 C.
Związki te bardzo dobrze rozpuszczają wiele substancji organicznych i nieorganicznych,
charakteryzują się wysoką stabilnością termiczną do 400°C, mają właściwości mieszania się z wodą
(ciecze hydrofilowe) lub brak możliwości mieszania z wodą (ciecze hydrofobowe ), są nielotne (niska,
prawie zerowa prężność par) [5].
Nowe możliwości zastosowania cieczy jonowych daje wprowadzenie w ich strukturę anionu
o działaniu chwastobójczym. Doprowadziło to do otrzymania nowej grupy związków określanych
mianem
herbicydowych
cieczy
jonowych
(ang.
herbicidal
ionic
liquids).
W
związku
z wielofunkcyjnością oraz wysoką aktywnością stosując herbicydowe ciecze jonowe (herbicidal ionic
liquids) można zredukować liczbę dodatkowych substancji wymaganych przy stosowaniu herbicydów
337
BioOrg 2015
takich jak adiuwanty. W efekcie zastosowania herbicydowych cieczy jonowych ograniczyć można
akumulację środków ochrony roślin w glebie [6, 7].
Celem badań było określenie skuteczności działania wybranych herbicydowych cieczy
jonowych na dwa gatunki chwastów komosę białą (Chenopodium album L.) oraz samosiewy rzepaku
ozimego (Brassica napus L.).
Do badań wybrano trzy ciecze jonowe, które zawierały kation didecylodimetyloamoniowy oraz
herbicydowy
anion,
którym
były
jony
2,4-dichlorofenoksyoctanowy
(2,4-D),
2-metoksy-3,6-dichlorobenzoesowy (Dicamba) oraz 4-chloro-2-metylofenoksyoctanowy (MCPA).
Struktury związków przedstawiono w tabeli 1. Związki te zostały zsyntezowane w Zakładzie
Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej przez dr inż. Annę Sygudę.
Tabela 1. Herbicydowe ciecze jonowe stosowane w badaniach
Nazwa związku
Wzór strukturalny
Akronim
4-chloro-2-metylofenoksyoctan
didecylodimetyloamoniowy
[DDA][MCPA]
2-metoksy-3,6-dichlorobenzoesan
[DDA][Dicamba]
2,4-dichlorofenoksyoctan
[DDA][2,4-D]
Badania szklarniowe przeprowadzono w Katedrze Agronomii Uniwersytetu Przyrodniczego w
Poznaniu. Doświadczenie przeprowadzono w czterech powtórzeniach na dwóch gatunkach chwastów:
komosie białej (Chenopodium album L.) oraz samosiewach rzepaku ozimego (Brassica napus L.).
Zabieg opryskiwania dokonano w fazie BBCH 12-14 (tj. w fazie rozwojowej 2-4 liści) odpowiednio dla
komosy białej (Chenopodium album L.) oraz samosiewów rzepaku ozimego (Brassica napus L.). Ocenę
skuteczności badanych preparatów przeprowadzono po 7 i 14 dniach od dnia zabiegu opryskiwania.
338
BioOrg 2015
Ocena skuteczności działania środków oceniana była w odniesieniu do kontroli (bez zabiegu
opryskiwania) wg. skali 0-100 %, gdzie 0 % = brak skuteczności.
W przeprowadzonych doświadczeniach wykazano wysoką skuteczność chwastobójczą
wybranych cieczy jonowych w stosunku do komosy białej oraz samosiewów rzepaku ozimego.
Literatura:
[1] R. A. Fischer, G.O. Edmeades, (2010) Breeding and cereal yield progress, Crop Science (50): 85-98
[2] A.M. Jaliya, A. M. Falaki, M. Mahmud, Y. A. Sani (2008) Effects of sowing date and NPK fertilizer rate on yield and yield
components of quality protein maize (Zea mays L.), ARPN J. Agric. Biological Sci. (2):23-29
[3] T. Ettle, F.J. Schwarz (2003) Effect of maize variety harvested at different maturity stages on feeding value and
performance of dairy cows, Anim. Res. (52): 337-349
[4] R. Kierzek (2012) Ochrona kukurydzy i buraka cukrowego przed chwastami, Materiały konferencyjne Płońsk
[5] P. Kubisa (2006) Perspektywy zastosowań cieczy jonowych w chemii polimerów, Polimery (7-8): 483-614
[6] T. Praczyk, P. Kardasz, E. Jakubiak, A. Syguda, K. Materna, J. Pernak (2012) Herbicidal Ionic Liquids with 2,4-D, Weed
Science Society of America 60(2): 189-192
[7] J. Pernak, A. Syguda, K. Materna, E. Janus, P. Kardasz, T. Praczyk (2012) 2,4-D based herbicidal ionic liquids,
Tetrahedron (68:) 4267-4273
339
BioOrg 2015
CZWARTORZĘDOWE POCHODNE KETONÓW ORAZ KETOKSYMÓW
PIRYDYNOWYCH JAKO NOWE EKSTRAHENTY METALI
Bartosz Jarosz, Aleksandra Wojciechowska, Irmina Wojciechowska, Karolina Wieszczycka
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4,60-965 Poznań
Ekstrakcja rozpuszczalnikowa jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych i ekonomicznych
technik selektywnego oczyszczania, zatężania oraz wydzielania metali z roztworów wodnych. Metoda ta
ma swoje zastosowanie nie tylko w procesach wydzielania metali ze złóż pierwotnych, ale także
w procesach odzysku z różnych odpadów przemysłowych, roztworów potrawiennych, złomów,
wyczerpanych elektrolitów, wód kopalnianych oraz wielu innych produktów odpadowych [1].
W ostatnich latach zaproponowano wiele nowych związków ekstrakcyjnych metali, ale tylko nieliczne
z nich można zastosować w procesach selektywnego wydzielania metali. Do tej grupy związków należą
hydrofobowe oksymy ketonów alkilowo-2-, -3-, oraz -4-pirydylowych, które są połączeniem ekstrahenta
chelatującego (ugrupowanie oksymowe) oraz solwatującego (pierścień pirydynowy), co umożliwia
zastosowanie ligandów w różnych układach ekstrakcyjnych. Czwartorzędowe sole pirydyniowe tworzą
równie ciekawą grupę związków kompleksowych. Przykładowo bromek 3-[1-(hydroksyimino)decylo]-1propylopirydyniowy pozwala skutecznie usunąć jony cynku(II) z roztworu zawierającego nawet 40g
Zn2+, a zregenerowany w procesie reekstrakcji ligand może być wielokrotnie stosowany nie wykazując
przy tym spadku wydajności ekstrakcji [2].
Celem badań była synteza oraz określenie właściwości ekstrakcyjnych zsyntezowanych
czwartorzędowych soli pirydyniowych: chlorku 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowego, bromku 3undekanoilo-1-propylopirydyniowego, chlorku 3-[1-(hydroksyimino)undecylo]-1-propylopirydyniowego
oraz bromku 3-[1-(hydroksyimino)undecylo]-1-propylopirydyniowego, a także 1-(3-pirydyno)undekan-1onu i oksymu 1-(3-pirydyno)undekan-1-onu.
Chlorek oraz bromek 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowy otrzymano w dwuetapowej syntezie,
w której w pierwszym etapie otrzymano 1-(3-pirydyno)undekan-1-on z odpowiedniego bromku
decylowo-magnezowego i 3-cyjanopirydyny. W drugim etapie syntezy otrzymany keton poddano reakcji
czwartorzędowania przy pomocy bromku propylu lub chlorku propylu, przy zastosowaniu 10% nadmiaru
halogenku. Jako rozpuszczalnik zastosowano acetonitryl, a reakcję prowadzono przez 24h w
temperaturze
o
22-23
C.
propylopirydyniowego
pierwszym
etapie
oraz
również
W
przypadku
bromku
syntezy
chlorku
3-[1-(hydroksyimino)undecylo]-1-
3-[1-(hydroksyimino)undecylo]-1-propylopirydyniowego
otrzymano
1-(3-pirydyno)undekan-1-on,
oksymowaniu w etanolu w obecności NaOH.
340
który następnie
w
poddano
BioOrg 2015
W ostatnim etapie syntezy otrzymany oksym 1-(3-pirydyno)undekan-1-onu poddano reakcji
czwartorzędowania bromkiem lub chlorkiem propylu. Reakcje czwartorzędowania również prowadzono
w temperaturze 22-23 oC w acetonitrylu.
O
C
N
1) C10H21MgBr / Et2O
O
C10H21
+
2) H2O, H , 2 dni
N
PrX
C10
H21
CH3CN, rt.
N
N
X
NH2OH*HCl
Na2CO3/ NaOH
EtOH, 2h rt.
OH
OH
N
N
C10H21
PrX
C10H21
CH3CN, rt.
N
N
X
X= Br / Cl
Rysunek 1. Schemat syntezy otrzymanych związków
Zsyntezowane związki w postaci roztworów toluenowych z 10% dodatkiem dekan-1-olu zostały
poddane podstawowym badaniom ekstrakcyjnym, które obejmowały określenie wpływu stężenia jonów
chlorkowych oraz metalu w fazie wodnej oraz stężenia ekstrahenta w fazie organicznej na procent
ekstrakcji jonów miedzi(II) ze słabo kwaśnych roztworów chlorkowych. Badania te prowadzono
w cylindrach miarowych o objętości 50 cm3 przy stałym stosunku faz organiczna: wodna (O:W) równym
1. Obie fazy były wstrząsane na wstrząsarce ramieniowej (Bio-mix BWR 04) przez 30 minut
w temperaturze 21-23oC. W badaniach tych fazę wodną stanowiły roztwory chlorku miedzi(II) (0,01
mol/dm3) zawierające zmienne stężenie jonów chlorkowych (0 - 4 mol/dm3). Siłę jonową I = 4 mol/l oraz
aktywności wody aw = 0.835 regulowano przed odpowiedni dodatek NaCl, LiNO3 i NaNO3.
Uzyskane wyniki pozwoliły stwierdzić, że wszystkie zsyntezowane związki wykazują zdolność
ekstrakcyjną względem jonów miedzi(II). Wydajność procesu ekstrakcji zależy zarówno od budowy
podstawnika w pierścieniu pirydynowym, obecności czwartorzędowanego azotu pirydyniowego, jak
i stężenia jonów chlorkowych w fazie wodnej (Rys. 2 i 3). Chlorek 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowy
oraz chlorek 3-[1-(hydroksyimino)undecylo]-1-propylopirydyniowy wykazują najsilniejsze właściwości
ekstrakcyjne względem jonów miedzi(II).
341
BioOrg 2015
Rysunek 2. Wpływ stężenia jonów chlorkowych na procent ekstrakcji jonów miedzi(ii)
z roztworów chlorkowych oksymem 1-(3-pirydylo)undekan-1-onu, chlorkiem 3-[1-(hydroksyimino)undecylo] -1propylopirydyniowym oraz bromkiem 3-[1-(hydroksyimino)undecylo] -1-propylopirydyniowym ([Cu(II)]=
0,01mol/l, PH = 3,5, I= 4 mol/l, a W = 0,835)
Rysunek 3. Wpływ stężenia jonów chlorkowych na procent ekstrakcji jonów miedzi(II) z roztworów chlorkowych 1-(3pirydylo)undekan-1-onem, chlorkiem 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowym oraz bromkiem 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowym ([Cu(II)]= 0,01mol/l, pH = 3,5, I= 4 mol/l, a w = 0,835)
Praca została sfinansowana ze środków na działalność statusową 03/32/DSMK/0520.
Literatura:
[1] K. Ochromowicz, T. Chmielewski (2012), Solvent extraction in hydrometallurgical processing of polish copper
concentrates, Physicochemical Problems of Mineral Processing, 46:207-218.
[2] K. Wieszczycka, A. Wojciechowska, M. Krupa, R. Kordala-Markiewicz (2013), Quaternary pyridinium ketoximes zinc
extractants from chloride solutions, Journal of Chemical and Engineering Data 58(11):3207-3215.
342
BioOrg 2015
ZASTOSOWANIE HIERARCHICZNEGO PROCESU SAMOASOCJACJI DO
TWORZENIA KOMPLEKSÓW METALOSUPRAMOLEKULARNYCH
Anna Jenczak*1,2, Artur R. Stefankiewicz1,2
1
Laboratorium Nanostruktur Funkcjonalnych, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul.
Umultowska 89b, 61-614, Poznań, Polska
2
Laboratorium Nanostruktur Funkcjonalnych, Wielkopolskie Centrum Zaawansowanych Technologii, ul. Umultowska 89c,
61-614, Poznań, Polska
Wykorzystanie
hierarchicznego
procesu
samoasocjacji
w
otrzymywaniu
organiczno/nieorganicznych architektur (MOF, ang. metal-organic framework), nabrało w ostatnim
czasie ogromnego znaczenia. Związki otrzymywane według tej strategii znajdują zastosowanie m.in. w
kompleksowaniu/wiązaniu cząsteczek gościa czy kontrolowaniu reaktywności chemicznej materiałów
(neutralizacja
cząsteczek
wybuchowych).
Kontrolowana
synteza
złożonych
układów
supramolekularnych, czy metalosupramolekularnych, o ściśle określonych właściwościach stanowi
intelektualne, jak i praktyczne wyzwanie dla naukowców. Otrzymywanie tego typu układów, opiera się w
pierwszym etapie na syntezie precyzyjnie sfunkcjonalizowanych ligandów organicznych, a następnie na
wprowadzeniu
w
strukturę
metalosupramolekularnej.
jonów
metalu,
W zdecydowanej
co
większości
prowadzi
do
przypadków,
otrzymania
skutkuje
architektury
to
wzrostem
funkcjonalności, co prowadzi do bardzo interesujących właściwości kompleksu (redoks, magnetyczne,
katalityczne, fotoaktywne, optyczne, elektrochemiczne).
MOF-y są to trójwymiarowe organiczno-nieorganiczne szkielety, zbudowane z bloków
organicznych połączonych narożami przez kationy metali. Ze względu na swoja porowatą i regularną
strukturę, posiadają właściwości katalityczne, separacyjne oraz absorpcyjne. W związku z tym cechują
się dużym potencjałem aplikacyjnym i szerokim spektrum innowacyjnych zastosowań. [1-3] Znalazły
zastosowanie m.in. w medycynie (uwalnianie leków w określonym pH), katalizie (np. reakcji
acylowania), neutralizacji substancji (merkaptanów), rozdziale chiralnym, magazynowaniu i sekwestracji
gazów.
Celem pracy jest synteza nowych, funkcjonalizowanych, dynamicznych szkieletów metalicznoorganicznych oraz zbadanie ich właściwości fizyko-chemicznych.
Pierwszym etapem pracy jest synteza MOF-ów z wykorzystaniem hierarchicznego procesu
samoasocjacji o zaprojektowanych właściwościach np. magnetycznych, elektronowych oraz o
określonych właściwościach kompleksujących. [4-5]
Drugim etapem badań jest analiza i charakterystyka MOF-ów, zbadanie ich właściwości fizykochemicznych za pomocą XRD-MCSA oraz XRPD, IR, TGA, DSC, spektroskopii UVvis, fluorescencji,
EPR, NMR, mikroskopii SEM i AFM. Użyte techniki mają na celu sprawdzenie efektywności
343
BioOrg 2015
transkrypcji właściwości liganda i jego rozbudowanej struktury MOF-ów, zbadanie porowatości oraz
zdolności do separacji np. gazów. [6]
Ważnym elementem pracy jest badanie wpływu bodźców fizycznych i chemicznych na
właściwości syntezowanych układów metalosupramolekularnych np. pod wpływem wysokiego ciśnienia
możemy uzyskać amorfizację, przemianę fazową czy kompresję układów.
Literatura:
[1] B. Civalleri, F. Napoli, Y. Noël, C. Roettia, R. Dovesia (2006) Cryst Eng Comm 8:364-371
[2] V. Guillerm, D. Kim, J. F. Eubank, R. Luebke, X. Liu, K. Adil, M. S. Lah, M. Eddaoudi (2014) Chem. Soc. Rev. 43:6141617
[3] A. Schneemann, V. Bon, I. Schwedler, I. Senkovska, S. Kaskel, R. A. Fischer (2014) Chem. Soc. Rev. 43:6062
[4] S. R. Caskey, A.J. Matzger, (2009) Material Matters 4:111
[5] O. M. Yaghi, M. O'Keeffe, N. W. Ockwig, H. K. Chae, M. Eddaoudi, J. Kim (2003) Nature 423:705-714
[6] J. Zhao, H. Li, Y. Han, R. Li, X. Ding, X. Feng, B. Wang (2015) J. Mater. Chem. A 3:12145
344
BioOrg 2015
GEMINI SURFAKTANTY JAKO POTENCJALNE INHIBITORY KOROZJI:
SYNTEZA I CHARAKTERYSTYKA SPEKTROSKOPOWA
O. Kaczerewska*, B. Brycki
Pracownia Chemii Mikrobiocydów, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu
*[email protected]
Korozja jest zjawiskiem powszechnie występującym i powodującym milionowe straty
ekonomiczne każdego roku, średnio 1-5% PKB każdego kraju [1]. Problem ten dotyka wielu dziedzin
przemysłu m.in. naftowego, stalowego i energetycznego. W wyniku tego zjawiska dochodzi do
dezintegracji powierzchni metalu, na sutek zachodzących reakcji elektrochemicznych. Procesowi temu
sprzyjają efekty środowiskowe oraz substancje tj. kwasy lub zasady, stosowane w przemyśle np. do
czyszczenia zbiorników. Stanowi to poważny problem i dlatego ważne jest szukanie efektywnych
rozwiązań [2].
Istnieje wiele metod zapobiegania korozji. Jedną z najpraktyczniejszych jest aplikowanie
inhibitorów korozji, których zadaniem jest kontrolowanie, hamowanie lub zapobieganie reakcjom
pomiędzy metalem a otoczeniem. Organiczne inhibitory są dobrze znanymi związkami tego typu [3].
Spośród wielu grup organicznych inhibitorów korozji, do szczególnie efektywnych
należą
czwartorzędowe sole alkiloamoniowe (QAS) [2]. Dzięki obecności w strukturze cząsteczki dodatnio
naładowanego atomu azotu i długiego łańcucha węglowodorowego, związki te mogą oddziaływać z
powierzchnią metalu, tworząc barierę ochronną, chroniącą ją przed szkodliwymi deteriorantami [4].
Adsorpcja inhibitora na powierzchni zachodzi przez wypieranie z niej cząsteczek wody. Zaobserwowano,
że czwartorzędowe sole amoniowe zawierające w swojej strukturze dodatkowy heteroatom (azot, tlen,
siarka) lub grupę zawierającą π elektrony (pierścień aromatyczny, wiązanie wielokrotne), charakteryzują
się efektywniejszym działaniem hamującym korozję, co jest spowodowane lepszym oddziaływaniem
cząsteczek inhibitora z powierzchnią metalu. Adsorpcja zależy od natury i ładunku powierzchni a także
od struktury chemicznej inhibitora. Na efektywność zapobiegania korozji ma wpływ liczba atomów
węgla w części hydrofobowej oraz liczba dodatnio naładowanych atomów azotu [5].
Kluczowym czynnikiem determinującym efektywność inhibitorów korozji, oprócz budowy
surfaktantu, jest krytyczne stężenie micelizacji (CMC), czyli wartość, po osiągnięciu której cząsteczki
surfaktantu zaczynają formować micele. Poniżej tego stężenia cząsteczki wykazują tendencję do
agregacji na powierzchni międzyfazowej (metal/powietrze, metal/ciecz), co prowadzi do obniżenia
napięcia powierzchniowego. Powyżej wartości CMC powierzchnia metalu jest pokryta ochronną
monowarstwą surfaktantu. Im niższa wartość krytycznego stężenia micelizacji, tym mniejszą ilość
inhibitora jest potrzebna, aby działał efektywnie [3].
345
BioOrg 2015
W ostatnich latach rozwinęło się zainteresowanie nową generacją kationowych surfaktantów,
gemini surfaktantów, które posiadają dwie części hydrofilowe i dwie części hydrofobowe, połączone ze
sobą łącznikiem, który może być sztywny lub elastyczny [6]. Dzięki swojej budowie, związki te
wykazują lepsze właściwości aniżeli ich monomeryczne odpowiedniki. Podwójne czwartorzędowe sole
amoniowe charakteryzują się m.in. niższymi wartościami CMC, a co za tym idzie potrzeba mniej
cząsteczek surfaktantu do utworzenia warstwy chroniącej przed korozją na powierzchni metalu [6].
Czwartorzędowe sole amoniowe charakteryzują się również aktywnością mikrobiologiczną, co
jest
dodatkową
zaletą
z
punktu
widzenia
biokorozji.
Związki
te
wykazują
działanie
przeciwdrobnoustrojowe m.in. w stosunku do bakterii redukujących siarczany (SRB). Problem ten dotyka
głównie przemysłu petrochemicznego. Stosowanie soli amoniowych jest, w tym przypadku, wysoce
efektywne, co udowadnia, że stosowanie tych związków jest korzystne zarówno w walce z korozją, jak i
z biokorozją [6,7].
Celem
niniejszej
pracy
była
synteza
nowych
podwójnych
czwartorzędowych
soli
alkiloamoniowych, zawierających w swojej strukturze dodatkowy heteroatom (azot, tlen), pierścień
benzenowy oraz hydrofobowy łańcuch węglowy oraz dwunasto i osiemnasto węglowe łańcuchy
węglowe.
Zsyntezowano następujące związki: 1,4-bis-[N-(1-alkilo)-N,N-dimetylo-metyloamoniowego
bromku] benzenu (1), 3-oksa-1,5-pentametyleno-bis-[N-(1-alkilo)-N,N-dimetyloamoniowego chlorku]
(2), 1,6-heksametyleno-bis-[N-(1-alkilo)-N,N-dimetyloamoniowego bromku] (3), 3-azametylo-1,5pentametyleno-bis-[N-alkilo-N,N-dimetyloamoniowego bromku] (4). Struktury związków przedstawiono
na poniższym schemacie:
Schemat 1. Struktura zsyntezowanych gemini surfaktantów.
346
BioOrg 2015
Struktura otrzymanych związków została scharakteryzowana spektroskopowo (FTIR, 1H NMR,
13
C
NMR).
Literatura:
[1] A. Samide, I. Bibicu, M.S. Rogalski, M. Preda (2005) Study of the corrosion inhibition of carbon-steel in dilute
ammoniacal media using N-ciclohexil-benzothiazole-sulphenamida, Corrosion Science 47:1119–1127
[2] M. A, Malik, M. A. Hashim, F. Nabi, S. A. AL-Thabaiti, Z. Khan (2011) Anti-corrosion Ability of Surfactants:
A Review, International Journal of Electrochemical Science, 6:1927 – 1948
[3] B.S. Prathibha , P. Kotteeswaran, V. Bheema Raju (2013) Study on the Inhibition of Mild Steel Corrosion by Quaternary
Ammonium Compound in H2SO4 Medium, Research Journal of Recent Sciences 2(4):1-10
[4] S. Deng, X. Li, X. Xie (2014) Hydroxymethyl urea and 1,3-bis(hydroxymethyl) urea as corrosion inhibitors for steel in
HCl solution, Corrosion Science, 80:276–289
[5] L. Afia, R. Salghi, L. Bammou, El. Bazzi, B. Hammouti, L. Bazzi, A. Bouyanzer (2014) Anti-corrosive properties of Argan
oil on C38 steel in molar HCl solution, Journal of Saudi Chemical Society, 18:19–25
[6] M.A. Hegazy, M. Abdallah, M.K. Awad, M. Rezk (2014) Three novel di-quaternary ammonium salts as corrosion
inhibitors for API X65 steel pipeline in acidic solution. Part I: Experimental results, Corrosion Science, 81:54–64
[7] Q. Zhang, Z. Gao, F. Xu, X. Zou (2011) Adsorption and corrosion inhibitive properties of gemini surfactants in the series
of hexanediyl-1,6-bis-(diethyl alkyl ammonium bromide) on aluminium In hydrochloric acid solution, Colloids and Surfaces A:
Physicochem. Eng. Aspects, 380:191–200
[8] Y. Xue, H. Xiao, Y. Zhang (2015) Antimicrobial Polymeric Materials with Quaternary Ammonium and Phosphonium
Salts, International Journal of Molecular Science, 16:3626-3655
347
BioOrg 2015
METODOLOGIA SYNTEZY POTENCJALNYCH INHIBITORÓW
AROMATAZY
Joanna Kruk*, Joanna Łakomiec, Patryk Kaźmierczak, Remigiusz Kliszewski, Maria Kieliszek, Daria
Pawlak, Marek K. Bernard
Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu,
Grunwaldzka 6, 60-780, Poznań
* e-mail: [email protected], [email protected]
Celem badań było projektowanie i synteza inhibitorów aromatazy. Syntezę inhibitorów
zaprojektowano w oparciu o wyniki dokowania do aromatazy. W reakcji nukleofilowego podstawienia
p-fluoronitrobenzenu 2 karboanionami 1a-1e otrzymano szereg produktów o wzorach 3a-3e, które
w kolejnym etapie będą poddane badaniom biologicznym (Schemat 1, szlak A). Głównym problemem
syntezy była stosunkowo niewysoka wydajność produktów związana z tworzeniem się licznych
produktów ubocznych. Jeden z tych produktów zidentyfikowano jako pochodną nitroaniliny 4.
Zaobserwowano, że użycie dimetyloformamidu (DMF) jako rozpuszczalnika, t-butanolanu potasu jako
zasady w niskiej temperaturze prowadziło do N,N-dimetylonitroaniliny 4 (Schemat 1, szlak B).
Stwierdzono ponadto, iż w przypadku identycznej reakcji pomiędzy p-fluoronitrobenzenem 2 a DMF
w nieobecności związków azaheterocyklicznych produkt 4 nie tworzył się. Przegląd literatury wykazał,
że podobne reakcje wymagają wysokiej temperatury, a pochodna aniliny 4 otrzymywana była z mniejszą
wydajnością [1,2]. Z kolei użycie p-chloronitrobenzenu zamiast p-fluoronitrobenzenu pozwalało na
otrzymanie N,N-dimetylonitroaniliny z stosunkowo wysoką wydajnością, ale wymagały one
zastosowania dietanoloaminy, co tłumaczone jest tworzeniem się adduktu DMF – dietanolamina [3].
W obecnej chwili trwają badania nad wyjaśnieniem roli pochodnych heterocyklicznych w powstawaniu
N,N-dimetylo-4-nitroaniliny (4).
Schemat 1
Praca częściowo finansowana z grantu dla młodych naukowców Nr. 502-14-03308417-10167.
348
BioOrg 2015
Literatura:
[1] J. Muzart (2009) N,N-Dimethylformamide: much more than a solvent, Tetrahedron 65:8313-8323.
[2] G. M. Coppinger. (1954) Preparations of N,N-dimethylamides, J. Am. Chem. Soc. 76:1372-1373.
[3] Y. H. Cho.; J. C. Park (1997) A very convenient dimethylamination of activated aromatic halides using N,Ndimethylformamide and ethanolamines, Tetrahedron Lett. 38:8331–8334.
349
BioOrg 2015
SYNTEZA, WŁAŚCIWOŚCI SPEKTROSKOPOWE I REAKTYWNOŚĆ
FLUOROWANYCH ANALOGÓW FOSFOMYCYNY
Michał Kut*, Klaudia Margas-Musielak, Magdalena Rapp, Henryk Koroniak
Zakład Syntezy i Struktury Związków Organicznych, UAM w Poznaniu, Wydział Chemii, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań
Związki chemiczne, w których grupa fosfonianowa znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie
pierścienia oksiranowego są znane i szeroko stosowane od wielu lat. Fosfoniany to pochodne kwasu
ortofosforowego (III), który w postaci piramidalnej jest niestabilny i ulega swobodnej przemianie
tautomerycznej do struktury tetraedrycznej (kwasu dihydroksylowego). Nazwę fosfoniany przypisać
można estrom wspomnianego kwasu, zarówno tym posiadającym wiązanie P–H, jak również związkom
fosforoorganicznym, w strukturze których występuje wiązanie P–C [1].
Fosfoniany pod względem strukturalnym są podobne do fosforanów. Te ostatnie wrażliwe są na
hydrolizę wiązania P–O powodowaną działaniem enzymów z grupy fosfataz. Fosfoniany natomiast są
odporne na działanie enzymów trawiennych. Popularność oksiranofosfonianów wywodzi się zarówno
z ich prostoty, łatwej dostępności, jak i licznych zastosowań, np. biomedycznych czy syntetycznych.
Odkrycie w 1969 roku fosfomycyny, będącej obecnie powszechnie znanym antybiotykiem, zrodziło
zainteresowanie wielu chemików α,β-oksiranoalkilofosfonianami, nadając tej grupie znaczenie
biochemiczne jako związków pośrednich w syntezie substancji biologicznie czynnych [2].
Efektownym rozwiązaniem okazuje się wprowadzenie do takich cząsteczek atomów fluoru,
które wpływają na właściwości chemiczne i biologiczne, a także reaktywność otrzymanych związków.
Promień Van der Waalsa podstawnika fluorowego wynosi jedynie 1.47 Å i jest krótszy w porównaniu
z innymi halogenami, ale zbliżony długością do promienia Van der Waalsa atomu wodoru (1.20 Å),
dlatego związki fluorowane określane są mianem izosterycznych. W cząsteczkach fosfonianów atomy
fluoru przywracają pierwotną elektroujemność utraconą z powodu usunięcia atomu tlenu grupy
fosforanowej. Co więcej, wartość pKa pochodnych fluorowanych jest bardzo zbliżona do wartości pKa
grupy fosforanowej, co świadczy o izokwasowości dwóch wyżej wymienionych ugrupowań. Ponadto,
wartości kąta dwuściennego P–C–C fluorowanych fosfonianów (monofluoro- lub difluorofosfonianów)
są niemal identyczne z wartością kąta dwuściennego C–O–P ugrupowania fosforanowego, powodując
tym samym, że fluorowane oksiranofosfoniany są doskonałymi mimetykami fosforanów. Wprowadzenie
do cząsteczki atomów fluoru poprawia jej zdolność do rozpuszczania się w tłuszczach, co ułatwia jej
przenikanie przez błony biologiczne, a tym samym skutkuje większą biodostępnością. Fluorowanie może
również przyczynić się do wytworzenia oddziaływań hydrofobowych pomiędzy cząsteczką farmaceutyku
a miejscem jej wiązania w receptorach lub enzymach, co również zwiększa jej biodostępność [3].
Warto nadmienić, że wiele spośród fluorowanych fosfonianów zostało z powodzeniem
350
BioOrg 2015
zaprojektowanych jako inhibitory różnorakich enzymów, np. fosforylaz, fosfolipaz, czy kinaz.
Ze względu na możliwość otwarcia pierścienia oksiranowego, realnym jest uzyskanie związków
chiralnych o możliwej aktywności biologicznej czy bloków budulcowych, użytecznych w dalszej
syntezie organicznej [4].
Celem niniejszej pracy była kilkuetapowa synteza fluorowanych analogów fosfomycyny.
Początkowo zastosowaną procedurą syntetyczną, pozwalającą na wprowadzenie atomu fluoru w pozycję
α do grupy karbonylowej ketonu, było przekształcenie jej w ugrupowanie enaminowe w obecności
®
pirolidyny oraz elektrofilowego odczynnika fluorującego -Selectfluoru . W kolejnym etapie badań
przeprowadzono optymalizację procedury, uwzględniającą m.in. fluorowanie w wodnym układzie
micelarnym z wykorzystaniem dodecylosiarczanu sodu, a tym samym zastosowanie się do zasad zielonej
chemii. Przyczyniło się to do znacznego wzrostu wydajności reakcji oraz krótszego czasu jej
prowadzenia. Kolejnym etapem syntezy było bromowanie fluorowanej pochodnej w pozycji terminalnej,
a końcowym reakcja Michaelisa-Beckera, która umożliwiła powstanie pożądanego produktu w postaci
dwóch diastereoizomerów w stosunku 1:0.3.
Literatura:
[1] D.E.C. Corbridge (2013) Phosphorus: Chemistry, Biochemistry and Technology 6 th Edition, CRC Press, Boca Raton
[2] a) D. O’Hagan, H.S. Rzepa (1997) Chem. Commun. 645–652; b) P. Savignac, B. Iorga (2003) Modern Phosphonate
Chemistry, CRC Press, Boca Raton, London, New York, Washington, D.C.; c) K.D. Troev (2006) Chemistry and Application
of H-Phosphonates, Elsevier, Amsterdam, Oxford
[3] a) A. Bondi (1964), J. Phys. Chem. 68(3):441–451; b) J. McMurry (2000) Chemia Organiczna, PWN, Warszawa; c) V.
Kukhar, V. Romanenko (2007), Kem. Ind. 56(6):329–344; d) J. Swinson (2005), PharmaChem 26–27; e) [2a]
[4] a) D. Hames, N. Hooper (2012) Biochemia, PWN, Warszawa; b) [2c]; c) V. Kukhar, V. Romanenko (2006), Chem.
Rev.106(9):3868–3935
351
BioOrg 2015
KATALITYCZNE PODSTAWIENIE CHLOROWCA W KOMPLEKSACH
CPM(CO)2I (M= FE, RU) LIGANDAMI DIFOSFINOWYMI
Daria Lizińska*, Bogna Rudolf , Janusz Zakrzewski
Katedra Chemii Organicznej, Uniwersytet Łódzki, Tamka 12, Łódź
Od wielu lat w Katedrze Chemii Organicznej Uniwersytetu Łódzkiego prowadzone są badania
dotyczące chemii metalokarbonylowych kompleksów różnych metali. Kompleksy typu CpM(CO)nX
gdzie (M= Fe, Ru n=2, M=Mo, W n=3, X=I, Cl) zawierają elektrodonorowy ligand halogenkowy
i ulegają różnym reakcjom fotochemicznym. Procesy te obejmują zarówno: dysocjację ligandów
karbonylowych, homolityczne lub heterolityczne rozszczepienie wiązania metal-halogen oraz
przegrupowania wewnątrzcząsteczkowe [1, 2].
Kompleksy metalokarbonylowe wykazują silne pasma absorpcji drgań walencyjnych w
widmach w podczerwieni w zakresie ok.1850-2150 cm-1 co umożliwia ich zastosowanie w testach
biochemicznych jako łatwe do detekcji znaczniki IR [3].
Stwierdzono, że możliwe są reakcje kompleksów CpM(CO)2I (M = Fe, Ru) z wybranymi
difosfinami w obecności diizopropyloaminy jako katalizatora.
W reakcjach tych następuje katalityczne podstawienie halogenu w kompleksach CpM(CO)2I
(M = Fe, Ru) przez ligandy difosfinowe, w wyniku czego powstają kationowe kompleksy typu
[CpM (difosfina)(CO)]I oraz [CpM(difosfina)(CO)2]I (Schemat 1).
Schemat 1. Reakcja kompleksu typu CpFe(CO)2I z 1,2-bis(difenylofosfino)etanem.
Literatura:
[1] B. Rudolf, J. Walendowska, J. Zakrzewski (2002) Organomet. Chem. 293-296
[2] C. E. Borja, V. Jakubek, A. J. Lees (1998) Inorg. Chem. (37):2281-2284
[3] J. Zakrzewski, B. Rudolf (2008) Biblioteka Wiadomości chemicznych, Chemia Koordynacyjna w Polsce cz. II 371-413
352
BioOrg 2015
SYNTEZA N-HETEROCYKLICZNYCH LIGANDÓW KARBENOWYCH ORAZ
ICH ZASTOSOWANIE W CHEMII KOORDYNACYJNEJ WYBRANYCH
METALI PRZEJŚCIOWYCH
Jan Lorkowski*
Zakład Chemii Metoloorganicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet Adama Mickiewicza w Poznaniu
ul. Umultowska 89b 61-614 Poznań
Od syntezy pierwszego stabilnego N-heterocyklicznych karbenu (NHC) przez zespół profesora
Arduengo minęło prawie 25 lat.1 Od tego czasu chemia NHC poczyniła znaczące postępy zarówno pod
względem syntezy stabilnych karbenów jak i ich zastosowywania w chemii koordynacyjnej różnych
metali. Jednym z najlepszych przykładów niebywałego sukcesu zastosowań owych związków jest
tzw. katalizator Grubbsa II generacji2. Między innymi jego synteza oraz zastosowanie tego związki
w katalitycznej metatezie olefin doprowadziło prof. Roberta Grubbsa do otrzymania nagrody Nobla
w 2005 roku. Jednak chemia N-heterocyklicznych ligandów karbenowych nie ogranicza się do syntezy
i zastosowania kompleksów metali przejściowych w przemianach katalitycznych. Kompleksy zawierające
NHC znalazły zastosowanie
m.in. w leczeniu nowotworów, syntezie leków oraz w syntezie
asymetrycznej.3 Te użyteczne związki są dodatkowo same w sobie organo-katalizatorami w reakcjach
takich jak kondesacja benzoinowa czy reakcja Stettera.3
Rysunek 1.
Mój komunikat ma na celu przedstawienie sposobów syntezy i zastosowań N-heterocyklicznych
ligandów karbenowych. Wskazane zostaną obecne panujące „trendy” w chemii tych związków oraz
zwięźle moje osiągniecia syntetyczne związane z otrzymywaniem prekursorów N-heterocyklicznych
ligandów karbenowych oraz ich zastosowań w chemii koordynacyjnej palladu.
353
BioOrg 2015
Literatura:
[1] A. J. Arduengo , R. L. Harlow, M. Kline (1991) A stable crystalline carbene, Journal of American Chemical Society
11 (1): 361–363
[2] M. Scholl, T.M. Trnka, J.P. Morgan, R.H. Grubbs (1999) Increased Ring Closing Metathesis Activity of Ruthenium-Based
Olefin Metathesis Catalysts Coordinated with Imidazolin-2-ylidene Ligands, Tetrahedron Letters 40(12):2247–2250
[3]
M. N. Hopkinson, C. Richter, M. Schedler, F. Glorius (2014) An overview of N-heterocyclic carbenes, Nature
510(12):485–496
354
BioOrg 2015
SYNTEZA I CHARAKTERYSTYKA NOWYCH LIGANDÓW TYPU ZASAD
SCHIFFA JAKO PREKURSORÓW WIELOFUNKCYJNYCH ARCHITEKTUR
METALOSUPRAMOLEKULARNYCH
Dawid Marcinkowski*, Adam Gorczyński, Dawid Pakulski, Violetta Patroniak
Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89, 61-614, Poznań
Czołowym kierunkiem światowych badań jest racjonalne projektowanie związków chemicznych
pod kątem pożądanych właściwości – magnetycznych, biochemicznych, elektrochemicznych czy
luminescencyjnych. Ostatnie dekady ukazują nam coraz większe zainteresowanie architekturami
metalosupramolekularnymi, ze względu na możliwość różnicowania ich budowy, w konsekwencji
pozwalając
na
syntezę
związków
z
przewidzeniem
ich
funkcji.
Kreowanie
kompleksów
supramolekularnych odbywa się przez łączenie organicznego liganda z kationem metalu[1], podczas gdy
występująca tutaj technika samoorganizacji - występująca wszechstronnie w przyrodzie - pozwala
otrzymać wielofunkcyjne struktury.[2] Dzięki tym zmianom można otrzymać kompleksy o ciekawych
właściwościach katalitycznych, magnetycznych, fotochemicznych, elektrochemicznych oraz wielu
innych.[1] Swoisty synergizm oraz przenikanie się powyższych dziedzin daje faktyczne przesłanki
dotyczące ich spodziewanych możliwości aplikacyjnych w wielu dziedzinach nauki, takich jak
nanotechnologia, optoelektronika czy medycyna.
Przedstawiona zostanie metodologia syntetyczna prowadząca do utworzenia nowych ligandów
typu
zasad
Schiffa,
a
także
ich
wykorzystanie
jako
prekursorów
nowych
architektur
metalosupramolekularnych o właściwościach magnetycznych, katalitycznych oraz elektrochemicznych.
[3-6]
Rysunek 1.
355
BioOrg 2015
Literatura:
[1] M.M.J. Smulders, I.A. Riddell, C. Browne, J.R. Nitschke (2013) Building on architectural principles for three-dimensional
metallosupramolecular construction, Chemical Society Reviews 42 (4), pp. 1728-1754
[2] J.R. Nitschke(2007) Construction, substitution, and sorting of metalloorganic structures via subcomponent self-assembly,
Accounts of Chemical Research 40 (2), pp. 103-112
[3] Gorczyński A., Kubicki M., Pinkowicz D., Pełka R., Patroniak V., Podgajny R., 2015, The first example of erbium triplestranded helicates displaying SMM behavior, Dalton Transactions, 44(38): s. 16833-16839
[4] Gorczyński A. Marcinkowski D. Pakulski D. Kubicki M., Korabik J. M., Patroniak V. publikacja w przygotowaniu
[5] Gorczyński A. Zaranek M. Kubicki M. Pawluć P., Patroniak V., New tridentate Schiff-base ligand and its cobalt(II)
complex capable of silane-dependent hydrosilylation of styrene, wysłane do redakcji
[6] Adam Gorczyński, Dawid Pakulski, Maciej Kubicki, Kornela Bułat, Teresa Łuczak and Violetta Patroniak,
Electrochemical deposition of the new manganese(II) Schiff-base complex on a gold template and its application for dopamine
sensing in the presence of interfering biogenic compound, wysłane do redakcji
356
BioOrg 2015
SYNTEZA (5S)-5-BENZYLO-5-(N-IZOPROPYLO)-AMINO-1,2-OIZOPROPYLIDENO-3-O-METYLO-α-D-KSYLOFURANOZY NA DRODZE
STEREOSELEKTYWNEJ REAKCJI ADDYCJI GRIGNARDA
Patrycja Mała*, Monika Bilska-Markowska, Henryk Koroniak
Zakład Syntezy i Struktury Związków Organicznych
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Chemii, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań
*
Reakcja Grignarda stanowi jedną z najistotniejszych metod alkilowania szerokiej gamy
związków zawierających ugrupowania o charakterze elektrofilowym. Powszechnie znane są reakcje
addycji odczynników metaloorganicznych do związków karbonylowych, imin oraz nitryli [1, 2].
Rezultatem przyłączenia związków Grignarda do imin oraz iminowych pochodnych jest formowanie
pierwszorzędowych oraz drugorzędowych amin. Reakcja imin z odczynnikami metaloorganicznymi jest
limitowana przez stosunkowo słabą elektrofilowość azometinowego atomu węgla. Ponadto pochodne
iminowe zdolne do enolizacji wykazują silniejszą tendencję do deprotonacji, w stosunku do addycji [2].
Pomimo zaistniałych ograniczeń reakcja chiralnych imin ze związkami Grignarda stanowi cenny
przykład syntezy prowadzącej do enancjomerycznie czystych amin. Pochodne aminowe, szczególnie
chiralne, otrzymywane na drodze stereoselektywnej addycji Grignarda, są wyjątkowo pożądanymi
związkami organicznymi, ze względu na ich szerokie zastosowanie. Pełnią one znaczące funkcje w
preparatyce organicznej jako środki rozdzielające, pomocniki chiralne w syntezie asymetrycznej oraz
intermediaty [2].
Przebieg stereoselektywnej addycji reagentów metaloorganicznych do iminowych pochodnych
może być determinowany przez oddziaływania międzycząsteczkowe iminowego substratu zawierającego
heteroatom ze związkiem Grignarda. Są to przede wszystkim interakcje związane z obecnością wolnych
par elektronowych azotu, heteroatomu oraz dodatnio spolaryzowanym atomem magnezu odczynnika
metaloorganicznego. Efektem tych oddziaływań jest tworzenie się stosunkowo stabilnego, przejściowego
chelatu, który ułatwia atak czynnika nukleofilowego ze znaczną stereoselektywnością. W rezultacie
powstaje diastereoizomer, będący wynikiem ataku nukleofila od strony mniej stłoczonej sterycznie.
Wysoka stereoselektywność jest charakterystyczna przede wszystkim dla reakcji iminowych pochodnych
zawierających czynnik chelatujący (heteroatom) w pozycji α [2, 3].
Przykładem stereoselektywnej syntezy Grignarda jest addycja bromku benzylomagnezowego do
5-(N-izopropylo)imino-1,2-O-izopropylideno-3-O-metylo-α-D-ksylofuranozy (Schemat 1.).
357
BioOrg 2015
Schemat 1.
Jedynym produktem reakcji jest diastereoizomer 2 (Schemat 1) o konfiguracji S atomu węgla
C5. Stereoselektywny przebieg addycji jest kontrolowany przez oddziaływania pomiędzy atomem tlenu
pięcioczłonowego pierścienia cząsteczki węglowodanu oraz atomem magnezu odczynnika Grignarda
(Rysunek 1.) [4].
Rysunek 1. Model Felkina-Anha, przedstawiający mechanizm stereoselektywnej addycji Grignarda
do chiralnej N-benzylo-3-deoksy iminowej pochodnej D glukozy.
Strukturę związku 2 potwierdzono na podstawie analizy widm 1H NMR oraz
13
C NMR.
Natomiast jego stereochemia została zdefiniowana w oparciu o widmo dwuwymiarowe NOESY.
Otrzymaną (5S)-5-benzylo-5-(N-izopropylo)amino-1,2-O-izopropylideno-3-O-metylo-α-D-ksylofuranozę
wykorzystano w reakcji addycji do podwójnego wiązania w cząsteczce heksafluoropropenu (HFP) [5],
a otrzymaną fluorowaną pochodną enaminową 3 poddano bezpośredniej reakcji hydrolizy (Schemat 2.).
Schemat 2.
358
BioOrg 2015
Produktami
reakcji były dwa diastereoizomery amidu (5S)-5-benzylo-5-(N-izopropylo)-1,2-O-
izopropylideno-3-O-metylo-α-D-ksylofuranozylowego kwasu 2,3,3,3-tetrafluoropropionowego 4a/4b.
Literatura:
[1] R. Bloch (1998) Additions of Organometallic Reagents to C=N Bonds: Reactivity
and Selectivity, Chemical Reviews (98):1407-1438
[2] G. S. Silverman, P. E. Rakita (1996) Handbook of Grignard Reagents, CRC Press.
[3] P. Knochel, G. A. Molander (2014) Comprehensive organic synthesis, Elsevier, Volume 1
[4] Y. Jagadeesh, B. Chandrasekhar, B. Venkateswara Rao (2010) The synthesis of (1S,8aS)-1-hydroxyindolizidine using a
stereoselective Grignard addition to an N-benzyl-3-deoxy sugar imine derived from D-Glucose, Tetrahedron: Asymmetry
(21): 2314-2318
[5] A. Takaoka, H. Iwakiri, N. Ishikawa (1979) F-Propene-Dialkylamine Reaction Products as Fluorinating
Agents, Bull.Chem.Soc.Jap. 52(11): 3377-338
359
BioOrg 2015
ETERY DIFENYLOMETYLOWE POCHODNYCH KWASU WINOWEGO
Tomasz Mądry*, Jakub Grajewski, Jacek Gawroński
Pracowania Stereochemii Organicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza,
Umultowska 89b, 61-614 Poznań
Etery benzhydrylowe, w przeciwieństwie do eterów tritylowych, bądź benzylowych, w wielu
przypadkach trudno jest otrzymać posługując się klasycznymi metodami. Najbardziej obiecujące w
reakcjach
syntezy
pochodnych
benzhydrylowych
jest
zastosowanie
diazodifenylometanu.[1]
Diazodifenylometan z wysoką wydajnością otrzymuje się w wyniku utleniania, handlowo dostępnego,
difenylometylohydrazonu [2]. Reakcja eteryfikacji prowadzi do powstania produktów mono-, jak i
dipodstawionych.
Pracę wykonano w ramach projektu badawczego CHIKADI PBS2/A1/14/2014.
Literatura:
[1] M. Javed, M. Brewer (2008) Diphenylodiazomethane, Organic Syntheses 85:189-195
[2] G. Jackson, H. Jones, S. Petursson, J. Webber (1982) Diphenylmethylation of carbohydrate hydroxyl groups by the reaction
with diazo(diphenyl)methane, Carbohydrate Reasearch 102:147-157
360
BioOrg 2015
HYDROFOBOWE 1-ALKILO-1H,1'H-2,2'-BIBENZO[d]IMIDAZOLE
Iwona Mądrzak-Litwa*, Anna Turguła, Aleksandra Borowiak-Resterna
Zakład Chemii Organicznej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej,
Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań
1H,1'H-2,2'-Bibenzo[d]imidazol należy do aromatycznych związków heterocyklicznych,
Cząsteczki 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu zawierają reaktywne pierścienie imidazolowe wykazujące
charakter amfoteryczny. Mogą one być zarówno donorem protonów (grupa −NH), jak i ich akceptorem
(atom =N−).
Rysunek 1. Wzór półstrukturalny oraz numeracja atomów węgla
w cząsteczce 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu.
Obecność aż czterech atomów azotu umożliwia cząsteczkom 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu
tworzenie z jonami metali bloku d związków kompleksowych o różnej budowie (Rysunek 2.) [1].
Kompleksy powstają m.in. z cynkiem [2, 3], miedzią [4], kadmem [5], kobaltem [1, 6], niklem,
antymonem i bizmutem [3].
Rysunek 2. Typy związków kompleksowych 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu z jonami metali bloku d [1].
Możliwości aplikacyjne 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu są znacznie ograniczone ze względu
na niewielką rozpuszczalność tego związku w powszechnie stosowanych rozcieńczalnikach
organicznych. Hydrofobowość heterocyklicznych cząsteczek można zwiększyć przez wprowadzenie
do pierścieni imidazolowych łańcuchów alkilowych, co spowoduje poprawę ich rozpuszczalności
w rozcieńczalnikach węglowodorowych. Podstawienie w cząsteczce 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu
atomów wodorów w pozycjach 1 lub 1 i 1' grupami alkilowymi (Rysunek 3.) prowadzi do otrzymania
związków charakteryzujących się nowymi właściwościami biologicznymi oraz chemicznymi.
361
BioOrg 2015
Rysunek 3. Wzory półstrukturalne 1-alkilo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu (I)
oraz 1,1'-dialkilo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu (II).
Uwzględniając różnorodność kompleksów 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu z jonami metali
bloku d, można przypuszczać, iż hydrofobowe pochodne 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu będą mogły
być wykorzystane jako ekstrahenty dla przemysłu hydrometalurgicznego. Potwierdzeniem takich
przypuszczeń jest preparat handlowy ACORGA ZNX 50, którego substancję aktywną (60% masowych)
stanowi
mieszanina
1-(tridecyloksykarbonylo)dimetylo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu,
1,1'-bis(tridecyloksykarbonylo)dimetylo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu,
nieprzereagowanego
dimetylo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu oraz mrówczanu tridecylu. Pozostała część preparatu
to węglowodory alifatyczne, które pełnią funkcję rozcieńczalnika [7].
Celem niniejszej pracy była synteza hydrofobowych 1-alkilo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazoli –
potencjalnych ekstrahentów metali bloku d dla przemysłu hydrometalurgicznego (Rysunek 3.). Związki
te otrzymano na drodze kilkuetapowej syntezy (Rysunek 4.). Czystość i strukturę otrzymanych związków
potwierdzono m.in. za pomocą analizy protonowych widm jądrowego rezonansu magnetycznego.
Rysunek 4. Schemat syntezy 1-alkilo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazoli.
1H,1'H-2,2'-Bibenzo[d]imidazol otrzymano na drodze syntezy dwuetapowej, przebiegającej
z sumaryczną wydajnością 85% [8, 9]. W wyniku reakcji o-fenylenodiaminy z kwasem szczawiowym
wydzielono produkt pośredni, 1,4-dihydrochinoksalino-2,3-dion [10]. Związek ten, w reakcji
z o-fenylenodiaminą pozwolił otrzymać 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazol z bardzo dobrą wydajnością.
Następne etapy obejmowały syntezę soli sodowej 2,2'-bibenzo[d]imidazolu oraz reakcję alkilowania tej
soli [11, 12]. Zsyntetyzowany 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazol poddano działaniu wodorotlenku sodu
w metanolu. W wyniku reakcji deprotonacji powstała sól sodowa 2,2'-bibenzo[d]imidazolu. W ostatnim
362
BioOrg 2015
etapie przeprowadzono alkilowanie soli sodowej odpowiednim halogenkiem alkilowym. Otrzymano
1-alkilo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazole z wydajnościami 24–66%. Wart uwagi jest fakt, że ilość
powstających 1,1'-dialkilo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazoli nie przekracza 5%.
Badania właściwości ekstrakcyjnych 1-alkilo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazoli w stosunku do
jonów cynku(II) wykazały, że stężenie jonów chlorkowych i jonów cynku(II) w surówce, jak również
stężenie ekstrahenta w roztworze organicznym mają istotny wpływ na zdolność kompleksowania i
ekstrakcję jonów Zn(II) przez badaną grupę związków.
Pracę sfinansowano ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na działalność
statutową Wydziału Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej 03/32/DS PB/0500.
Literatura:
[1] H.-J. Mo, Y.-R. Zhong, M.-L. Cao, Y.-C. Ou, B.-H. Ye (2009) Hydrothermal syntheses and structural diversity of cobalt
complexes with 2,2′-bibenzimidazole ligand by temperature tuning strategy, Crystal Growth & Design 9(1): 488-496
[2] S. Lin, L.-J. Chen, H.-H. Xu, J.-B. Su, H. Huan (2010) Two 2D metal-organic frameworks based in 2,2'-bibenzimidazole
ligand with (6,3) net topology, Inorganic Chemistry Communications 13(11): 1347-1349
[3] Y.-R. Zhong, M.-L. Cao, H.-J. Mo, B.-H. Ye (2008) Syntheses and crystal structures of metal complexes with 2,2′biimidazole-like ligand and chloride: Investigation of X-H· · · Cl (X = N, O, and C) hydrogen bonding and Cl-π (imidazolyl)
interactions, Crystal Growth & Design 8(7): 2282-2290
[4] M. A. Pujar, T. D. Bharamgoudar (1988) Cobalt(II), nickel(II) and cooper(II) complexes of bidentate bibenzimidazoles,
Transition Metal Chemistry 13: 423-425
[5] G. Liu (2009) Di-μ-chlorido-bis[(2,2'-bibenzimidazole)chloridocadmium(II)], Acta Crystallographica Section E,
E65(m37): m37
[6] J. R. Galán-Mascarós, K. R. Dunbar (2003) A self-assembled 2D molecule-based magnet: The honeycomb layered material
{Co3Cl4(H2O)2[Co(Hbbiz)3] 2}, Angewandte Chemie International Edition 42(20): 2289-2293
[7] E. Dziwiński, J. Szymanowski, E. Wrzesień (2000) Composition of ACORGA ZNX 50, Solvent Extraction and Ion
Exchange 18(5): 895-906
[8] I. Mądrzak-Litwa, A. Borowiak-Resterna (2013) Sposób otrzymywania 2,2'-bibenzimidazolu, Zgł. Pat. P 402491
[9] I. Mądrzak-Litwa, A. Borowiak-Resterna (2014) The use of diethylene glycol in the synthesis of 2,2'-bibenzimidazole from
o-phenylenediamine and oxalic acid, Heterocyclic Communications 20(3): 177-180
[10] O. O. Ajani, C. A. Obafemi, C. O. Ikpo, K. O. Ogunniran, O. C. Nwinyi (2009) Microwave-assisted synthesis and
antibacterial activity of some pyrazol-1-ylquinoxalin-2(1H)-one derivatives, 45(11): 1370-1378
[11] I. Mądrzak-Litwa, A. Borowiak-Resterna (2015) Nowe N-alkilowe pochodne 2,2’-bibenzimidazolu oraz sposób ich
otrzymywania, Zgł. Pat. P.413494
[12] I. Mądrzak-Litwa, A. Borowiak-Resterna (2015) The synthesis of hydrophobic 1-alkyl-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazoles,
Heterocyclic Communications (w recenzji)
WPŁYW ZAWARTOŚCI TYTANU W KATALIZATORZE TS-1 NA PRZEBIEG
EPOKSYDACJI LIMONENU
Piotr Miądlicki*, Agnieszka Wróblewska*, Edyta Makuch
363
BioOrg 2015
Instytut Technologii Chemicznej Organicznej
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
ul. Pułaskiego 10, 70-322 Szczecin
* e-mail: [email protected], [email protected]
Katalizator TS-1 został otrzymany po raz pierwszy przez Taramasso i współprac. w roku 1986
w zakładach firmy EniChem we Włoszech. Zespół Taramasso zauważył, że jony tytanu mogą być
wbudowywane w strukturę zeolitów i w ten sposób otrzymano materiał, który selektywnie katalizuje
reakcje utleniania z użyciem nadtlenku wodoru jako utleniacza. Odkrycie to wywołało ogromne
zainteresowanie, ze względu na możliwość stosowania w procesach utleniania warz z katalizatorem TS-1
względnie taniego utleniacza, który dodatkowo jest przyjazny dla środowiska – nadtlenku wodoru.
Od tego czasu wiele grup badawczych opublikowało artykuły o zastosowaniach oraz o modyfikacjach
tego katalizatora. Obecnie katalizator TS-1 stosuje się w przemyśle do produkcji np. tlenku propylenu,
hydrochinonu i pirokatechiny, czy oksymu cykloheksanonu [1,2,3].
Limonen jest składnikiem biomasy, czyli surowcem odnawialnym. Produkowany jest on na skalę
przemysłową w ilości około 73 000 ton rocznie, przy czym głównym jego źródłem są skórki pomarańczy
pozostające jako odpad podczas procesu wyciskania soku z pomarańczy. Limonen znajduje szerokie
zastosowania w różnych dziedzinach, stosuje się go między innymi w przemyśle kosmetycznym,
perfumeryjnym i spożywczym, używany jest również jako przyjazny środowisku biodegradowalny
rozpuszczalnik. Ponadto limonen ze względu na niską toksyczność w stosunku do ludzi oraz zwierząt
(w przeciwieństwie do owadów), wykorzystywany jest jako insektycyd i repelent w weterynarii
i w rolnictwie [4].
Proces epoksydacji limonenu za pomocą nadtlenku wodoru można opisać za pomocą reakcji
przedstawionych na Rysunek 1. W procesie tym jako produkt główny powstaje 1,2-epoksylimonen,
ponadto tworzą się także następujące produkty uboczne: diol 1,2-epoksylimonenu, karweol, karwon
i alkohol perillowy [5].
364
BioOrg 2015
Rysunek 1. Reakcje zachodzące w procesie epoksydacji limonenu za pomocą 60-proc H2O2 na katalizatorze TS-1
Synteza katalizatorów TS-1: W celu sprawdzenia aktywności katalizatorów TS-1 otrzymanych z żelów
krystalizacyjnych o różnym składzie molowym w procesie epoksydacji limonenu przygotowano
5 katalizatorów TS-1, wychodząc z żelów krystalizacyjnych różniących się stosunkiem molowym Si:Ti.
Katalizatory otrzymano metodą hydrotermalną, w której zastosowano następujące surowce: wodorotlenek
tetrapropyloamoniowy (TPAOH) jako templat, o-krzemian tetraetylu (TEOS) jako źródło krzemu,
o-tytanian tetrabutylu (TBOT) jako źródło tytanu i alkohol izopropylowy (IPA). Katalizatory różniły się
zawartością TEOS i TBOT w żelu krystalizacyjnym, a ilości tych związków dobierano tak, aby zachować
stosunek molowy Si:Ti w żelu krystalizacyjnym równy odpowiednio: 65, 45, 25, 15 i 2. Charakterystykę
otrzymanych materiałów zeolitowych opracowano na podstawie następujących badań instrumentalnych:
XRD, UV-VIS, FT-IR oraz SEM.
Epoksydacja limonenu z wykorzystaniem otrzymanych katalizatorów: Badania wpływu stosunku
molowego Si:Ti w żelu krystalizacyjnym na aktywność katalizatorów TS-1 w epoksydacji limonenu
prowadzono w następujących warunkach: temperatura 80ºC, stosunek molowy Lim/H2O2=1:1, stężenie
rozpuszczalnika 80% wag., ilość katalizatora 3% wag., czas prowadzenia reakcji 3h i szybkość mieszania
500 obr./min. Epoksydację prowadzono w ten sposób, że do reaktora szklanego o pojemności 50 cm3
wprowadzono określone ilości substratów w następującej kolejności: limonen, metanol, nadtlenek
wodoru i katalizator TS-1. Naważki substratów dobierano tak, aby zawartość reaktora nie przekraczała
80% jego pojemności. Reaktor z chłodnicą zwrotną umieszczano w łaźni olejowej i ogrzewano
do odpowiedniej temperatury.
Selektywność 1,2-epoksylimonenu dla wszystkich katalizatorów przyjmowała podobne wartości
i zmieniała się od 16 do 18% mol. Badania pokazały, że najniższa konwersja limonenu wynosiła 8% mol
(katalizator otrzymany z żelu krystalizacyjnego o stosunku molowym Si:Ti=45:1), natomiast najwyższa
365
BioOrg 2015
19,7% mol (katalizator otrzymany z żelu krystalizacyjnego o stosunku molowym Si:Ti=2:1). Najwyższą
selektywność przemiany nadtlenku wodoru do związków - 95% mol, otrzymano na katalizatorach
otrzymanych z żelów krystalizacyjnych o stosunku molowym Si:Ti=45:1, 25:1 i 15:1. Najlepszym
katalizatorem okazał się katalizator otrzymany z żelu krystalizacyjnego o stosunku molowym Si:Ti=15:1,
na tym katalizatorze selektywność 1,2-epoksylimonenu wynosiła 16,5% mol, przy zachowaniu wysokiej
konwersji limonenu - 14% mol i selektywności przemiany nadtlenku wodoru do związków organicznych
- 95,9% mol.
a)
b)
Rysunek 2. Wpływ stosunku molowego Si:Ti w żelu krystalizacyjnym na: a) konwersję limonenu (K L), konwersję nadtlenku
wodoru (KH2O2) i selektywność przemiany H2O2 do związków organicznych (SH2O2) oraz b) selektywności odpowiednich
produktów procesu epoksydacji limonenu
Zwiększenie ilości tytanu w żelu krystalizacyjnym powoduje zwiększenie aktywności
otrzymanych katalizatorów. Najbardziej optymalnym stosunkiem molowy Si:Ti w żelu krystalizacyjnym
okazał się stosunek 15:1, przy tym stosunku molowym Si:Ti osiągnięto wysoką selektywność
1,2-epoksylimonenu przy zachowaniu wysokiej konwersji limonenu i selektywności przemiany do
związków organicznych w odniesieniu do przereagowanego H2O2. Ponadto badania pokazały, że zbyt
duży stosunek molowy Si:Ti w żelu krystalizacyjnym prowadzi do powstawania TiO 2 (anatazu), co
niekorzystnie wpływa na przebieg procesu epoksydacji limonenu.
Literatura:
[1] B. Elvers, S. Hawkins, W. Russey (2003) Ulmann`s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Willey Online Library, 308-309
[2] A. Wróblewska, E. Milchert (2005) Charakterystyka katalizatorów tytanowo-silikalitowych, Przem. Chem., 84 (2005),
723-727
[3] A. Wróblewska, A. Fajdek (2010) Epoxidation of allyl alcohol to glycidol over the microporous TS-1 catalyst, J Hazard
Mater., 179, 258-65
[4] A. Szczepanik, A. Sobkowiak (2009) Utlenianie limonenu tlenem cząsteczkowym i nadtlenkiem wodoru, Wiad. Chem., 63,
7-8
[5] A. Wróblewska (2014) The Epoxidation of Limonene over the TS-1 and Ti-SBA-15 Catalysts, 19, 19907-19922
366
BioOrg 2015
PIRYDYNOAMIDOKSYMY: SYNTEZA I OCENA FITOTOKSYCZNOŚCI
Iwona Michałowska1, Maria Konieczna1, Mateusz Sydow1, Marta Woźniak1, Grzegorz Framski2,
Anna Parus1*
1
2
Pirydynoamidoksymy dzięki swoim właściwością są stosowane jako składniki leków
cytostatycznych, antydepresantów, a także środków przeciwalergicznych [1-3]. Natomiast od kilku lat w
Instytucie Technologii i Inżynierii Chemicznej Politechniki Poznańskiej prowadzone są badania nad
zastosowaniem pirydynoketoksymów oraz pirydynoamidoksymów jako ekstrahentów jonów cynku,
kadmu, miedzi, a także niklu, kobaltu i żelaza z roztworów chlorkowych [4,5].
Celem niniejszego projektu badawczego była synteza O-decylo-2-, -3- i -4-pirydynoamidoksymów oraz określenie ich oddziaływania na wybrane rośliny.
Pierwsza część badań dotyczyła otrzymania O-decylo-2-,-3- i -4-pirydynoamidokysmów. W tym
celu przeprowadzono dwuetapową syntezę, którą opracowano na podstawie procedury opisanej przez
Bernaska [1] M. oraz Gano i innych [5] (schemat 1). 2-, 3- lub 4-cyjanopirydynę poddano działaniu
chlorowodorku hydroksyloaminy w obecności wodorowęglanu sodu stosując etanol jako rozpuszczalnik.
Reakcję prowadzono w temperaturze wrzenia rozpuszczalnika. Po kilku godzinnym ogrzewaniu
wytrącony osad w postaci białych kryształów, oddzielono od mieszaniny reakcyjnej. Następnie surowe
produkty re-krystalizowano z etanolu. W kolejnym etapie odpowiednie pirydynoamidoksymy zostały
poddane działaniu bromku decylowego w obecności NaOH i alkoholu izopropylowego jako
rozpuszczalnika. W wyniku tej reakcji otrzymano O-decylo-2-,-3- i -4-pirydynoamidoksymy.
C10H23
OH
CN
N
N
NH 2OH*HCl
NaHCO3 / EtOH
NH2
N
N
C10H23Br
isopropanol
O
NH2
N
Rysunek 1. Schemat reakcji syntezy O-decylo-2-,-3- i -4-pirydynoamidoksymów.
Po zakończeniu reakcji i wydzieleniu produktów na drodze ekstrakcji ciecz-ciecz, otrzymane
produkty oczyszczono na kolumnach. Substancje wprowadzono do cylindrycznych kolumn wypełnionych
żelem chromatograficznym – absorbentem, przez który przepuszczono fazę ruchomą, aby przeprowadzić
rozdział mieszaniny na pojedyncze składniki. Rozdzielone frakcje odbierane były w kolektorze. Przebieg
reakcji kontrolowano za pomocą chromatografii cienkowarstwowej (TLC). Struktury oraz czystość
otrzymanych produktów zostały potwierdzone za pomocą metod spektroskopowych ( IR, 1H NMR i 13C
NMR).
367
BioOrg 2015
W drugiej części badań przeanalizowano wpływ O-decylo-pirydynoamidoksymów na
kiełkowanie nasion i początkowy rozwój wybranych roślin. Realizacja badań polegała na ocenie inhibicji
kiełkowania nasion, a także zahamowania wzrostu kukurydzy (Zea Mays) oraz gorczycy (Sinapis alba).
W tym celu prowadzono krótkoterminowe testy PhytotoxkiTM firmy Tigret. Na płytki testowe naniesiono
100 g gleby, a następnie dodano taką ilość substancji, aby ich efektywne stężenie wynosiło 25, 50, 100,
250, 500 i 1000 mg/kg suchej masy gleby (s.m.g.). Próby kontrolne podlano wodą demineralizowaną.
Uprawy prowadzono z zachowaniem stałych parametrów takich jak temperatura i wilgotność. Na
przygotowane podłoże, ułożono po 10 nasion kukurydzy lub gorczycy (3 płytek dla każdego stężenia
badanych związków). Po zakończeniu doświadczenia zliczono ilość wykiełkowanych nasion oraz
zmierzono długość korzeni i pędów. Na podstawie uzyskanych wyników wyznaczono indeks kiełkowania
(GI), procent zahamowania wzrostu korzeni i pędów. Indeks kiełkowania obliczono korzystając ze
wzoru:
Gx
L
* x * 100 % .
Gc
Lc
GI
Natomiast zahamowanie wzrostu korzeni lub pędów obliczono na podstawie wzorów:
Inhibition
(
Lc
Lx
Lc
) *100 % lub Inhibition
(
Pc
Px
Pc
) *100 % .
Gdzie: Gx - ilość wykiełkowanych nasion w próbie; Gc - ilość wykiełkowanych nasion w próbie
kontrolnej; Lx – średnia długość korzenia w próbie [cm]; Lc – średnia długość korzenia w próbie
kontrolnej [cm]; Px – średnia długość pędu w próbie [cm]; Pc – średnia długość pędu w próbie
kontrolnej [cm].
Sporządzono wykresy zależności indeksu kiełkowania od stężenia związków, a następnie na
podstawie tych krzywych wyznaczono wartości efektywnych stężeń substancji, które wywołały 50%
zahamowanie wzrostu korzeni (EC50).
Podczas upraw gorczycy obecność w podłożu O-decylo-pirydynoamidoksymów o stężeniu 100
mg/kg s.m.g powodowała od 30 do 45% zhamowanie wzrostu korzeni, przy czym największą inhibicję
wywoływał O-decylo-2-pirydynoamidoksym (45%). Wyższe stężenie (250 mg/kg s.m.g. i większe)
powoduje zahamowanie rozwoju pędów i korzeni gorczycy powyżej 70% w stosunku do prób
kontrolnych. Najwyższe analizowane stężenie, 1000 mg/kg s.m.g., całkowicie hamuje kiełkowanie nasion
gorczycy. Przeanalizowano również wpływ O-decylo-pirydynoamidoksymów na rozwój kukurydzy, jako
przedstawiciela rośliny jednoliściennej. Najsilniejsze zahamowanie rozwoju kukurydzy wykazał
O-decylo-4-pirydynoamidoksym, ponieważ już najniższe analizowane stężenie (25 mg/kg s.m.g.)
powodowało 50% zahamowanie rozwoju korzeni, a także pędów. Nieco mniejszą toksyczność wykazały
pirydynoamidoksymy z ugrupowaniem amidokysmowym w pozycji 2 i 3. Obecność tych związków w
podłożu w stężeniu 100 mg/kg s.m.g. wywoływało 50% inhibicję rozwoju korzeni.
368
BioOrg 2015
W dalszej części badań obliczono indeks kiełkowanie (GI) nasion i sporządzono wykresy
zależności indeksu kiełkowania od stężenia związków (Rys.2). Na podstawie tych krzywych wyznaczono
wartości efektywnych stężeń substancji, które wywołały 50% zahamowanie wzrostu korzeni (EC50).
Rysunek 2. Zależnosć indeksu kiełkowania od steżenia zwiazku; a) dla upraw gorczycy, b) dla upraw kukurydzy
(O-decylo-2-pirydynoamidoskym - 2PAO-C10, O-decylo-3-pirydynoamidoksym-3PAO-C10, O-decylo-4-pirydynoamidoksym –
4PAO-C10).
Zastosowanie O-decylo-pirydynoamidoksymów o stężeniu 250 mg/kg s.m.g. powoduje 50%
zahamowanie rozwoju korzeni gorczycy. Pirydynoamidoksymy z łańcuchem decylowym przyłączonym
do atomu tlenu w ugrupowaniu oksymowym wykazuje silniejszy efekt zahamowania rozwoju rośliny
jednoliściennej. Dawka 25 mg/kg s.m.g. O-decylo-4-pirydynoamidoksymu hamowała w 50% rozwój
korzeni kukurydzy, natomiast EC50 dla O-decylo-2- i -3-pirydnoamidoksymów jest wyższe i wynosi 100
mg/kg s.m.g.
Analiza uzyskanych wyników wykazała, iż O-decylo-2-,-3- oraz -4-pirydynoamidoksymy
wykazują zróżnicowany wpływ na kiełkowanie i początkowy rozwój kukurydzy oraz gorczycy.
Obserwowano zarówno wpływ stężenia zastosowanej substancji, jak również położenie grupy funkcyjnej
w pierścieniu pirydynowym. W przypadku upraw kukurydzy zaobserwowano silniejszy wpływ
analizowanych związków w porównaniu z uprawą gorczycy.
Projekt został sfinansowany ze środków na działalność statutową nr 03/32/DSMK/0516.
Literatura:
[1] E. Bernasek (1957) Pyridineamidoximes, Journal of Organic Chemistry 1263.
[2] A. George, J.R. Pearse (1979) The synthesis and infrared spectra of isomeric pyridine monoamidoximes and same
derivatives, Acta Chemica Scandinavica ,B 33: 742-746.
[3] G.A. Pearse, M. Ericsson, Separation of isomeric monocyanopyridine and pyridinemonoamidoxime hydrochlorides by thinlayer chromatography, Journal of Chromatography, 177: 174-176.
[4] A. Parus, A. Jankowska, K. Wieszczycka (2015) Pyridylketoximes with branched alkyl chain as extractants of copper(II)
ions from chloride solutions, Separation Science and Technology, 50: 214-222.
[5] M. Gano, K. Wieszczycka, A. Wojciechowska, I. Wojciechowska (2014) Synteza i właściwości ekstrakcyjne
hydrofobowych O-alkilopirydynoamidoksymów, I Poznańskie Sympozjum Młodych Naukowców. Nowe Oblicze Nauk
Przyrodniczych, Poznań, 81-82.
369
BioOrg 2015
OKSYM 1-(2-PIRYDYLO)TRIDEKAN-1-ONU W MIESZANINIE
SYNERGISTYCZNEJ Z EKSTRAHENTAMI FOSFOORGANICZNYMI
Anna Miłkowska, Bartosz Jarosz, Aleksandra Wojciechowska,
Irmina Wojciechowska, Karolina Wieszczycka
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4,60-965 Poznań
Synergizm w ekstrakcji ciecz-ciecz jest to efekt oddziaływania dwóch lub więcej ekstrahentów, w
wyniku którego obserwuje się zwiększenie (pozytywny synergizm) lub obniżenie (negatywny synergizm)
wydzielania jonów metalu z roztworu wodnego w porównaniu do ekstrakcji pojedynczym ekstrahentem.
Ekstrahent użyty w mieszaninie jako synergetyk najczęściej posiada zdolność do wypierania cząsteczki z
kompleksu, czyniąc go mniej hydrofilowym. Zajmuje puste miejsca koordynacyjne metalu lub wypiera z
nich wodę oraz umożliwia powstawanie mniej trwałego kompleksu. Zjawisko synergizmu w procesie
ekstrakcji można zatem wyjaśnić zwiększaniem hydrofobowego charakteru powstającego kompleksu.
Przykładowo działanie synergistyczne ekstrahenta o charakterze donora elektronów (donor) na
przenoszenie metalu w postaci chelatu (M(L)n) można opisać równaniami [1]:
wypieranie cząsteczki wody hydratowanej z kompleksu
M ( L) n ( H 2 O) n
donor
M ( L) n (donor )( H 2O) n 1
H 2O
rozbudowa powłoki koordynacyjnej metalu, np.: w przypadku metali ziem rzadkich
M ( L) n ( H 2 O) n
donor
M ( L) n ( H 2 O) n (donor )
dodatkowe oddziaływania np.: utworzenie wiązanie wodorowego
M ( L) n ( H 2O) n
donor
M ( L) n ( HO H
donor )
Na przebieg procesu w obecności dwóch ekstrahentów wpływ ma kilka czynników zewnętrznych, np.:
pH, ligandy organiczne i nieorganiczne wchodzące w skład kompleksu, stosunek stężeń ekstrahentów,
temperatura procesu, rozpuszczalnik i siła jonowa roztworu wodnego.
Hydrofobowe oksymy ketonów alkilowo-2-pirydylowych stanowią nową grupę związków
będących alternatywą dla dotychczas stosowanych ekstrahentów przemysłowych. Związki te posiadają
dwa ugrupowania zdolne do koordynacji miedzi(II), co zapewnia tego typu ekstrahentom możliwość
zastosowania w różnych układach ekstrakcyjnych (roztwory chlorkowe, siarczanowe czy amonowe)
[2-4]. Szczególną rolę odgrywa tutaj zasadowy atom azotu, który posiada wolną parę elektronową zdolną
do tworzenia wiązania koordynacyjnego oraz słabo kwaśny atom tlenu, który może ulegać deprotonacji
i w efekcie prowadzić do utworzenia trwałego kompleksu chelatowego. Przeprowadzone dotychczas
badania nad zastosowaniem oksymu 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu wykazały, że związek ten
charakteryzuje się silnymi właściwościami ekstrakcyjnymi względem jonów miedzi(II). Szczególnej
370
BioOrg 2015
uwadze poddano kompleksy z jonami miedzi(II) w roztworze chlorkowo/azotanowym, które w zależności
od stężenia jonów chlorkowych w roztworze wodnym wymagały innego procesu re-ekstrakcji. Ekstrahent
ten również posiadał wady, z których najważniejsze to:
- powstawanie w roztworze chlorkowym trwałych kompleksów o charakterze chelatowym, które
przy długotrwałym kontakcie z fazą wodną tworzyły trudno rozpuszczalne aglomeraty,
- ekstrakcja jonów miedzi(II) z roztworu siarczanowego powoduje powstawanie trwałych emulsji,
- ekstrakcja jonów miedzi(II) z roztworu o pH poniżej 2 wiąże sie z wytracaniem kompleksu na
granicy faz lub powstawaniem trwałych emulsji.
Celem badań było określenie wpływu obecności ekstrahenta fosfoorganicznego (fosforanu
tributylu i Cyanexu 923) na właściwości ekstrakcyjne oksymu 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu (2PC12)
względem jonów miedzi(II).
Oksym
1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu,
1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu
z
fosforan
fosforanem
tributylu
tributylu
i
Cyanex
(1:1)
923,
oraz
mieszanina
mieszanina
oksymu
oksymu
1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu z Cyanexem 923 (1:1) w postaci 0,1 M roztworów toluenowych zostały
poddane podstawowym badaniom ekstrakcyjnym, które obejmowały badanie wpływu I) stężenia jonów
chlorkowych w fazie wodnej (roztwory chlorkowe), II) początkowego pH (roztwory siarczanowe), na
procent ekstrakcji jonów miedzi(II). Analizowano również wpływ stężenia poszczególnych ekstrahentów
w fazie organicznej na wydajność ekstrakcji. Badania te prowadzono w cylindrach miarowych o objętości
50 cm3 przy stałym stosunku faz organiczna: wodna równym 1. Obie fazy były wstrząsane na wstrząsarce
ramieniowej (Bio-mix BWR 04) przez 15 minut w temperaturze 21-23oC. W badaniach tych fazę wodną
stanowiły:
1) roztwory chlorku miedzi(II) (0,01 mol/dm3) zawierające zmienne stężenie jonów chlorkowych
(0 - 4 mol/dm3); siłę jonową I = 4 mol/l oraz aktywności wody aw = 0,835 regulowano przed odpowiedni
dodatek NaCl, LiNO3 i NaNO3;
2) roztwory siarczanu(VI) miedzi(II) (0,01 mol/dm3) zawierające stałe stężenie jonów siarczanowych
(0,5 mol/dm3)
regulowane przez odpowiedni dodatek Na2SO4; ekstrakcje prowadzono w zakresie
pH 1-5.
Uzyskane wyniki badań ekstrakcyjnych pozwoliły stwierdzić, że w przypadku ekstrakcji jonów
miedzi(II) z roztworu siarczanowego nie uzyskano pożądanego efektu synergistycznego (Rys. 1).
Nie zaobserwowano wytrącania się kompleksu, ani tworzenia emulsji, jednak procent ekstrakcji
mieszaniny oksym 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu: Cyanex 923 nie przewyższa 25%. W przypadku
ekstrakcji Cu(II) z roztworów chlorkowych, obecność synergetyków spowodowała nieznaczne osłabienie
właściwości ekstrakcyjnych oksymu 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu, a obserwowana zależność procentu
ekstrakcji w funkcji stężenia jonów chlorkowych sugeruje zmiany w strukturze kompleksu miedź-oksym
1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu.
371
BioOrg 2015
Rysunek 1. Wpływ pH na procent ekstrakcji jonów miedzi(II) z roztworu siarczanowego fosforanem tributylu
(TBP), Cyanexem 923 i ich mieszaniną z oksymem 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu (2PC12) (2PC12+TBP i 2PC12
+Cyanex 923)([Cu(II)]= 0,01mol/l, [SO 4 2- ]= 0,5 mol/l).
Rys 3. Wpływ stężenia jonów chlorkowych na procent ekstrakcji jonów miedzi(II) z roztworu chlorko wego
oksymem 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu (2PC12), fosforanem tributylu (TBP), Cyanexem 923 i ich mieszaniną
(2PC12+TBP i 2PC12 +Cyanex 923)([Cu(II)]= 0,01mol/l, pH = 3,5, I= 4 mol/l, a w = 0,835).
Praca została sfinansowana ze środków na działalność statusową 03/32/DSMK/0520.
Literatura:
[1] R. Sarkar, S Ray, S Basu (2014) Synergism in Solvent Extraction and Solvent Extraction Kinetics, Journal of Chemical,
Biological and Physical Sciences 43156-3181.
[2] K. Klonowska-Wieszczycka, A. Olszanowski, A. Parus B. Zydorczak (2009) Removal of copper(II) from chloride solutions
using hydrophobic pyridyl ketone oximes, Solvent Extraction and Ion Exchange 27(1):50-62
[3] K. Wieszczycka, M. Krupa, A. Olszanowski (2012) Extraction of copper(II) with hydrophobic pirydyl ketoximes from
chloride and sulphate solutions, Separation Science and Technology 47(9):1278-1284
[4] K. Wieszczycka, M Kaczerewska, M. Krupa, A. Parus, A. Olszanowski (2012) Solvent extraction of copper(II) from
ammonium chloride and hydrochloric acid solutions with hydrophobic pyridineketoximes, Separation and Purification
Technology 95:157-164
372
BioOrg 2015
NOWE KAMFOROWE POCHODNE EBSELENU O WŁAŚCIWOŚCIACH
ANTYOKSYDACYJNYCH
Julianna Mruk*, Agata Pacuła, Jacek Ścianowski
Katedra Chemii Organicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7, 87-100 Toruń
*email: [email protected]
Związki
selenoorganiczne
posiadają
szeroko
opisywane
właściwości
biologiczne
i farmakologiczne. Do głównych przedstawicieli biologicznie aktywnych związków selenoorganicznych
należy ebselen, posiadający unikalną zdolność naśladowania peroksydazy glutationowej GPx [1]. Związek
ten zdolny jest do usuwania szkodliwych nadtlenków organicznych i nieorganicznych, będących
przyczyną m.in. zmian nowotworowych, zaburzeń pracy układu sercowo-naczyniowego, choroby
Alzheimera i Parkinsona[2,3]. W celu zbadania wpływu szkieletu terpenowego na aktywność
antyoksydacyjną otrzymano nowe pochodne benzizoselenazol-3(2H)-onu, podstawione na atomie azotu
optycznie czynnym układem terpenowym z grupy bornanu (Schemat 1.).
Schemat 1. Nowe pochodne ebselenu o właściwościach antyoksydacyjnych.
Związki otrzymano z odpowiednich N-podstawionych o-jodobenzamidów w wyniku reakcji
z wytwarzanym in situ diselenkiem dilitu[4]. Aktywność antyoksydacyjna została przebadana w reakcji
utlenienia ditiolu do disulfidu. Szybkość konwersji DTTred do DTTox była analizowana na podstawie
widm 1H NMR wykonywanych w stałych odstępach czasowych[5]. Struktury otrzymanych pochodnych
potwierdzono analizą IR, 1H, 13C, 77Se NMR oraz w przypadku pochodnej 2 wykonano również analizę
rentgenostrukturalną.
373
BioOrg 2015
Literatura:
[1] R. Lesser, R. Weiss (1924) Synthesis of 2-acyl-and 2-sulfonylbenzisoselenazol-3 (2H)-ones, Ber. Dtsch. Chem. Gess.
57:1077
[2] E. Cadenas, H. Wefers, A. Muller, R. Brigelius, H. Sies (1982) Active oxygen metabolites and their action in the
hepatocyte. Studies on chemiluminescence responses and alkane production, Agents Actions Suppl. 11:203
[3] L. Xie, W. Zheng, N. Xin, J. W. Xie, T. Wang, Z.Y. Wang (2012) Ebselen inhibits iron-induced tau phosphorylation by
attenuating DMT1 up-regulation and cellular iron uptake, Neurochem. Int. 61:334
[4] A. Pacuła, J. Ścianowski, K. Aleksandrzak (2014) Highly efficient synthesis and antioxidant capacity of N-substituted
benzisoselenazol-3(2H)-ones, RSC Adv. 4: 48959–48962
[5] F. Kumakura, B. Mishra, L. Priyadarsini, M. Iwaoka (2010) A water-soluble cyclic selenide with enhanced glutathione
peroxidase-like catalytic activitie, J. Org. Chem., 440-445
pkt)
374
BioOrg 2015
SYNTEZA NOWYCH KATALIZATORÓW TIOMOCZNIKOWYCH
PRZYDATNYCH W STEREOSELEKTYWNYCH REAKCJACH ALKILOWANIA
FRIEDLA-CRAFTSA
(
Ewelina Najda*, Anna Zakaszewska, Karolina Janikowska, Sławomir Makowiec
(
Katedra Chemii Organicznej, Politechnika Gdańska, Ul. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk
Z uwagi na rosnącą popularność organokatalizy, co raz więcej grup badawczych na całym
świecie zajmuje się reakcjami katalizowanymi przez organokatalizatory, a co za tym idzie, rośnie ilość
rodzajów samych organokatalizatorów. Jednak wszystkie one należą do jednej z dwóch głównych grup kowalencyjnych lub niekowalencyjnych. Podział ten oparty jest na mechanizmie działania tychże
związków. Organokatalizatory kowalencyjne tworzą z jednym z substratów związek przejściowy, który
wydajnie i stereoselektywnie reaguje z drugim
reagentem, dając produkt o określonej konfiguracji
absolutnej. Natomiast organokatalizatory niekowalencyjne mogą oddziaływać z jednym lub oboma
substratami za pomocą słabych wiązań chemicznych (na przykład wodorowych). Tworzy się w ten
sposób struktura chemiczna w stanie przejściowym, w której przestrzenne ułożenie katalizatora oraz
substratów wymusza określoną drogę reakcji prowadzącą do preferowanego enancjomeru jako produktu.
Do grupy organokatalizatorów niekowalencyjnych należą katalizatory tiomocznikowe. Większe
możliwości ich użycia (odnoszące się do różnych typów interakcji chemicznych [1] ) wiążą się z wieloma
rodzajami mechanizmów oddziaływania katalizatorów tiomocznikowych z substratami. Często
mechanizmy te są trudne do przewidzenia [2]. Co więcej, zmiany energetyczne związane z różnymi
konformacjami oddziałujących ze sobą katalizatora i reagenta są na tyle niewielkie, że opisanie stanu
przejściowego nie jest tak jednoznaczne jak w przypadku organokatalizatorów kowalencyjnych.
Szerokie możliwości aplikacyjne organokatalizatorów tiomocznikowych potwierdzono na
przestrzeni ostatnich 15 lat, stosując je jako dodatki chiralne do wielu rodzajów reakcji, między innymi
reakcji Streckera [3], Mannicha [4], różnego typu cyklizacji [5] , alkilowania indolu z następczą
cyklizacją [6, 7], addycji Michaela [8].
Ostatnio wykazaliśmy, iż organokatalizatory tiomocznikowe (struktura 1 na Rysunku 1) są
użyteczne także w przypadku reakcji alkilowania Friedla-Craftsa indolu za pomocą arylidenowych
pochodnych kwasu Meldruma (2). Uzyskaliśmy w ten sposób związki (3) z dobrymi wydajnościami
(50-87%) oraz nadmiarem enancjomerycznym do 50%. Organokatalizatory używane we wspomnianych
reakcjach otrzymaliśmy na drodze czteroetapowej syntezy, w której substratem wyjściowym były
aminokwasy.
375
BioOrg 2015
Udowodniliśmy także, że zwiększenie rozmiaru podstawnika alkilowego (oznaczonego jako Y na
Rysunku 1) w strukturze organokatalizatora tiomocznikowego prowadzi do wyższej stereoselektywności
reakcji.
Rysunek 1.
Literatura:
[1] R. R. Knowles, E. N. Jacobsen (2010) Attractive noncovalent interactions in asymmetric catalysis: links between enzymes
and small molecule catalysts, Proc. Nat. Acad. Sci. (107):20678-20685
[2] S. J. Zuend, E. N. Jacobsen (2009) Mechanism of Amido-Thiourea Catalyzed Enantioselective Imine Hydrocyanation:
Transition State Stabilization via Multiple Non-Covalent Interactions, J. Am. Chem. Soc. (131): 15358–15374
[3] S. Chandra Pan, B. List (2007) Catalytic One-Pot, Three-Component Acyl-Strecker Reaction, Synlett, (2):318–320
[4] A. Wenzel, M.P. Lalonde, E.N. Jacobsen (2003) Divergent stereoinduction mechanisms in urea-catalyzed additions to
imines, Synlett. (12):1919-1922
[5] R. R. Knowles, S. Lin, E. N. Jacobsen (2010) Enantioselective Thiourea-Catalyzed Cationic Polycyclizations, J. Am.
Chem. Soc. (132): 5030-5032
[6] R. S. Klausen, E. N. Jacobsen (2009) Weak Brønsted Acid – Thiourea Co-catalysis: Enantioselective, Catalytic ProtioPictet - Spengler Reactions, Org. Lett. (11):887-890
[7] Y. Lee, R. S. Klausen, E. N. Jacobsen (2011) Thiourea-Catalyzed Enantioselective Iso-Pictet_Spengler, Org. Lett.
(13):5564-5567
[8] T. Okino, Y. Hoashi, Y. Takemoto (2003) Enantioselective Michael Reaction of Malonates to Nitroolefins Catalyzed by
Bifunctional Organocatalysts, J. Am. Chem. Soc. (125):12672-12673
376
BioOrg 2015
SYNTEZA I MODYFIKACJE POCHODNYCH BENZOCHINOLIN
Monika Nowak*, Zbigniew Malinowski
Katedra Chemii Organicznej, Uniwersytet Łódzki, ul. Tamka 12, 91-403 Łódź
* email: [email protected]
Pochodne chinoliny ze względu na różnorodne właściwości biologiczne, stanowią interesującą
grupę związków heterocyklicznych. Wykazują między innymi aktywność przeciwbakteryjną,
przeciwmalaryczną, a także przeciwnowotworową [1-4].
Celem naszych badań była synteza pochodnych benzochinoliny, a następnie ich modyfikacje,
m.in.: w katalizowanych reakcjach sprzęgania, prowadzące do nowych układów typu 4. Jako związki
wyjściowe wykorzystane zostały pochodne naftyloamin 2 i 3.
NHBoc
O
R
2
2
R
Z
NHBoc
R
X
3
R
1
1
3
4
O
NHBoc
3
1
2
Z, X = CH lub N; R , R = COOH, COOalkil, alkil; R
3
= H, Br, alkil, aryl
Rysunek 1.
Literatura:
[1] Ch. Amit, Ch. Payal, S. Mansimrean, S. P. Singh Kuldeep (2014), Canadian Open Pharmacy Journal 1(1):1-12
[2] R. Musiol, T. Magdziarz, A. Kurczyk (2011), Science against microbial pathogens: communicating current research and
technological advances 72-83
[3] S. K. Singh, S. Singh (2014) International Journal of Pharmaceutical Sciences Review and Research 50:295-302
[4] O. Afzal, S. Kumar, Md. R. Haider, Md. R. Ali, R. Kumar, M. Jagii, S. Bawa (2015)
Chemistry 97: 871-910
377
S. European Journal of Medicinal
BioOrg 2015
MODYFIKOWANE NOŚNIKI TLENKOWE – EFEKTYWNY ADSORBENT
ŻEŃSKICH HORMONÓW PŁCIOWYCH Z MATRYC WODNYCH
Agnieszka Nowakowska*1, Joanna Zembrzuska1, Anna Modrzejewska-Sikorska1, Teofil Jesionowski2
1)
Zakład Chemii Ogólnej i Analitycznej, Politechnika Poznańska, Plac Marii Skłodowskiej-Curie 5, 60-965 Poznań
2)
Zakład Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska, Plac Marii Skłodowskiej-Curie 5, 60-965 Poznań
*
e- mail: [email protected]
Rozwój najnowszych technik wykrywania i oznaczania związków chemicznych oraz badania
nad ich wpływem biologicznym zwróciły uwagę naukowców na zanieczyszczenia środowiskowe,
które wcześniej nie zostały wykryte bądź nie były uznawane za niebezpieczne, lub których obecność
w środowisku nie została dotychczas prawnie uregulowana. Są to, tzw. nowo pojawiające się
zanieczyszczenia, definiowane jako niedawno zidentyfikowane lub wcześniej nierozpoznane. Wśród nich
wyróżnia się takie klasy związków, jak środki farmaceutyczne, steroidy i hormony, środki higieny
osobistej, środki odkażające, związki powierzchniowo czynne i ich metabolity, związki opóźniające
zapłon, środki i dodatki do benzyny oraz produkty do dezynfekcji [1,2].
Obecnie największy problem spośród nowo pojawiających się zanieczyszczeń środowiskowych
stanowią związki hormonalne. Ich obecność budzi coraz większy niepokój, a przez to zainteresowanie,
ze
względu
na
fakt,
iż
znaczna
ilość
tego
typu
substancji
wprowadzana
jest
do środowiska oraz ze względu na ich aktywność biologiczną. Mogą one wywoływać efekt estrogenny,
który może z kolei prowadzić do feminizacji lub obojnactwa wodnych organizmów, a w konsekwencji
również i organizmu człowieka [1].
Hormony są substancjami chemicznymi wytwarzanymi przez organizm, których rolą jest
regulacja czynności narządów wewnętrznych. Odbywa się to poprzez pobudzenie lub hamowanie
właściwych procesów biologicznych. Większość z nich jest wydzielana bezpośrednio do krwi
przez gruczoły wewnątrzwydzielnicze, a obszar ich działania zależy od miejsca wytwarzania.
Wyróżniamy związki hormonalne o budowie białkowej, do których należą hormony podwzgórza,
przysadki i trzustki, o budowie aminokwasowej, czyli hormony tarczycy i przekaźniki informacji
(noradrenalina, serotonina i acetylocholina) oraz o budowie steroidowej, do których zaliczane są hormony
kory nadnerczy i płciowe [3]. Przedmiotem badań niniejszej pracy będzie ostatnia grupa spośród
wymienionych.
Hormony płciowe mają budowę steroidową, a szkieletem steroidu jest 17-węglowy alicykliczny
węglowodór
(o
zamiennych
nazwach
gonan,
steran
lub
cyklopentanoperhydrofenantren),
który poprzez dodanie kolejnych atomów węgla, może ulec modyfikacji. Strukturę tę można również
zmodyfikować poprzez wprowadzenie odpowiednich grup funkcyjnych, uzyskując hormony o różnej
aktywności.
Męskie
hormony
płciowe,
tzw.
378
androgeny
(testosteron,
androstendion
BioOrg 2015
i dehydroepiandrosteron) są wytwarzane przez komórki Leydiga – wewnątrzwydzielniczą część jądra.
Androgeny wpływają ogólnoustrojowo, a także mają wpływ na oddziaływanie anaboliczne,
czyli stymulują syntezę białka. Testosteron odpowiada za zmniejszenie wydzielania GnRH
(ang. Gonadotropin-releasingHormone, hormon uwalniający gonadotropinę) i hormonu luteinizującego.
Jego obecność na odpowiednim poziomie wpływa u samców na właściwy rozwój drugorzędowych cech
i utrzymanie prawidłowego procesu spermatogenezy [3,4].
Żeńskie hormony płciowe – estrogeny, progesteron, relaksyna i niewielkie ilości androgenów –
są produkowane przez jajniki. Estrogeny odpowiadają za właściwy rozwój drugo- i trzeciorzędowych
cech płciowych oraz całego układu rozrodczego u samic – nasilają wzrost komórek w błonie śluzowej
(endometrium) i mięśniówce macicy oraz gruczole piersiowym. Ich działanie reguluje cykl
miesiączkowy, umożliwia transport komórki jajowej do jamy macicy i zagnieżdżenie w jej błonie
śluzowej zapłodnionego jaja. Hormony te oddziałują również na centralny układ nerwowy, mają wpływ
na wzrost energii i dobre samopoczucie. Progesteron, który wytwarzany jest przez pęcherzyk jajowy,
odpowiada za prawidłowe zapłodnienie jaja, utrzymanie ciąży oraz jej właściwy rozwój [3,4].
Naturalne hormony należą do grupy związków endokrynnie aktywnych EDCs (ang. endocrinedisruptingcompounds, EDCs). Tego typu substancje mają zdolność do bioakumulacji, zakłócają działanie
endokrynne i wywołują zmiany w organizmach, przez co ich obecność w środowisku jest
międzynarodowym problemem ze względu na potencjalne zagrożenie dla ludzi i przyrody. Znane są też
syntetycznie otrzymywane związki estrogenopodobne, wytwarzane przez przemysł chemiczny. Niektóre
EDCs znajdują się w produktach powszechnie stosowanych – środkach higieny osobistej (kosmetyki,
mydła), ubocznych produktach przemysłowych, tworzywach sztucznych (ftalany) i pestycydach.
Hormony syntetyczne są szeroko stosowane w medycynie, m.in. w hormonalnej terapii zastępczej
i antykoncepcji. Z uwagi na szkodliwość, jaką niesie niekontrolowana ekspozycja na działanie EDCs,
istnieje
konieczność
monitoringu
środowiskowego,
który
umożliwi
wykrycie
potencjalnych
zanieczyszczeń tego rodzaju [2,5].
Wstępnym etapem w analizie próbek środowiskowych jest izolacja i wzbogacanie analitów,
czego dokonać można technikami ekstrakcyjnymi. Procesy te polegają na transporcie analitów z próbki
(matryca pierwotna) do matrycy odbierającej (matryca wtórna) o prostym i jednoznacznie określonym
składzie chemicznym. W poniższej pracy zastosowano ekstrakcję do fazy stałej (SPE – ang. Solid Phase
Extraction), która jest popularną i tanią metodą wydzielania analizowanych związków z próbek ciekłych,
szczególnie z wody, przy zastosowaniu prostej aparatury. Ekstrakcja ciecz – ciało stałe wykorzystuje
zjawisko podziału analitu pomiędzy stały sorbent a ciekłą próbkę, co umożliwia jego wyizolowanie z
matrycy w maksymalnie czystej i skoncentrowanej postaci, przygotowując go w ten sposób do analizy
właściwej
jedną
z
technik
chromatograficznych.
379
Proces
zachodzi
wówczas,
BioOrg 2015
gdy wiązanie między analitem a sorbentem jest silniejsze od oddziaływania, jakie wywiera
rozpuszczalnik na matrycę próbki [6].
Technikę SPE można realizować na kilka sposobów: jednym z nich jest dodatek sorbentu
do próbki i wytrząsanie, a następnie zdekantowanie. Inną powszechnie wykorzystywaną metodą jest
przepuszczenie próbki przez dysk ekstrakcyjny lub rurkę sorpcyjną. W praktyce laboratoryjnej stosuje się
techniki ekstrakcyjne w układzie off-line oraz on-line o zróżnicowanym poziomie automatyzacji.
Ekstrakcja ciecz – ciało stałe może także odbywać się poprzez zastosowanie dozymetrów pasywnych
poddawanych ekspozycji w badanym ciekłym medium oraz wykorzystanie urządzenia do mikroekstrakcji
do fazy stacjonarnej [7].
W procesie SPE największe znaczenie jako sorbent ma krzemionka, będąca nośnikiem grup
funkcyjnych. Krzemionka w „czystej” postaci zawiera na swojej powierzchni wolne grupy silanolowe
(SiOH), dzięki czemu silnie adsorbuje związki polarne, przy czym oddziaływanie to jest tak silne,
że utrudnia odzysk zaadsorbowanych substancji. Modyfikacja jej powierzchni, która polega
na zastąpieniu wolnych grup silanolowych innymi grupami funkcyjnymi, np. aminową (NH2), diolową
(COHCOH) lub cyjanową (CN), przyczynia się do zmniejszenia siły oddziaływań związków silnie
polarnych i krzemionki, umożliwiając ich ekstrakcję. Sorbenty tego typu nazywają się związanymi
fazami normalnymi (NP). Natomiast jeżeli grupy silanolowe zostaną zastąpione grupami oktylowymi
(C-8), oktadecylowymi (C-18) lub alkilofenylowymi (RC6H5), żel krzemionkowy staje się sorbentem
niepolarnym. Wówczas pojawiają się silne, odwracalne oddziaływania substancji niepolarnych albo słabo
polarnych z powierzchnią zmodyfikowanej krzemionki i w ten sposób możliwa jest ich ekstrakcja
z rozpuszczalnika polarnego. Opisane powyżej sorbenty noszą nazwę faz odwróconych (RP) [6].
Ponadto jako adsorbenty w technice SPE stosowane są także różnego rodzaju polimery: akrylowe,
styrenowo - diwinylobenzenowe, Porapk Q, Tenax GC oraz odpowiednio przygotowane węgle aktywne
[8].
Skład oraz zawartość badanych analitów w próbkach środowiskowych wymagają zastosowania
bardzo czułych metod analitycznych. W analizie tego typu próbek wykorzystuje się techniki
chromatograficzne z odpowiednimi systemami detekcji, natomiast trudności z identyfikacją składników
rozwiązuje się poprzez sprzężenie chromatografii z innymi technikami analitycznymi. W poniższej pracy
zastosowany został układ sprzężony chromatograf cieczowy – tandemowy spektrometr masowy LCMS/MS (ang. Liquid Chromatography – Tandem Mass Spectrometry), który pozwala na określenie
składu jakościowego i ilościowego badanej próbki [9].
W technice LC-MS/MS uprzednio przygotowana próbka jest wprowadzana do układu
chromatograficznego, gdzie analizowane związki są rozdzielane w kolumnie chromatograficznej.
Następnie anality przenoszone są do spektrometru masowego, który pracując w trybie monitorowania
wybranych reakcji (MRM) pozwala na dokonanie analizy jakościowo-ilościowej składników próbki. [9].
380
BioOrg 2015
Celem poniższej pracy jest ocena wykorzystania modyfikowanych krzemionek jako sorbentów
do procesów wydzielania i zatężania pozostałości żeńskich hormonów płciowych z modelowych
roztworów wodnych. Oceny skuteczności usunięcia hormonów dokonuje się przez wykonanie analizy
techniką LC-MS/MS roztworów wodnych po procesie adsorpcji.
W badaniu wykorzystano zmodyfikowaną krzemionkę – Syloid 244 oraz Aerosil 200 V.
Jako silanowy związek wiążący zastosowano oktadecylosilan w ilości 5 i 10 części wagowych
w przeliczeniu na masę SiO2 dla obu rodzajów sorbentów.
Procesowi ekstrakcji do fazy stałej poddano roztwory wodne zawierające estriol, estron,
α-estradiol, β-estradiol i mestranol. Do każdego roztworu wodnego zawierającego mieszaninę badanych
hormonów wprowadzano każdorazowo 100 mg sorbentu i wytrząsano przez 5 minut. Następnie
poprzez przesączenie przez sączek papierowy oddzielono sorbent od próbki wodnej. Sączek
z zatrzymanym sorbentem poddano procesowi suszenia, zaś fazę wodną zebrano do fiolki w celu
dokonania analizy techniką LC-MS/MS, pozwalającą na ocenę stopnia usunięcia badanych analitów
z próbki.
Kolejnym etapem badań będzie desorpcja hormonów z sorbentu. Planuje się zbadanie ilościowej
elucji przy zastosowaniu następujących rozpuszczalników: metanolu, acetonitrylu, chloroformu,
n-heksanu oraz octanu etylu. Wyniki badań pozwolą opracować metodę wydzielania i zatężania badanych
hormonów płciowych z matryc wodnych techniką SPE wykorzystującą nowy materiał sorpcyjny.
Literatura:
[1] M.J. Lopez de Alda, S. Diaz-Cruz, M. Petrovic, D. Bercelo (2003) Rozdział 10: Oznaczanie pozostałości wybranych
środków farmaceutycznych, steroidowych hormonów płciowych oraz alkilofenolowych środków powierzchniowo czynnych w
środowisku wodnym z wykorzystaniem technik LC-MS oraz LC-MS/MS; Praca pod redakcją: J. Namieśnik, W. Chrzanowski, P.
Szpinek, Nowe horyzonty i wyzwania w analityce i monitoringu środowiskowym, Wyd. Centrum Doskonałości Analityki i
Monitoringu Środowiskowego, Gdańsk,
[2] Y. Luo, W. Guo, H.-H. Ngo, L.-D. Nghiem, F.-I. Hai, J. Zhang, S. Liang, X.C. Wang (2014) A review on the occurrence of
micropollutants in the aquatic environment and their fate and removal during wastewater treatment, Science on the Total
Environment 473:619-641
[3] A. Zejc (2008) Chemia leków, Hormony, Wydanie III uaktualnione i rozszerzone, Wydawnictwo Lekarskie PZWL,
Warszawa
[4] Z. Paryzek, M. Piasecka, T. Pospieszny, I. Skiera (2011) Steroidy, Aktywność biologiczna steroidów, Wydawnictwo
Naukowe UAM, Poznań
[5] M. Matejczyk, P. Zalewski (2011) Związki endokrynne i ich aktywność biologiczna, w: KOSMOS Problemy Nauk
Biologicznych, tom 60, nr 1-2 (290-291), strony 17-32, Polskie Towarzystwo Przyrodników im. Kopernika
381
BioOrg 2015
[6] P. Stepniowski, E. Synak, B. Szafranek, Z. Kaczyński (2010) Techniki separacyjne, Ekstrakcja, Wydawnictwo
Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk
[7] J. Namieśnik, Z. Jamrógiewicz, M. Pilarczyk, L. Torres (2000) Przygotowanie próbek środowiskowych do analizy,
Wydawnictwa Naukowo–Techniczne, Warszawa
[8] Z. Witkiewicz (1995) Podstawy chromatografii wyd. II zmienione, Wydawnictwo Naukowo – Techniczne, Warszawa,
1995
[9] K.. Bielecka–Daszkiewicz, K.. Milczewska, A. Voelkel (2005) Zastosowanie metod chromatograficznych, Wydawnictwo
Politechniki Poznańskiej, Poznań
382
BioOrg 2015
SYNTEZA DISELENIDÓW O POTENCJALNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH
BIOLOGICZNYCH
Magdalena Obieziurska*, Agata Pacuła, Jacek Ścianowski
Katedra Chemii Organicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu,
ul. Jurija Gagarina 7, 87-100 Toruń
Zaburzenia homeostazy redoks oraz będący konsekwencją tego zjawiska nadmiar reaktywnych
form tlenu jest jedną z głównych przyczyn wielu chorób cywilizacyjnych, takich jak: nowotwory,
cukrzyca, choroba Alzhaimera [1]. Związki selenoorganiczne, w tym powszechnie znany ebselen (2fenylo-1,2-benzizoselenazol-3(2H)-on), wykazują wysoką aktywność przeciwutleniającą wynikającą z
ich zdolności do naśladowania peroksydazy glutationowej (GPx) [2]. W cyklu katalitycznym tego
enzymu aktywną formą uczestniczącą w redukcji nadtlenków jest ebselen lub analogicznych diselenid
[3].
Otrzymano serię N-podstawionych alkilowych benzizoselenazolonów 2b-d, które następnie
przekształcono w odpowiednie diselenidy 3b-d, porównując aktywność otrzymanych struktur z
odpowiednikami zawierającymi podstawnik fenylowy 2a, 3a. (Schemat 1).
Schemat 1. Droga syntezy diselenidów z N-podstawionych alkilowych i arylowych
benzizoselenazolonów
383
BioOrg 2015
Benzizoselenazolony otrzymane zostały na drodze reakcji N-podstawionego o-jodobenzamidu z
diselenkiem dilitu opracowanej w naszym zespole badawczym [4]. Uzyskane pochodne poddano
następnie redukcji borowodorkiem sodu do odpowiednich diselenidów. Aktywność antyoksydacyjną
badano na podstawie czasu konwersji ditiolu do disulfidu, w obecności analizowanego katalizatora
selenoorganicznego i 30% roztworu nadtlenku wodoru. Szybkość zaniku substratu oszacowano poprzez
rejestrację zmian w widmie 1H NMR. Struktury otrzymanych pochodnych potwierdzono analizą IR, 1H,
13
C, 77Se NMR.
Literatura:
[1] M. Iwaoka (2014) Antioxidant Organoselenium Molecules, Organoselenium Chemistry: Between Synthesis and
Biochemistry, ed. Santi, Bentham Science Publishers, 361
[2] M. J. Parnham, H. Sies (2013) Biochem. Pharmacol. 86; 1248
[3] K.P. Bhabak, A.A Verneka, S.R Jakka, G. Roy, G. Mugesh (2011) Org. Biomol. Chem. 9:5193
[4] A. Pacuła, J. Ścianowski, K. Aleksandrzak (2014) Highly efficient synthesis and antioxidant capacity of N-substituted
benzisoselenazol-3(2H)-ones, RSC Adv. 4: 48959–48962
384
BioOrg 2015
STABILNOŚĆ TERMICZNA AMINOKWASOWYCH CIECZY JONOWYCH
Paula Ossowicz1,2*, Marcin Gano2
1
Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie,
2
Instytut Technologii Chemicznej Organicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie,
Ciecze jonowe (ang. Ionic Liquids ILs) to związki zbudowane wyłącznie z jonów, ciekłe
w temperaturze pokojowej. Stan ciekły zawdzięczają stosunkowo niskiej energii sieciowej w związku
z wysokim stopniem asymetrii tworzących je jonów. Ponadto pozostają cieczami w szerokim zakresie
temperatur, znacznie większym niż rozpuszczalniki cząsteczkowe [1-7]. Mimo niskiej prężności par
ciecze jonowe mogą stanowić zagrożenie dla środowiska. Istnieje możliwość ich silnej sorpcji do gleby,
możliwość infiltracji do wód gruntowych, ponadto posiadają potencjalnie wysoką bioakumulację
i ekotoksyczność wobec roślin i mikroorganizmów, mały potencjał biodegradacji czy cytotoksyczności.
Pomimo potencjalnych zagrożeń unikalne właściwości cieczy jonowych i praktycznie nieograniczona
możliwość kombinacji kation-anion pozwalają na poszukiwanie struktur niestanowiących zagrożenia dla
środowiska,
a
jednocześnie
użytecznych.
Obecnie
poszukuje
się
związków
o
wysokiej
biodegradowalności, otrzymywanych z naturalnych surowców o możliwie szerokim zakresie zastosowań.
Największym zainteresowaniem cieszą się chiralne ciecze jonowe stanowiące alternatywę dla
tradycyjnych cieczy jonowych, wykorzystujące jako substraty stosunkowo tanie związki jakimi są
aminokwasy. Ilość doniesień w literaturze na temat cieczy jonowych na bazie aminokwasów świadczy
o aktualności tego typu badań.
Poszukiwanie bioodnawialnych i nietoksycznych cieczy jonowych wyłoniło nową generację
cieczy jonowych, jakimi są aminokwasowe ciecze jonowe. Aminokwasy i ich pochodne, takie jak estry
aminokwasów stanowią źródło do otrzymywania zarówno kationu jak i anionu cieczy jonowej [8].
Celem prezentowanych badań było porównanie stabilności termicznej aminokwasowych cieczy
jonowych. Temperatura rozkładu warunkuje bowiem zakres temperatur, w których związek może być
stosowany. Pośrednio może również stanowić miarę trwałości związku w środowisku.
Zbadano wpływ kationu na stabilność termiczną aminokwasowych cieczy jonowych. Do badań
wybrano
anion
leucynianowy
i
następujące
kationy:
tributylometyloamoniowy (tBMA), didecylodimetyloamoniowy (DDA),
-amoniowy
(cholinowy)
(Chol)
i
1-etylo-3-metyloimidazoliowy.
tetrabutyloamoniowy
(TBA),
2-hydroksyetylotrimetyloNatomiast
wpływ
budowy
aminokwasowego anionu badano na przykładzie soli tetrabutyloamoniowych siedmiu aminokwasów:
L-waliny, L-leucyny, L-izoleucyny, L-treoniny, L-metioniny, L-histydyny i L-tryptofanu.
385
BioOrg 2015
W celu porównania stabilności termicznej analizowanych soli aminokwasów zestawiono
wartości temperatur odpowiadających 50% ubytkowi masy analizowanej próbki. Temperatury zostały
wyznaczone na podstawie analizy termograwimetrycznej (krzywe TG). Wyznaczono ponadto
temperatury początku rozkładu (krzywe TG) oraz temperatury najszybszego rozkładu związku (krzywe
DTG).
Zbadano i wyznaczono zależności pomiędzy budową anionu i kationu a stabilnością termiczną
aminokwasowej cieczy jonowej. Rozpatrując ciecze jonowe z anionem L-leucynianowym, stabilność
termiczną uszeregować można następująco:
[TBA] < [tBMA] < [Chol] < [DDA] < [emim]
Największą stabilność wykazują sole z kationem 1-etylo-3-metyloimidazoliowym, natomiast
najmniejszą z kationem tetrabutyloamoniowym. Kation imidazoliowy jest bardzo stabilny, ponieważ
ładunek dodatni może zostać równomiernie rozłożony na dwa atomy azotu.
Rodzaj aminokwasowego anionu również wpływa na stabilność związku. Najwyższą
stabilnością spośród badanych związków wykazuje ciecz jonowa z anionem L-histydyny. Swoją
stabilność zawdzięcza obecności pierścienia imidazoliowego w cząsteczce. W zależności od typu anionu
stabilność termiczną można uszeregować według następująco:
[L-Ile] < [L-Val] < [L-Leu] < [L-Met] < [L-Thr] < [L-Trp] < [L-His]
Literatura:
[1] A. Kokorin (2011) Ionic Liquids: Theory, Properties, New Approaches, Wydawnictwo InTech, Rijeka
[2] Kirk-Othmer (2007) Chemical Technology and the Environment, volume 1, Wiley-Interscience, New Jersey
[3] M. Earle, K. Seddon (2000) Ionic liquids. Green solvents for the future, Pure App. Chem. 72 (7): 1391-1398
[4] H. Yamamoto, K. Ishihara (2008) Lewis Acid Catalysis in Modern Organic Synthesis, Wydawnictwo WILEY-VCH,
Weinheim
[5] N.D. Khupse, A. Kumar (2010) Ionic liquids: New materials with wide applications, Indian J. Chem. 49A: 635-648
[6] G.K. Sudhakar, K.V. Bhaskar, R. Verma (2012) Ionic liquids re the replacements for environmentally damaging solvents in
a wide range of chemical processes, J. Biomed. Pharm. Res. 1 (2): 7-12
[7] P. Wasserscheid, W. Keim (2000) Ionic Liquids—New “Solutions” for Transition Metal Catalysis, Angew. Chem. Int. Ed.,
39: 3772-3789
[8] J.Ch. Plaquevent, J. Levillain, F. Guillen, C. Malhiac, A.C. Gaumont (2008) Ionic liquids: new targets and media for
a-amino acid and peptide chemistry, Chem. Rev. 108: 5035–5060
(odstęp pojedynczy
, 10 t)
386
BioOrg 2015
SYNTEZA I ZASTOSOWANIE NOWYCH LIGANDÓW STEROIDOWYCH
Z ŁĄCZNIKAMI TRIAZOLOWYMI
Marta Pakiet*, Tomasz Pospieszny, Hanna Koenig, Iwona Kowalczyk, Bogumił Brycki
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Chemii, Pracownia Chemii Mikrobiocydów
Steroidy stanowią obszerną klasę związków pochodzenia naturalnego. Obok białek, tłuszczów
oraz kwasów nukleinowych odgrywają ważną funkcję w organizmach zarówno bakterii, grzybów, roślin
jak i zwierząt. Wspólną cechą tych związków jest występowanie układu steranowego, czyli
cyklopentanoperhydrofenantrenu. Charakteryzują się również rozbudowaną strukturą, ściśle określoną
przestrzenną konformacją oraz czystością enancjomeryczną [1]. Grupą badanych związków są kwasy
żółciowe, które ze względu na obecność grupy karboksylowej oraz grup hydroksylowych
o zróżnicowanej reaktywności są doskonałymi substratami do tworzenia ligandów steroidowych oraz
badań w zakresie chemii supramolekularnej [2-4].
Jednym ze sposobów modyfikacji jest reakcja chemii ,,click’’. Jest to innowacyjna metoda
syntezy organicznej wprowadzona w 2001 roku przez K. B. Sharplessa. Przykładem reakcji ,,click’’ jest
1,3-dipolarna
cykloaddycja
azydek–alkin,
wynikiem
której
jest
utworzenie
pierścienia
1,2,3-triazolowego. Zaletą tego typu reakcji są przede wszystkim wysokie wydajności, krótki czas
prowadzonego procesu oraz selektywność. Katalizatorem reakcji są jony Cu(I) wytwarzane in situ za
pomocą układu katalizującego, tj. askorbinianu sodu oraz siarczanu(VI) miedzi(II) [5,6]. Przedmiotem
moich
badań
jest
reakcja
pomiędzy
estrem
propargilowym
kwasu
żółciowego,
a α,α’-diazydo-m-ksylenem w wyniku której powstają dimery steroidowe połączone pierścieniem
1,2,3-triazolowym (Schemat 1.).
Schemat 1. Synteza dimerów steroidowych z łącznikami triazolowymi.
387
BioOrg 2015
Zsyntezowane związki zostały scharakteryzowane za pomocą metod spektroskopowych (1H, 13C
NMR, FT-IR), a także przy użyciu technik spektrometrii masowej (ESI-MS, MALDI-TOF). Ponadto
struktury dimerów steroidowych zostały zoptymalizowane metodą semiempiryczną PM5. Obliczenia
teoretyczne stosowane były w celu optymalizacji struktury otrzymanych ligandów oraz zapoznania się z
przestrzenną budową cząsteczki (Rysunek 1.).
Rysunek.1. Model dimeru steroidowego obliczony semiempiryczną metodą PM5.
Kolejnym etapem badań były próby funkcjonalizowania otrzymanych związków. Badania
aplikacyjne oparto na założeniu, iż dany dimer jest zdolny do tworzenia wiązań wodorowych.
W przypadku dimerów steroidowych połączonych za pomocą pierścienia 1,2,3-triazolowego, zarówno
triazol, jak i grupy hydroksylowe pochodzące od kwasów żółciowych potencjalnie posiadają zdolność do
tworzenia wyżej wymienionych oddziaływań. Ze względu na posiadanie wolnych par elektronowych oraz
atomów wodoru w przypadku grup hydroksylowych ligand może być akceptorem lub donorem protonów.
Literatura:
[1] P. M. Dewick (2002) Medicinal Natural Products, John Wiley & Sons Ltd
[2] T. Pospieszny, H. Koenig, I. Kowalczyk, B. Brycki (2014) Molecules 19:2557-2570
[3] J. Tamminen, T. Kolehmainen (2001) Molecules 6:21-46
[4] T. Pospieszny (2015) Helvetica Chimica Acta 98:1337-1350
[5] H. C. Kolb, M. G. Finn, K. B. Sharpless (2001) Agewandte Chemie Interantional Edition 40: 2004-2021
[6] F. Amblard, J. H. Cho, R. F. Schinazi (2009) Chemical Review 109:4207-4220
388
BioOrg 2015
SYNTEZA I STRUKTURA NOWYCH KOMPLEKSÓW
SUPRAMOLEKULARNYCH O POTENCJALNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH
SUPERPARAMAGNETYCZNYCH
Dawid Pakulski*, Adam Gorczyński, Dawid Marcinkowski, Violetta Patroniak
Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89b 61-614
Kompleksy metali przejściowych oparte na ligandach typu zasad Schiffa wzbudzają
zainteresowanie wśród naukowców, w związku z ich interesującymi właściwościami magnetycznymi
i katalitycznymi [1]. Podążając tym tropem dążymy do otrzymania układu opartego na wyżej
wymienionych podzespołach, które oprócz tego posiadają wysoką barierę energetyczną dla odwrócenia
namagnesowania Ueff, a to z kolei prowadzi do znalezienia zastosowania w materiałach magazynujących
informację o dużej gęstości i komputerach kwantowyhch [2]. Aby to w ogóle było możliwe kompleks
musi zachowywać się jak superparamagnetyk w niskich temperaturach (ang. Single molecule magnet
behaviour). Dysponujemy już pierwszymi kompleksami o takim zachowaniu z jonami metali bloku
f- elektronowych, które zostały scharakteryzowane metodami strukturalno-spektroskopowymi [3].
Rozszerzeniem tego projektu będzie znalezienie układów z jonami metali bloku d- elektronowych
wykazujące wysoką barierę energetyczną Ueff poprzez wcześniejsze modelowanie komputerowe.
Rysunek 1.
Badania
zostały
przeprowadzone
w
ramach
programu
"Diamentowy
Grant"
(Grant nr 0111/DIA / 2012/41) Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego.
Literatura:
[1] D. N. Woodruff, R. E. Winpenny, R. A. Layfield (2013) Lanthanide single-molecule magnets, Chem. Rev. 113:5110-5148
[2]
A)
S.
Sanvito
(2011)
Chem.
Soc.
Rev.
3336;
B)
F.
Troiani,
(2011)
Chem.
Soc.
Rev.
C) M. S. Fataftah (2014) Inorg. Chem. 10716
[3] A. Gorczyński, M. Kubicki, D. Pinkowicz, R. Pełka, V. Patroniak, R. Podgajny (2015) Dalton Trans.16833–16839.
389
3119;
BioOrg 2015
NIEKOWALENCYJNE AGREGATY KALIKSALENOWE
Małgorzata Petryk1,2*, Agnieszka Janiak1, Marcin Kwit1,3
1
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89B, 61-614 Poznań
Wielkopolskie Centrum Zaawansowanych Technologii, ul. Umultowska 89C, 61-614 Poznań
3
Instytut Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk, ul. Kasprzaka 44/52, 01-224Warszawa
2
Odwracalna reakcja iminowania, bazująca na koncepcji dynamicznej chemii wiązań
kowalencyjnych (ang. Dynamic Covalent Chemistry), stanowi użyteczną metodę syntezy związków
o dużych pierścieniach, z predysponowanych substratów.
Opracowana w naszym Zespole reakcja cyklokondensacji pomiędzy enancjomerycznie czystym
trans-(1R,2R)-diaminocykloheksanem
(DACH-em)
a
różnymi
dialdehydami
aromatycznymi
i alifatycznymi pozwala na otrzymywanie makrocykli z praktycznie ilościowymi wydajnościami.
Ta metoda syntezy dużych pierścieni szybko zyskała uznanie w świecie naukowym [1,2].
Obniżenie symetrii dialdehydów, poprzez formalne zastąpienie jednego z protonów
aromatycznych grupą hydroksylową oraz dodatkowa możliwość funkcjonalizacji aldehydu, pozwalają na
otrzymanie nowej klasy związków. Ich struktura będzie determinowana wpływem sterującym grupy OH
i obecnością objętościowego podstawnika R (Schemat 1). Ze względu na podobieństwo do struktury
kaliksarenów, związki te nazywane są kaliksalenami.
Schemat 1. Schemat syntezy.
Jedną z cech kaliksalenów jest zdolność do tworzenia układów supramolekularnych, zarówno w
krysztale, fazie gazowej i w roztworze [3]. Dynamiczne tworzenie się supermolekuł jest kontrolowane
wielkością podstawnika oraz typem oddziaływań międzycząsteczkowych..
Literatura:
[1] J. Gawroński, H. Kołbon, M. Kwit, A. Katrusiak (2000) Designing Large Triangular Chiral Macrocycles: Efficient
[3+3]
Diamine−Dialdehyde Condensations Based on Conformational Bias, The Journal of Organic Chemistry, 65(18):5768-5773
[2] N. E. Borisowa, M. D. Reshetkova, Y. A. Ustynyuk (2007) Metal-Free Methods in the Synthesis of Macrocyclic Schiff
Bases, Chemical Reviews, 107(1):46-79
[3] M. Petryk, A. Troć, B. Gierczyk, W. Danikiewicz, M. Kwit (2015) Dynamic Formation of Noncovalent Calixsalen
Aggregates, Chemistry – an European Journal, 21(29):10318-10321 (10 p
390
BioOrg 2015
ADSORPCJA ZWIĄZKÓW ZAPACHOWYCH NA GLINOKRZEMIANACH
Kornelia Poniedziałek*, Katarzyna Bielicka-Daszkiewicz
Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska
Ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań
pojedynczy, 10
(odstęp pojedynczy
Glinokrzemiany to materiały zbudowane z tetraedrów krzemianowych i glinianowych. Jednym
z rodzajów glinokrzemianów są zeolity - porowate krystaliczne minerały. Zeolity są dobrymi sorbentami
i znajdują wiele zastosowań w różnych dziedzinach, m.in. jako osuszacze powietrza, sorbenty
szkodliwych substancji, czy pułapki zapachów [1]. Ważną cechą materiałów zeolitowych jest ich
możliwość działania jako sita molekularne – zeolity zbudowane są z systemu połączonych porów
i kanałów o określonej wielkości, w których mogą adsorbować się odpowiednio duże cząsteczki
substancji, natomiast zbyt duże molekuły nie mogą ulec sorpcji i zostają oddzielone od mniejszych
cząsteczek [2,6].
W zależności od typu zeolitu i jego pochodzenia wielkość ich porów i regularność powierzchni
materiału może się różnić, skąd wynikają różnice w procesie adsorpcji. Zbadano 9 różnych materiałów
zeolitowych pochodzenia zarówno naturalnego jak i syntetycznego oraz zmodyfikowane zeolity
naturalne. Związki zapachowe jakie wykorzystano w trakcie badań to geraniol, mentol i tymol – alkohole
monoterpenowe różniące się między sobą budową i wielkością cząsteczek [3].
Do zbadania procesu adsorpcji substancji na zeolitach wykorzystano technikę ekstrakcji do fazy
stałej (SPE), nanosząc odpowiednie ilości roztworów związków zapachowych na materiał a następnie
wymywając 1ml porcjami rozpuszczalnika zaadsorbowane substancje do momentu ustania procesu
desorpcji. Do analizy ilości związków zapachowych w eluacie posłużyła technika chromatografii
gazowej. Wykonanie analiz chromatograficznych pozwoliło na określenie krzywych desorpcji związków
zapachowych i opisania procesu adsorpcji na zeolitach różnego pochodzenia [5,7].
Najsilniej sorbującymi materiałami okazały się zeolity pochodzenia naturalnego – do wymycia
zaadsorbowanych substancji na tych materiałach wykorzystano najwięcej rozpuszczalnika, którym był
metanol. Dodatkowo, najwięcej substancji zaadsorbowanych na naturalnych zeolitach zostało
zatrzymanych i nie desorbowało mimo przemywania większymi ilościami metanolu. W przypadku
zeolitów pochodzenia syntetycznego zaadsorbowane związki desorbowały niemal w 100%.
Na podstawie przeprowadzonych badań określono również jak na proces adsorpcji wpłynęły
modyfikacje powierzchni zeolitów naturalnych. Zauważono poprawę w powtarzalności procesu –
powierzchnia zeolitów naturalnych jest nieregularna, dodatkowo materiały naturalne wzbogacone są
o różne domieszki, stąd proces adsorpcji charakteryzuje się brakiem powtarzalności. Modyfikacje
391
BioOrg 2015
wpływają na ujednolicenie powierzchni materiału, a tym samym na powtarzalność procesu adsorpcji.
Dodatkowe grupy funkcyjne wprowadzone na powierzchnię w procesie modyfikacji zeolitów
naturalnych, blokując dostęp do porów wewnątrz struktury wpłynęły również na ilość cząsteczek silnie
zatrzymanych na materiale. Podobnie jak w przypadku zeolitów syntetycznych niemal całość
zaadsorbowanych cząsteczek została wymyta z sorbentu.
Innym aspektem opisywanego procesu jaki również zbadano był wpływ wielkości i budowy
cząsteczki na siłę adsorpcji. Związkiem, który najsilniej adsorbował się na badanych materiałach
glinokrzemianowych był geraniol – substancja o najmniejszej cząsteczce spośród trzech adsorbowanych
związków. Ze względu na wielkość cząsteczki geraniol może wnikać do wewnętrznych porów i silniej się
adsorbować. Zarówno mentol jak i tymol mają większe cząsteczki, gdyż posiadają pierścienie w swojej
budowie (aromatyczny w przypadku tymolu, alifatyczny w przypadku mentolu), stąd też adsorbują się
tylko na powierzchni materiału, skąd łatwo mogą desorbować.
Podsumowując, można stwierdzić, że proces adsorpcji na materiałach glinokrzemianowych
w zależności od ich pochodzenia wygląda różnie. Na postawie przedstawionych wyników można również
powiedzieć, że zeolity naturalne są dobrymi sorbentami związków zapachowych, gdyż cząsteczki silnie
się z nimi wiążą, lecz ich wadą jest brak powtarzalności procesu. Mogą one znaleźć zastosowanie jako
pułapki zapachów w przypadku, gdy pożądane jest silne zaadsorbowanie substancji. Zeolity syntetyczne,
które również są dobrymi sorbentami zapachów, mogą zostać wykorzystane, gdy konieczne jest szybkie
uwolnienie zapachu. Zmodyfikowanie powierzchni zeolitów naturalnych wpływa na proces adsorpcji na
danym materiale, zmieniając jego charakterystykę na zbliżoną do materiałów syntetycznych.
Literatura:
[1] B. Strzemiecka, M. Kasperkowiak, M. Łozyński, D. Paukszta, A. Voelkel (2012) Examination of zeolites as fragrance
carriers, Microporous and Mesoporous Materials 161:106-114
[2] I. Jewsiejewicz Nejmark Syntetyczne sorbenty mineralne, (1988) Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa
[3] K. Bauer, D. Garbe, H. Surburg Common Fragrance and Flavor Materials - Preparation, Properties and Uses (2001),
VCH
[4] M. Kasperkowiak (2014) Materiały mikro- i mezoporowate jako napełniacze aktywne, Politechnika Poznańska
[5] P. Stepnowski, E. Synak, B. Szafranek, Z. Kaczyński (2010) Techniki separacyjne, Wydawnictwo Uniwersytetu
Gdańskiego
[6] R. Szostak (1992) Handbook Of Molecular Sieves: Structures, Synthesis and Properties, Van Nostrand Reinhold, Nowy
Jork
[7] T. Cserháti (2010) Chromatography of Aroma Compounds and Fragrances, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg
[8] Z. Sarbak (2000) Adsorpcja i adsorbenty. Teoria i zastosowanie, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań
392
BioOrg 2015
MODYFIKACJE WŁAŚCIWOŚCI POLI-(3,4 ETYLENODIOKSYTIOFENU) W
CELU ANALIZY ELEKTROCHEMICZNEJ
Joanna Przepióra, Tomasz Rębiś, Bożena Karbowska, Grzegorz Milczarek
* e-mail:tomasz.rebis.put.poznan.pl
Ze względu na unikalne właściwości elektrochemiczne, polimery przewodzące znalazły szerokie
zastosowanie jako materiały elektrodowe w elektroanalizie. Do jednaj z najszerzej badanych grup
polimerów
przewodzących
należą
liczne
pochodne
politiofenu,
wśród
których
ogromnym
zainteresowaniem cieszy się poli 3,4-(etylenodoksytiofen) (PEDOT). Uznawany jest on za jeden
z najbardziej trwałych polimerów przewodzących; wyróżnia się dobrą stabilnością na odkształcenia
mechaniczne, wysokim przewodnictwem oraz niewielką przerwą energetyczną [1]. Ze względu na
podstawnik eterowy w pozycjach 3 i 4, który posiada dość znaczne właściwości elektrono-donorowe,
polimeryzacja
monomeru
(3,4-etylenodioksytiofenu)
zachodzi
przy
niższym
potencjale
niż
niepodstawionego tiofenu. Cecha ta sprawia, że PEDOT może być otrzymywany w zdecydowanie
łagodniejszych warunkach niż politiofen [2]. Możliwość elektrochemicznej modyfikacji polimerów
przewodzących (w tym PEDOT-u) jest niezwykle użyteczną procedurą, umożliwiającą poprawę
właściwości elektroanalitycznych [3]. PEDOT wykorzystywany był we wcześniejszych pracach do celów
amperometrycznego oznaczania metali ciężkich takich jak ołów i kadm [4,5]. Jak dotąd jednakże, nie
było prób wykorzystania tego polimeru do oznaczenia talu. Niniejsza praca poświęcona jest badaniom
elektrochemicznej detekcji zawartości jonów talu (I) przy wykorzystaniu elektrody GC modyfikowanej
cienką warstwą PEDOT-u. Analizę wykonano metodą DPASV, z użyciem dodatkowo elektrody
kalomelowej (odniesienia) i platynowej (pomocniczej), które były bezpośrednio wprowadzone do
naczynka pomiarowego. Potencjał zatężania wynosił -0,9V, czas zatężania 120-1200s, w zależności od
stężenia talu. Elektrolit podstawowy stanowił 0,05M EDTA. Wykonane analizy pozwoliły na dobór
parametrów do oznaczeń talu w próbkach środowiskowych. W pracy porównane zostaną właściwości
detekcyjne filmów polimerowych wytwarzanych w samym elektrolicie podstawowym (0.1 M HClO 4)
oraz w obecności dodatków lignosulfonianów (związków polianionowych pochodzenia naturalnego).
projekt badawczy DS PB 31-293/2015
393
BioOrg 2015
Literatura:
[1] J.W. Schultze, H. Karabulut (2005) Application potential of conducting polymers, Electrochimica Acta 50:1739–1745
[2] D.G. Pijanowska, A. Kossakowska, W. Torbicz (2011) Electroconductive Polymers in (Bio)chemical Sensors,
Biocybernetics and Biomedical Engineering 31:43–57
[3] J. Li, X. Lin (2007) Electrocatalytic reduction of nitrite at polypyrrole nanowire–platinum nanocluster modified glassy
carbon electrode, Microchemical Journal 87:41–46
[4] S. Anandhakumar, J. Mathiyarasu, K. L. N. Phani, V. Yegnaraman (2011) Simultaneous Determination of Cadmium and
Lead Using PEDOT/PSS Modified Glassy Carbon Electrode American Journal of Analytical Chemistry 2:470-474
[5] N. G. Yasri, A. J. Halabi, G. Istamboulie, T. Noguer (2011) Chronoamperometric determination of lead ions using
PEDOT:PSS modified carbon electrodes, Talanta 85:2528-2533
394
BioOrg 2015
SYNTEZA, SUBSTYTUCJA NUKLEOFILOWA I LIPOFILNOŚĆ
POCHODNYCH 6-CHLORO-3-TRIFLUOROMETYLO1,2,4-TRIAZOLO[4,3-B]PIRYDAZYNY
Anna Przybysz, Anna Katrusiak*
Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego,
* [email protected]
6-Chloro-3-trifluorometylo-1,2,4-triazolo[4,3-b]pirydazynę
(1)
otrzymano
w
wyniku
wieloetapowej syntezy, w której substratami wyjściowymi był hydrazyd maleinowy i tlenochlorek
fosforu (Schemat 1). Tożsamość związku 1 potwierdza widmo 1H NMR, które składa się z pary dubletów
przy ok. 7,37 i 8,26 pochodzącej od protonów przy atomach węgla C7 i C8. Wartość stałej sprzężenia
J=9,8 Hz świadczy o sprzężeniu spinowo-spinowym.
O
HN
NH
i
NH
ii
O
NH2
N
iii
N
N
N
N
CF3
N
Cl
Cl
1
Rysunek 1. Synteza 6-chloro-3-trifluorometylo-1,2,4-triazolo[4,3-b]pirydazyny (1): i) POCl3, ii) H2NNH2 x H2O/ EtOH, iii)
CF3COOH
Związek 1 poddano reakcjom klasycznej substytucji nukleofilowej i reakcji zastępczego
nukleofilowego podstawienia wodoru (VNS). Klasyczną substytucję nukleofilową przeprowadzono w
środowisku wrzącego etanolu z takimi czynnikami nukleofilowymi jak morfolina, piperazyna,
metyloamina, metoksylan sodu, etoksylan sodu, dietanoloamina, piperydyna otrzymując odpowiednie
pochodne ipso podstawione przy atomie węgla C6 (2 – 7). Nie stwierdzono powstawania pochodnych
cine. (Schemat 2)
W celu przeprowadzenia reakcji VNS zsyntetyzowano dwa prekursory karboanionów użytych
do tej reakcji: sulfon chlorometylofenylowy i sulfon chlorometylo-4-metylofenylowy. Reakcje VNS
przeprowadzono w temperaturze 0-5 ºC, z zachowaniem warunków bezwodnych w środowisku suchego
DMF w obecności zasady, którą była sproszkowana KOH (Schemat 2). Otrzymano produkty zastępczego
podstawienia wodoru: 6-chloro-8-tosylometyleno-3-trifluorometylo-1,2,4-triazolo[4,3-b]pirydazynę (8) i
6-chloro-8-fenylosulfonylometyleno-3-trifluorometylo-1,2,4-triazolo[4,3-b]pirydazynę (9) podstawione
przy atomie węgla C8. W zastosowanych warunkach reakcyjnych nie stwierdzono powstawania
produktów annulacji.
395
BioOrg 2015
R
N
N
O
CF3
S
N
ii
CF3
N
i
N
O
N
N
CF3
N
Cl
Cl
Nu
8, 9
1
2-7
Rysunek 2. Reakcje substytucji nukleofilowej związku 1. i) czynnik nukleofilowy/ EtOH. ii) sulfon/ DMF / KOH 0-5ºC
Izolacji i oczyszczenia nowych pochodnych dokonano na drodze chromatografii kolumnowej
przy użyciu fazy rozwijającej aceton/heksan 3:2. Tożsamość zsyntetyzowanych związków potwierdzono
analizą widm 1H NMR, 13C NMR i MS.
Metodą chromatografii cienkowarstwowej z odwróconymi fazami określono lipofilność
produktów reakcji substytucji nukleofilowej związku 1. Fazą rozwijającą była mieszanina metanol/woda
8:2. Stwierdzono, że większość wprowadzonych nukleofilowych podstawników w pozycję C6 związku 1
zwiększa jego lipofilność. Zmniejszenie lipofilności powodował tylko podstawnik metoksylowy.
Najbardziej lipofilna okazała się 6-metyloamino-3-trifluorometylo-1,2,4-triazolo[4,3-b]pirydazyna.
396
BioOrg 2015
ZWIĄZKI KOMPLEKSOWE TYPU 15-METALOKORONA-5 JAKO ZWIĄZKI
ODDZIAŁUJĄCE ZE STRUKTURAMI DNA WYŻSZEGO RZĘDU
1
Ewa Rajczak *, Agata Gluszynska1, Raimundo Gargallo2, Bernard Juskowiak1
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Chemii, Pracownia Chemii Bioanalitycznej,
2
Department of Analytical Chemistry, University of Barcelona, Marti i Franques 1-11, 08028 Barcelona, Spain
1
Etery metalokoronowe (MCs) stanowią nieorganiczne analogi eterów koronowych [1].
Te związki supramolekularne znalazły zastosowanie między innymi jako receptory molekularne [2-3].
Ich cechą charakterystyczną jest posiadanie makrocyklicznej wnęki, w którą to mogą zadokować
cząsteczki gościa.
Spośród szeregu struktur tworzonych na niciach nukleotydowych, na szczególna uwagę
zasługują
G-kwadrupleksy
(GQs).
G-kwadrupleksy
są
przestrzennymi
strukturami
kwasów
nukleinowych, powstającymi na niciach DNA bogatych w zasady guaninowe, a stabilizowane są przez
wiązania
wodorowe
typu
Hoogsteen’a
[4-5].
G-kwadrupleksy
mają
zastosowanie
w terapii
antynowotworowej, jako struktury wygaszające aktywność enzymu telomeraza [6].
W pracy zostaną przedstawione wyniki badań oddziaływań eterów typu 15-metalokorona-5
z ludzkim telomerowym DNA, zdolnym do utworzenia struktury G-kwadrupleksowej.
Oddziaływania związków z DNA zostały przeprowadzone przy zastosowaniu spektroskopii
dichroizmu kołowego (CD), rejestrując profile temperatur topnienia DNA w obecności związków, jak
również wykonując innowacyjny eksperyment wygaszania fluorescencji kompleksu kwadrupleks-Tb3+
podczas miareczkowania metalokoronami.
Analiza widm CD wykazała, iż zwiększanie stężenia związków powoduje zmniejszanie się pasm
charakterystycznych dla struktury G-kwadrupleksowej DNA. Może to świadczyć o destabilizującym
charakterze badanych kompleksów na struktury DNA wyższego rzędu.
Praca została zrealizowana w ramach grantu badawczego 2014/13/N/ST4/04099 finansowanego
ze środków Narodowego Centrum Nauki.(odstęp pojedynczy, 10 pkt)
Literatura:
[1] G. Mezei, C. M. Zaleski, V.L. Pecoraro (2007) Chemical Reviews 107:4933-5003;
[2] R. H. Fish (1999) Coordination Chemistry Reviews 185–186:569–584
[3] A.D. Cutland, R. G. Malkani, J. W. Kampf, V. L. Pecoraro (2000) Angewandte Chemie. Intern. Edition 39:2689-2691
[4] M. Gellert, M.N. Lipsett, D.R. Davies (1962) PNAS 48:2013-2018
[5] J. Lingner, T.R. Cech (1998) Current Opinion in Genetics & Development 8:226-232
[6] C. Philippi, B. Lorentz, U.F. Schaefer, C.M. Lehr (2010) Journal of Controlled Release 146: 228-240
397
BioOrg 2015
FOSFONIOWE CIECZE JONOWE JAKO EKSTRAHENTY METALI
SZLACHETNYCH
Martyna Rzelewska*, Monika Baczyńska, Magdalena Regel-Rosocka, Maciej Wiśniewski
Zaprezentowano badania dotyczące ekstrakcji jonów Rh(III) i Ru(III) z roztworów kwaśnych
roztworami
fosfoniowych
trimetylopentylo)fosfinianu
i
bromku
cieczy
jonowych
o
różnej
(Cyphos
strukturze
(Cyphos
IL
101,
chemicznej:
IL
bis(2,4,4-
104),
Cyphos
chlorku
IL
102)
oraz trifluorometylosulfonylo-imidku triheksylo(tetradecylo)fosfoniowego (Cyphos IL 109).
Metale z grupy platynowców (PGM), takie jak rod, ruten, pallad, platyna są wyjątkowo rzadkie
w porównaniu do innych metali. Ich zawartość w eksploatowanych obecnie złożach PGM wynosi około
3,8-22,0 ppm [1]. Zapotrzebowanie na PGM wciąż wzrasta, w związku z czym ich ceny na światowym
rynku utrzymują się na wysokim poziomie (Pt: 988,13 $/Oz, Pd: 686,65 $/Oz, Rh: 767,17 $/Oz,
Ru: 42.00 $/Oz) [2]. PGM mają bardzo duże znaczenie technologiczne ze względu na takie właściwości,
jak niska reaktywność chemiczna, czy wysoka odporność na temperaturę. Około 60% rocznej światowej
produkcji platynowców, zwłaszcza Pt, Pd i Rh, jest wykorzystywana do produkcji katalizatorów
samochodowych [1, 3]. W ostatnich latach zaobserwowano wzrost zainteresowania technikami
hydrometalurgicznymi w odzysku metali szlachetnych ze źródeł wtórnych. Ekstrakcja ciecz-ciecz jest
jedną z najskuteczniejszych technik odzysku PGM z kwaśnych roztworów wodnych. Jako skuteczne
ekstrahenty metali z grupy platynowców zaproponowano ostatnio czwartorzędowe sole fosfoniowe [4, 5].
Celem pracy jest porównanie wyników ekstrakcji jonów Rh(III) i Ru(III) z roztworów chlorkowych za
pomocą czterech cieczy jonowych o różnej strukturze chemicznej: Cyphos IL 101, IL 102, IL 104 oraz IL
109. Badano także starzenie się kwaśnych roztworów wodnych Ru(III) i Rh(III).
Do ekstrakcji jako fazy organiczne zastosowano roztwory indywidualnych ekstrahentów Cyphos
IL 101, IL 102, IL 104, IL 109 (Cytec Industries Inc.) o stężeniu 0,005 M w toluenie. Fazy wodne
(surówki) zawierały 0,0025 M Rh(III) lub Ru(III) oraz 0,1 lub 5 M HCl. Stosowano sole badanych metali
w postaci chlorków (IMC Platinum Grup Chemicals oraz Sigma Aldrich). Ekstrakcję prowadzono
w szklanych rozdzielaczach o objętości 50 cm3. Stosunek objętości fazy wodnej do fazy organicznej
wynosił 1:1 (5:5 cm3). Próbki wytrząsano odpowiednio: 1, 10, 20 oraz 60 minut. Reekstrakcja
przeprowadzana była za pomocą roztworów wodnych: 0,5 M NH3 (rod), 0,1 M tiomocznik/0,5 M HCl
i 5 M HCl (ruten) przez 20 minut, także w stosunku w/o=1:1. Stężenie jonów Rh(III) i Ru(III) oznaczano
398
BioOrg 2015
techniką absorpcyjnej spektrometrii atomowej ASA (Z-8200 Polarized Zeeman AAS) przy długościach
fal 369,2 i 349,9 nm odpowiednio dla Rh(III) i Ru(III).
Przeprowadzono ekstrakcję jonów Rh(III) i Ru(III) z modelowych, świeżych roztworów 0,1 M
kwasu solnego roztworami trzech cieczy jonowych w zależności od czasu wytrząsania faz. Wyniki
zaprezentowano na Rysunku 1.
b)
100
100
90
90
80
80
70
70
60
60
ERh(III), %
ERu(III), %
a)
50
40
30
50
40
30
20
20
10
10
0
0
0
10
20
30
40
50
60
0
10
czas, min
20
30
40
50
60
czas, min
Rysunek 1. Wpływ czasu wytrząsania na ekstrakcję jonów a) Ru(III); b) Rh(III) z Cyphos IL 101 (-■-),
IL 102 (-●-), IL 104 (-▲-)
W obu przypadkach równowaga ekstrakcji ustala się szybko, po dziesięciu minutach. Zarówno dla jonów
Ru(III), jak i Rh(III) najwyższą wydajność ekstrakcji uzyskuje się stosując Cyphos IL 101 jako
ekstrahent. Wydajności wynoszą odpowiednio około ERu(III)=70% i ERh(III)=60%. Naładowane fazy
organiczne poddano reekstrakcji, jej wydajność scharakteryzowano jako procent reekstrakcji (Tabela 1.).
Tabela 1. Średni stopień reekstrakcji jonów Ru(III) i Rh(III) z naładowanych faz organicznych wybranymi reekstrahentami.
Cyphos IL
Reekstrahent
ReRu(III), %
ReRh(III), %
101
5 M HCl
56,2
27,0
0,5 M NH3
-
50,4
0,1 M Tiomocznik/0,5 M HCl
30,2
-
5 M HCl
20,7
-
0,5 M NH3
-
20,1
5 M HCl
28,1
-
0,5 M NH3
-
32,6
0,1 M Tiomocznik/0,5 M HCl
25,1
-
102
104
Przeprowadzono również ekstrakcję jonów Rh(III) i Ru(III) z modelowych roztworów świeżych
i starzonych roztworami czterech cieczy jonowych (Rysunek 2.).
399
BioOrg 2015
b)
100
100
90
90
80
80
70
70
60
60
ERh(III), %
ERu(III), %
a)
50
40
30
50
40
30
20
20
10
10
0
0
0.1
0.1*
5
5*
0.1
stężenie HCl, M
0.1*
5
5*
stężenie HCl, M
Rysunek 2. Wpływ stężenia HCl na ekstrakcję jonów a) Ru(III); b)Rh(III) z Cyphos IL 101 (■),
IL 102 (≡), IL 104 (\\\), IL 109 (), *-roztwory starzone, bez* roztwory świeże
Najwyższe wartości wydajności ekstrakcji (około 70%) uzyskuje się ekstrahując Ru(III) ze
świeżego roztworu 0,1 M HCl za pomocą 0,005 M Cyphos IL 101. Wydajność ekstrakcji jest niemalże
dziesięciokrotnie mniejsza w przypadku tego roztworu starzonego. Wartości wydajności ekstrakcji jonów
Rh(III) zarówno z 0,1 M jak i 5 M HCl są podobne i wynoszą około 55-60% (Cyphos IL 101 i IL 104)
oraz około 45% (Cyphos IL 102) dla roztworów świeżych. Wydajność ekstrakcji jonów Ru(III) i Rh(III)
za pomocą 0,005 M Cyphos IL 109 jest niewielka, w obu przypadkach nie przekracza 10%.
Cyphos IL 101, IL 102, IL 104 są dobrymi ekstrahentami metali szlachetnych. Wydajności
ekstrakcji za pomocą Cyphos IL 101 są największe i wynoszą odpowiednio: ERu(III)=70% i ERh(III)=60%.
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że roztwory wyjściowe Ru(III) oraz Rh(III)
w 0,1 M HCl starzeją się, tzn. po pewnym czasie zmienia się udział chlorokompleksów Ru(III) i Rh(III)
w roztworach wodnych, a nawet stopień utlenienia jonów tych metali, co wpływa na wydajność
ekstrakcji. Hydrofobowy anion trifluorometylosulfonyloimidkowy w Cyphos IL 109 powoduje trudności
w wymianie anionu IL na anionowe chlorokompleksy jonów metali i dlatego jest nieefektywnym
ekstrahentem (wydajność ekstrakcji <10%).
Pracę sfinansowano w ramach grantu 03/32/DS-PB/0501.
Literatura:
[1] F. L. Bernardis, R. A. Grant, D. C. Sherrington (2005) A review of methods of separation of the platinum-group metals through
their chloro-complexes, Reactive & Functional Polymers 65:205-217
[2] http://www.platinum.matthey.com/ (5.11.2015)
[3] A. Fornalczyk, M. Saternus (2009) Removal of platinum group metals from the used auto catalytic converter, Metalurgija
48(2):133-136
[4] M. Regel-Rosocka, M. Rzelewska, M. Baczyńska, M. Janus, M. Wiśniewski (2014) Removal of Palladium(II) from aqueous
chloride solutions with Cyphos phosphonium ionic liquids as metal ion carriers for liquid-liquid extraction and transport across
polymer inclusion membranes, Physicochemical Problems of Mineral Processing 51(2):621−631
[5] A. Cieszyńska, M. Regel-Rosocka, M. Wiśniewski (2011) Ekstrakcyjne metody wydzielania i rozdziału metali szlachetnych,
Przemysł Chemiczny 90(8):1579-1585
400
BioOrg 2015
NOWE POCHODNE FTALAZYNONÓW I CHINAZOLINONÓW
O POTENCJALNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH PRZECIWNOWOTWOROWYCH
Beata Sierocińska, Zbigniew Malinowski, Mieczysław W. Płotka
Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii, Katedra Chemii Organicznej, ul. Tamka 12, 91-403 Łódź
Chinazolinony i ftalazynony są grupą związków, które wzbudzają duże zainteresowanie
w chemii medycznej, ze względu na ich szerokie właściwości biologiczne. Stwierdzono, że wykazują
one, między innymi:
działanie przeciwzapalne, przeciwbólowe, przeciwdrgawkowe
a także
przeciwnowotworowe [1].
Celem prowadzonych obecnie badań jest otrzymanie nowych połączeń zawierających układ
ftalazynonu a także chinazolinonu, charakteryzujących się aktywnością przeciwnowotworową. Główny
nurt prac obejmuje wykorzystanie halogenopochodnych III (Schemat) w reakcjach arylowania amin
i tioli, w warunkach katalizowanej związkami palladu przemiany typu Buchwalda–Hartwiga [2].
Do syntezy N-podstawionych bromolaktamów wykorzystuje się łatwo dostępne kwasy karboksylowe I,
które poddane cyklizacji z hydrazyną lub formamidem prowadzą do odpowiednich ftalazynonów
i chinazolinonów II. Ich dalsze funkcjonalizowanie wybranymi alkoholami w warunkach reakcji
Mitsunobu [3] pozwala uzyskać N-podstawione produkty III stanowiące punkt wyjścia do reakcji
Buchwalda-Hartwiga .
3
R
4
R N
Br
COOH
R
X
1
Br
Y
N
X
H
O
I
Y
N
R
2
O
Y
N
IV
R
2
O
II
X
3
R S
X
III
Y
N
R
2
O
X, Y = CH, N;
1
R = NH 2, CHO, Ac; R
2
V
3
4
= alkil; R , R = H, alkil, aryl
Literatura:
[1] a) N. Vila at al. (2015) Phthalazin-1(2H)-one as a remarkable scaffold in drug discovery, European Journal of Medicinal
Chemistry 97 (2015); b) I. Khan at al. (2014) Recent advances in the structural library of functionalized quinazoline and
quinazolinone scaffolds: Synthetic approaches and multifarious applications European Journal of Medicinal Chemistry 76
[2] M. J. Mphahlele at al. (2014) Advances in Metal-Catalyzed Cross-Coupling Reactions of Halogenated Quinazolinones and
Their Quinazoline Derivatives, Molecules 19:17435-17463
[3] Z. Malinowski (2014) Synthesis of N-(2-(Methylamino)ethyl) Derivatives of 2H-Phthalazin-1-ones, Synthetic
Communications 44: 3572–3581
401
BioOrg 2015
HYDROAMINOWANIE ALKINÓW
KATALIZOWANE ZWIĄZKAMI MIEDZI(I)
Maciej Skrodzki
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Wydział Chemii, Zakład Chemii Metaloorganicznej
60-780 Poznań, ul. Umultowska 89b
email: [email protected]
Hydroaminowanie to reakcja pomiędzy alkenem bądź alkinem a amoniakiem lub aminą
pierwszo- czy drugorzędową. Jest to bardzo przyjemna, z syntetycznego punktu widzenia, reakcja.
Produkty ubocznie praktycznie w niej nie występują, substraty są proste oraz niedrogie, a ostatnio została
uznana jako przykład „zielonej chemii”. Otrzymywanie aminowanych produktów jest wysoce pożądane,
ponieważ grupa aminowa jest szeroko rozpowszechniona w związkach bioaktywnych. Pośród wszystkich
metod syntezy amin, hydroaminowanie wykazuje całkowitą ekonomię atomową w bezpośredniej syntezie
aminowanych produktów. Reakcja ta katalizowana jest przez wiele związków metali przejściowych,
między innymi złota, rodu czy irydu. Kataliza związkami miedzi(I) oferuje dość nietypową drogę reakcji.
Na posterze zaprezentuję przykłady hydroaminowania, które według mnie zasługują na szczególną
uwagę.
N
R
HN
[Cu]
R
R
Rysunek 1. Schemat reakcji hydroaminowania alkinów drugorzędową aminą katalizowanej
przez związki miedzi(I).
Alk1
R
Alk1
1. [Cu]
Alk2
2. Red.
HN
R
N
Alk2
Rysunek 2. Schemat reakcji hydroaminowania alkinu cykliczną aminą katalizowanej
przez związki miedzi(I).
Literatura:
[1] J. Bahri, R. Blieck, B. Jamoussi, M. Taillefer, F. Monnier (2015) Hydroamination of terminal alkynes with secondary
amines catalyzed by copper: regioselective access to amines, Chemical Communications 51(56): 11210-11212
[2] J. Bahri, B. Jamoussi, A. Lee, M. Taillefer, F. Monnier (2015) Copper-Catalyzed Hydroamination of Alkynes with
Aliphatic Amines: Regioselective Acess to (1E,3E)-1,4-Disubstituted-1,3-dienes, Organic Letters 17(5):1224–1227
[3] C. C. C. Johansson Seechurn, M. Kitching, T. Colacot, V. Snieckus (2012) Palladium-Catalyzed Cross-Coupling:
A Historical Contextual Perspective to the 2010 Nobel Prize. Angewandte Chemie International Edition 51(21):5062–5085
[4] J. F Hartwig (2010) Organotransition Metal Chemistry, from Bonding to Catalysis, University Science Books: New York
[5] M. L. Cooke, K. Xu, B. Breit (2012) Enantioselective Rhodium-Catalyzed Synthesis of Branched Allylic Amines by
Intermolecular Hydroamination of Terminal Allene, Angewandte Chemie International Edition 51(43): 10876–10879
402
BioOrg 2015
MODELOWE KONSORCJA CZĄSTECZKOWE NA BAZIE KWASU
OLEANOLOWEGO
Katarzyna Sowa-Kasprzak, Maria Klimaszewska, Lucjusz Zaprutko
Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego, ul. Grunwaldzka 6,
60-780 Poznań
Obecnie coraz częściej pojawiają się choroby, które by mogły być skutecznie leczone wymagają
równoległego zastosowania kilku substancji czynnych. Rezultatem licznych badań jest zastosowanie
w terapii tych schorzeń tak zwanych leków wielocelowych lub wielofunkcyjnych, działających na więcej
niż jeden cel farmakologiczny, zazwyczaj w różnych punktach uchwytu i według zróżnicowanych
mechanizmów. Ponadto związki otrzymane z kilku bioaktywnych cząsteczek często cechują się synergią
ich indywidualnych aktywności składowych [1] bądź też pojawieniem się zupełnie nowego sposobu
działania [2]. Chemiczna kombinacja kilku aktywnych struktur, zwana hybrydą, lub szerzej - konsorcjum
cząsteczkowym, w zależności od funkcyjności i reaktywności chemicznej zastosowanych jej składowych
może być utworzona w sposób bezpośredni lub pośredni za pomocą różnego rodzaju dwufunkcyjnych,
a czasem wielofunkcyjnych mostków (Rysunek 1).
Rysunek 1. Wybrane typy połączeń hybrydowych w konsorcja cząsteczkowe.
Istotnym elementem powyższych połączeń jest stabilność wykorzystanego mostka w substancji
oraz jego względna labilność wewnątrz komórki, co warunkuje pożądany sposób działania potencjalnej
nowej substancji leczniczej w organizmie.
W naszych badaniach, do otrzymania zaplanowanych związków hybrydowych metodą
mostkowania, jako bazową wykorzystano cząsteczkę kwasu oleanolowego, należącego do triterpenoidów
z grupy ß-amyryny, wykazującego liczne rodzaje aktywności farmakologicznej m.in. przeciwwirusową,
przeciwbakteryjną, przeciwbólową, przeciwzapalną, hepatoprotekcyjną czy przeciwnowotworową [3].
Drugi element budowanego konsorcjum stanowią związki aktywne z grupy amin lub fenoli. Jednostki
chemiczne wykorzystane do pilotażowego opracowania warunków syntezy pochodnych mostkowych
przedstawiono na Rysunku 2.
403
BioOrg 2015
HN
O
HN
NH
H3C
O
COOH
H2N
H2N
OH
HO
O
O
S
H2 N
HO
NH2
O
O
CH3
OH
X
X
HO
HO
O
COOH
H3C
X
CH3
HO
O
HO
N
HO
NH
C
CH3
X = Cl, Br
Rysunek 2. Stosowane pilotażowo substancje aktywne i mostki.
W celu utworzenia konsorcjum cząsteczkowego złożonego z wybranych jednostek chemicznych,
wykorzystano dwa sposoby podejścia syntetycznego:
Pierwotne połączenie mostka z przyczółkiem terpenowym
Dogodnym sposobem łączenia kwasu oleanolowego z elementami mostka jest budowa połączeń
estrowych z wykorzystaniem reaktywnej drugorzędowej grupy hydroksylowej przy atomie węgla C-3.
Grupę tę poddano również utlenieniu do grupy 3-karbonylowej, a tę z kolei przekształcono w odpowiedni
3-oksym. Otrzymaną pochodną hydroksyiminową wykorzystano do syntezy połączeń hybrydowych
o charakterze iminoestrów, w których podwójne wiązanie przy C-3 stanowi kluczowy fragment
farmakoforowy.
O
COOH
COOH
NH2OH
HO
HO
N
XCH2COX
O
COOH
O
O
XCH2COOH
X
O
O
COOH
COOH
O
HO
O
O
X
N
O
O
Schemat 1. Metody wprowadzania mostka do cząsteczki terpenowej.
Pierwotne połączenie mostka z przyczółkiem nieterpenowym
404
BioOrg 2015
Reakcje mostkowania cząsteczki nieterpenowej zostały przeprowadzone z wykorzystaniem ugrupowania
fenolowego lub aminowego cząsteczek modelowych symulujących API. Zrealizowano je w oparciu
o proekologiczne trendy w syntezie organicznej z wykorzystaniem promieniowania mikrofalowego [4].
O
O
H3C
C
NH
OH + ClCH2COOH
NaOH, MW
H3C
C
NH
O
CH2 COOH
Schemat 2. Przykładowa reakcja wprowadzenia mostka do cząsteczki nieterpenowej (paracetamolu).
Uzyskane, jednostronnie zmostkowane funkcyjne substraty wykorzystano do przyłączenia
drugiego elementu farmakoforowego (odpowiednio fenolu lub aminy) metodami specyficznymi dla
mostkowania pierwszego przyczółka i otrzymania finalnych pochodnych hybrydowych o charakterze
estrów, iminoestrów oraz amidów. Ogólne wzory otrzymanych struktur przedstawiono na Rysunku 3.
COOH
O
AMINA
lub
FENOL
O
O
COOH
O
AMINA
lub
FENOL
O
COOH
AMINA
lub
FENOL
O
N
O
Rysunek 3. Ogólne wzory mostkowych konsorcjów cząsteczkowych o charakterze hybrydowym.
numer DEC-2013/09/B/NZ7/01279.
Literatura:
[1] T. Głąbski, J. Mikołajczyk, D. Rusek (2013) Związki hybrydowe jako potencjalne leki wielofunkcyjne, Farmacja Polska
69(7):422-433
[2] B. Bednarczyk-Cwynar, L. Zaprutko, J. Marciniak, G. Lewandowski, M. Szulc, E. Kamińska, N. Wachowiak, P.Ł.
Mikołajczak (2012) The analgesic and anti-inflammatory effect of new oleanolic acid acyloxyimino derivative, Europ. J.
Pharmac. Sci. 47:549-555
[3] (a) P. Dzubak, M. Hajduch, D. Vydra, A. Hustova, M. Kvasnica, D. Biedermann, L. Markova, M. Urban, J. Sarek (2006)
Pharmacological activities of natural triterpenoids and their therapeutic implications, Nat. Prod. Rep. 23(3):394-411; (b) J.
Pollier, A. Goossens (2012) Oleanolic acid, Phytochemistry 77(5):10-15
[4] D. Villemin, M. Hammadi (1996) Environmentally desirable synthesis without use of organic solvent. Synthesis of
aryloxyacetic acids, Synth. Comm. 26(23):4337-4341
405
BioOrg 2015
SYNTEZA I ACYLOWANIE 2-FENYLOBENZO[b]FURANU
Karolina Stachowicz*, Halina Kwiecień
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej
Al. Piastów 42, 71-065 Szczecin
email: [email protected]
Związki zawierające układ benzo[b]furanu są szeroko opisywane w literaturze, zarówno
w kwestii ich syntezy jak i zastosowania. Zainteresowanie badaczy syntezą pochodnych benzo[b]furanu
i dalszym ich zastosowaniem w lecznictwie, zainspirowane zostało medycyną ludową i zielarstwem.
Wynika to z faktu, iż napary z roślin zawierających w swoim składzie pochodne tych heterocyklicznych
związków, są z powodzeniem stosowane w dolegliwościach układu krążenia. Przykładem takiej
substancji jest kelina (1), wyizolowana z amidka egipskiego (Ammi visnaga), powoduje rozszerzenie
naczyń krwionośnych. Napary z kwiatów są zalecane osobom z chorobą wieńcową, kamicą nerkową oraz
astmą oskrzelową [1].
O
O
OH
O
O
O
HO
OH
O
HO
OH
O
OH
2
1
3
Rośliny z rodzaju morw (Morus L.) charakteryzują się obecnością w składzie aktywnych
związków: Moracin C (2) i Moracin M (3) . Potwierdzono ich działanie przeciwdrobnoustrojowe,
cytotoksyczne i antyoksydacyjne, oba mogą być stosowane w celu oczyszczenia organizmu [2].
Dobre wyniki terapii naturalnymi pochodnymi benzo[b]furanu zaowocowały próbami
syntetycznego pozyskania takich związków i zastosowania ich w lekach, spośród nich praktyczne
znaczenie dla przemysłu farmaceutycznego mają pochodne acylowe 2-alkilo- i 2-arylobenzo[b]furanu.
Najbardziej znanym z nich i stosowanym u chorych z arytmią jest amiodaron (4). Jego działanie polega
na regulacji komorowych zaburzeń rytmu serca oraz migotania przedsionków, poprzez oddziaływanie na
pompy: potasowe i wapniowe [3].
I
H3O2CSHN
O
O
O
O
N
N
I
O
O
4
5
Stosowanie amiodaronu może się jednak wiązać z przykrymi konsekwencjami zdrowotnymi. Dzieje się
tak, ponieważ podczas biotransformacji ma miejsce N-deetylacja jednej z grup etylowych oraz usunięcie
406
BioOrg 2015
z pierścienia aromatycznego jonów jodkowych. Jony takie hamują przemianę tyroksyny do
trijodotyroniny, zaburzając tym samym pracę tarczycy, co w konsekwencji może prowadzić do jej
niedoczynności[5]. Mając to na uwadze, obecnie dużo częściej stosowany jest dronedaron (5), zbliżony
strukturą do amiodaronu, jednak nie zawierający jodu, co znacząco obniża jego szkodliwość [5].
Inne pochodne benzo[b]furanów wykazują działanie pestycydowe, w tym herbicydowe oraz
insektycydowe.
Znanych jest wiele metod syntezy benzo[b]furanów, które można podzielić na dwie grupy:
pierwsza polega na cyklizacji odpowiednio podstawionych łańcuchowych prekursorów, natomiast w
drugiej substratem jest gotowy układ benzo[b]furanu. Najbardziej obszerna literatura opisująca metody
syntezy benzo[b]furanów dotyczy tych opartych na cyklizacji. Metody te zostały szczegółowo opisane w
encyklopediach: Houben-Weyla (Vol. E 6b1, s 33-162), Comprahensive Heterocyclic Chemistry, oraz w
Science of Synthesis [7] i polegają głównie na cyklizacji odpowiednio podstawionych związków
benzenowych z utworzeniem jednego z 4 możliwych wiązań pierścienia furanu: O-C2, C2-C3, C3-b lub
O-b) [6,7].
3
2
b
O
Znane są też metody polegające na anulacji pierścienia benzenowego, w których substratami są
odpowiednio podstawione pochodne furanu
W pracy przedstawiono syntezę 2-fenylobenzo[b]furanu (schemat 1) poprzez na cyklizację
kwasu 2-(2-formylofenoksy)-2-fenylooctowego. Potrzebny kwas otrzymano poprzez O-alkilowanie
aldehydu salicylowego z 2-bromo-2-fenylooctanem metylu. Ester ten otrzymano metodą opracowaną w
Zakładzie Syntezy Organicznej i Technologii Leków ZUT w Szczecinie dla odpowiednich estrów
alkilowych. W wyniku badań ustalono optymalne warunki syntezy zarówno 2-bromo-2-fenylooctanu
metylu, jak i jego kondensacji z aldehydem salicylowym. Produkt kondensacji hydrolizowano do kwasu
2-(2-formylofenoksy)-2-fenylooctowego, a następnie cyklizowano do 2-fenylobenzo[b]furanu.
Br
1.
O
2.
O
O
KOH
O
Ac2O
O
OH
O
t.wrz
O
OH
Schemat 1. Synteza 2-fenylobenzo[b]furanu.
Celem badań było otrzymanie nowych acylowych pochodnych zsyntetyzowanego 2fenylobenzo[b]furanu (rys. 3). Badano reakcje z bezwodnikiem octowym, chlorkiem 3,4,5trimetoksybenzoilu oraz chlorkiem 4-chlorobenzoilu. Zmieniano warunki reakcji: czas, temperaturę,
407
BioOrg 2015
stosunek molowy reagentów oraz wpływ dodatku żywicy jonowymiennej Amberlyst 15 na przebieg
reakcji.
O
O
O
O
O
DCE
Amberlyst 15
O
O
t. wrz.
Cl
O
O
O
Schemat 2. Acylowanie 2-fenylobenzo[b]furanu.
Literatura:
[1] R.S. Ward (1997) Lignans, neolignans and related compounds. Nat. Prod. Rep., (14) 43-74
[2] J.M. Rollinger et al., (2005) Discovering COX-inhibiting constituents of Morus root bark: activity-guided versus computeraided methods. Planta Med., (71), 399-405
[3] G. Bourgery, L. Dostert, A. Lacour et al. (1981) Synthesis and antiarrhythmic activity of new benzofuran derivatives.
J Med Chem, (24) 159-67
[4] M. Kowalski (2001) Farmakoterapia chorób reumatycznych. Służba Zdrowia (1-2):2996-7
[5] E, Hejchman, K. Ostrowska, D. Grzeszczut, N. Kruk (2013) Leki benzofuranowe (6): 72-79
[6] G. W. Kabalka, L. Wang, R. M. Pagni (2001) Sonogashira coupling and cyclization reactions on alumina: a route to aryl
alkynes, 2-substituted-benzo[b]furans and 2-substitutedindoles. Tetrahedron (57): 8017-8028
[7] H. Kwiecień (2014) Science of Synthesis Knowledge Updates, Product class: 1 Benzo[b]furan (4): 51-361
[8] H. Kwiecień , M. Smist, M. Kowalewska (2012) Recent Development on the Synthesis of Benzo[b]- and
Naphtho[b]furans: A Review Current Organic Synthesis (9): 529-560
408
BioOrg 2015
POLIHYDROKSYLOWE CHIRALNE MAKROCYKLE I KLATKI
MOLEKULARNE
Joanna Szymkowiak*1,2, Marcin Kwit1,2
1
2
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Wydział Chemii, ul. Umultowska 89B, 61-614 Poznań
Wielkopolskie Centrum Zaawansowanych Technologii, ul. Umultowska 89C, 61-614 Poznań
* e-mail:[email protected]
Tworzenie chiralnych makrocykli i makroklatek o zdefiniowanej strukturze i właściwościach jest
jednym z wiodących zagadnień współczesnej chemii supramolekularnej. Opracowana w Pracowni
Stereochemii Organicznej, bazująca na koncepcji Dynamicznej Chemii Wiązań Kowalencyjnych, reakcja
cykloiminowania pomiędzy chiralnymi dipodalnymi aminami oraz di- lub tripodalnymi aldehydami
pozwala na otrzymanie molekularnych makrocykli i makroklatek iminowych z praktycznie ilościowymi
wydajnościami (Schemat 1).[1,2,3] Zmiana charakteru łącznika aromatycznego lub aminy wpływa na
właściwości produktu, m. in. na rozpuszczalność, sposób upakowania w krysztale, a co za tym idzie na
właściwości sorpcyjne, zdolności chelatujące. Wprowadzenie do struktury akceptora (aldehydu) grup
hydroksylowych skutkuje zwiększeniem stabilności chemicznej otrzymywanych produktów. Po
derywatyzacji otrzymane związki mogą zostać wykorzystane w syntezie (jako katalizatory, ligandy);
analizie (do rozdziału stereoizomerów) oraz nanotechnice (jako nanopojemniki, nanokapsuły lub
nanoreaktory).
Rysunek 1. Przykładowy schemat reakcji cykloiminowania
Przedmiotem prezentacji będzie synteza oraz wyniki badań metodami chiralooptycznymi i
modelowania molekularnego otrzymanych chiralnych polihydroksylowych związków makrocyklicznych i
klatek molekularnych.
Badania finansowane z grantu NCN 2012/06/A/ST5/00230
Literatura:
[1] P.T. Corbett, J. Leclaire, L. Vial, K.R. West, J.-L. Wietor, J.K.M. Sanders, S. Otto, Chem. Rev., 2006, 106, 3652
[2] J. Gawroński, H. Kołbon, M. Kwit, A. Katrusiak, J. Org. Chem., 2000, 65,5768
[3] P. Skowronek, J. Gawroński, J. Org. Lett., 2008, 10, 4755
409
BioOrg 2015
OTRZYMYWANIE NOWYCH POCHODNYCH SILSESKWIOKSANÓW NA
DRODZE REAKCJI HYDROSILILOWANIA OLEFIN
Marcin Walczak1*, Grzegorz Wilkowski1, Mariusz Majchrzak1, Bogdan Marciniec2
1
Wydział Chemii UAM, Zakład Chemii Metaloorganicznej, ul. Umultowska 89b 61-614 Poznań
2
Centrum Zawansowanych Technologii, ul. Umultowska 89b 61-614 Poznań
Postęp technologiczny generuje zapotrzebowanie na materiały o unikalnych, precyzyjnie
zdefiniowanych właściwościach użytkowych. W ostatnich latach pojawia się coraz więcej doniesień o
syntezie materiałów hybrydowych, cechujących się ogromnym potencjałem aplikacyjnym. Naprzeciw
wymaganiom nauki i przemysłu stają poliedryczne oktasilseskwioksany (POSS) [1].
Silseskwioksany to hybrydowe, czyli nieorganiczno-organiczne układy zawierające dobrze
zdefiniowany, nieorganiczny rdzeń połączeń Si-O-Si. Szkielet ten jest biokompatybilny a możliwość
wprowadzenia szeregu odpowiednich grup funkcyjnych sprawia, że zachowuje tę cechę dla całej gamy
pochodnych [2]. W porównaniu z innymi nanobiomateriałami POSSy stanowią rodzinę rozpuszczalnych
molekuł, a stosunkiem części nieorganicznej do organicznej można sterować przez odpowiednią
funkcjonalizację. Dzięki dobrej rozpuszczalności pochodne POSSów są łatwo wydalane z organizmu i nie
akumulują się tkankach [3]. Wysokie masy cząsteczkowe silseskwioksanów, ich rozmiar, łatwość
modyfikacji oraz fakt, iż nie przenikają bariery krew-mózg umiejscowiły je w kręgu zainteresowań
przemysłu farmaceutycznego i medycznego; stosowane są jako nośniki leków, ze względu na znakomitą
przyczepność do powłok ciała pozytywnie wpływają na proces krzepnięcia krwi, przyspieszając
regenerację tkanek, umożliwiając jednocześnie prawidłowy przepływ krwi [4]. Rodzina tych związków
została ostatnio poszerzona o nowy typ, różniący się kształtem nieorganicznego rdzenia i posiadający
dwiema reaktywnymi grupami, Si-H tj. silseskwioksany typu double–decker. Ze względu na swoje
unikatowe właściwości i dostępność środków do ich modyfikacji, silseskwioksany są materiałami o
niezwykle szerokim spektrum zastosowań [5].
Rysunek 1. Silseskwioksany klatkowe
410
BioOrg 2015
Jednym ze sposobów funkcjonalizacji silseskwioksanów jest reakcja hydrosililowania olefin,
która dzięki możliwości zastosowania całego spektrum substratów i katalizatorów jest najefektywniejszą
metodą otrzymywania układów nasyconych zawierających połączenia krzem–węgiel [6].
Mając na uwadze potencjalne zastosowanie pochodnych DDSQ w optoelektronice za cel pracy
wyznaczono syntezę nowych pochodnych tych związków na drodze reakcji hydrosililowania wysoce
sprzężonych olefin.
Rysunek 2. Schemat reakcji hydrosililowania olefin.
Pierwszy etap pracy stanowi synteza znanych i opisanych mono-styrylopochodnych olefin i
użycie ich do terminacji dwufunkcyjnego double–deckera zawierającego wiązania Si-H oraz szczegółowa
charakterystyka spektroskopowa otrzymanych produktów.
Drugi etap pracy stanowi synteza bis-styrylopochodnych olefin oraz nowego, jednofunkcyjnego
double–deckera. W dalszej części badań syntezowane będą układy molekularne przez terminację
dwufunkcyjnych
olefin,
jednofunkcyjnym
silseskwioksanem.
Otrzymane
układy
zostaną
scharakteryzowane na podstawie spektroskopii IR, 1H NMR, 13C NMR, 29Si NMR.
Rysunek 3. Schemat przeprowadzonych syntez
Finalną częścią badań jest synteza nowych kopolimerów na drodze reakcji hydrosililowania bisstyrylopochodnych olefin dwufunkcyjnym double-deckerem oraz ich analiza przy użyciu spektroskopii
FT-IR i 1H NMR. Wielkość i rozrzut mas polimerów zostanie określony przy użyciu chromatografii
żelowej GPC.
Literatura:
[1] B. Marciniec. (2009) Hydrosilylation. A Comprehensive Review on Recent Advances. Springer.
[2] D. W. Lee, Y. Kawakami. (2007) Polymer Journal, 3, 230-238.
[3] K. Wei, L. Wang, S. Zheng. (2013) Polymer Chemistry, 4, 1491-1501.
[4] A. C. Kucuk, J. Matsui, T. Miyashita. (2011) Langmuir, 27, 6381-6388.
[5] L. Wang, C. Zhang, S. Zheng. (2011) Journal of Materials Chemistry, 21, 19344-19352.
[6] G. Kickelbick. Hybrid Materials. WILEY - VCH , 2007.
411
BioOrg 2015
OTRZYMYWANIE NOWYCH POCHODNYCH SILSESKWIOKSANÓW NA
DRODZE REAKCJI SILILUJĄCEGO SPRZĘGANIA Z OLEFINAMI
1*
1
1
2
Grzegorz Wilkowski , Marcin Walczak , Mariusz Majchrzak , Bogdan Marciniec
1
Zakład Chemii Metaloorganicznej, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań
2
Centrum Zaawansowanych Technologii, ul. Umultowska 89c, 61-614 Poznań
Wzrost zapotrzebowania na związki, które mogą być stosowane w nowoczesnych technologiach,
w ostatnich latach napędza rozwój chemii metaloorganicznej, a w szczególności krzemoorganicznej.
Oligosilseskwioksany posiadające nieorganiczny rdzeń oraz wysoce uporządkowaną nanostrukturę,
stanowią przedmiot wielu badan. Związki te wykazują bardzo dobra odpornością termiczna oraz
mechaniczna. Dodatkowym atutem jest też łatwość ich modyfikacji – do naroży wprowadzać można
zarówno grupy funkcyjne reaktywne, jak i niereaktywne. Na ich bazie otrzymuje się materiały
hybrydowe, które posiadają właściwości charakterystyczne zarówno dla materiałów ceramicznych, jak i
polimerowych [1].
Jedną z metod modyfikacji winylowych oligosilseskwioksanów jest zastosowanie reakcji
sililującego sprzęgania z olefinami. Można w ten sposób otrzymać szereg nienasyconych organiczno –
nieorganicznych układów, w których oligosilseskwioksan służyć może jako nośnik, między innymi dla
chromoforów. W ten sposób uzyskać można zarówno układy molekularne jak i kopolimery. Ze względu
na swoje właściwości, związki takie znajdują szereg zastosowań, między innymi w optoelektronice,
biomedycynie, elektronice czy też mikroelektronice.
Odkrycie reakcji sililującego sprzęgania nastąpiło w latach 80, podczas badań nad
hydrosililowaniem. Profesor Marciniec dowiódł powstania jako produktu ubocznego bis(sililo)etenu,
wraz
z wydzielaniem się etylenu, w reakcji winylotrialkoksysilanów i alkoksysilanów katalizowanej
kompleksami rutenu [2]. Wydzielający się etylen wskazywał wówczas na przebieg reakcji zgodnie z
mechanizmem metalakarbenowym, który jest charakterystyczny dla metatezy, jednak w trakcie dalszych
badań Marcińca i Wakatsukiego dowiedziono, że reakcja ta przebiega według innego mechanizmu.
Późniejsze prace nad sililującym sprzęganiem pozwoliły na otrzymanie szeregu krzemoorganicznych
związków nienasyconych, stosując jako katalizatory kompleksy rutenu, rodu czy też kobaltu, zawierające
wiązanie metal – wodór lub metal – krzem (Rysunek 1.) [3].
412
BioOrg 2015
Rysunek 1. Reakcja sililującego sprzęgania
Oligosilseskwioksany, o ogólnym wzorze (RSiO3/2)n, stanowią hybrydowy materiał organiczno
– nieorganiczny o dobrze zdefiniowanej, trójwymiarowej strukturze. Krzem wraz z trzema atomami tlenu
przyjęto nazywać jednostką „T”, w celu usystematyzowania rodziny POSS-ów oraz ułatwienia ich
nazewnictwa. Najlepiej poznaną grupę stanowią oligosilseskwioksany T8, o nanostrukturze mocno
zbliżonej do sześcianu (długość ramienia wynosi od 0,5 nm do 0,8 nm [4]). Struktura T 8 jest
faworyzowana ze względu na swoją symetrię. Dzięki występowaniu w rdzeniu wiązania krzem – tlen,
charakteryzują się one bardzo dobrą stabilnością termiczną, odpornością mechaniczną i chemiczną oraz
łatwością w przechowywaniu. Są też łatwe do modyfikacji, w jej narożach można zaaplikować 8 grup
funkcyjnych inertnych lub reaktywnych, jak i jedną grupę reaktywną w obecności 7 grup chemicznie
obojętnych. Wszystkie te cechy sprawiają, że POSS-y T8, jako hybrydowe nanomateriały, są obiektem
zainteresowań wielu naukowców, którzy widzą dla nich szereg potencjalnych aplikacji [5], [6].
W 2003 roku grupa badawcza Yoshidy po raz pierwszy otrzymała fenylosiloksanolan sodu o
nowej strukturze typu double – decker. Związek ten można skondensować, uzupełniając go o 2
dodatkowe atomy krzemu po przeciwległych stronach rdzenia struktury, mogące służyć jako nośniki grup
aktywnych [7]. Obecnie syntezę fenylosiloksanolanu sodu zoptymalizowano, co umożliwia prowadzenie
jej na znacznie większą skalę [8].
Pierwszym etapem pracy była synteza znanych olefin mono – styrylowych na drodze reakcji
sprzęgania Suzuki – Miyaura, a następnie użycie ich do modyfikacji silseskwioksanów typu double –
decker, posiadających dwie grupy winylowe, na drodze reakcji sililującego sprzęgania. Otrzymane
1
produkty poddano szczegółowej charakterystyce spektroskopowej ( H NMR,
413
13
C NMR,
29
Si NMR).
BioOrg 2015
W ostatnim etapie pracy otrzymano kooligomery, stosując diwinylowe silseskwioksany typu
double – decker oraz bis – styrylowe olefiny, na drodze reakcji sililującego sprzęgania. Otrzymane
produkty scharakteryzowano za pomocą spektroskopii NMR oraz chromatografii żelowej GPC.
Rysunek 2. Schemat przeprowadzanych syntez.
Literatura:
[1] J. J. Schwab, J. D. Lichtenhan (1998) Polyhedral oligomeric silsesquioxane(POSS)-based polymers, Appl. Organomet.
Chem., 12: 707–713
[2] B. Marciniec, J. Guliński (1984) Metathesis of vinyltrialkoxysilanes, J. Organomet. Chem., 266 (2): 19–21
[3] Bogdan Marciniec (2000) Silicometallics and catalysis, Appl. Organomet. Chem., 14: 521–538
[4] K. M. D Gnanasekaran, (2009) Developments of polyhedral oligomeric silsesquioxanes (PaSS), pass nanocomposites and
their applications: A review, J. Sci. Ind. Res., 68: 437–464
[5] P. D. Lickiss, F. Rataboul, (2008) Chapter 1 - Fully Condensed Polyhedral Oligosilsesquioxanes (POSS): From Synthesis
to Application, Advances in Organometallic Chemistry, 57: 1–116
[6] W. Zhang, A. H. E. Müller (2013) Architecture, self-assembly and properties of well-defined hybrid polymers based on
polyhedral oligomeric silsequioxane (POSS), Prog. Polym. Sci., 38 (8): 1121–1162
[7] K. Yoshida, Y. Ookuma, Y. Morimoto, K. Watanabe, N. Ootake, R. Tanaka, H. Matumoto (2013), Polym. Prep Jpn, 52:
316
[8] K. Yoshida, T. Hattori, N. Ootake, R. Tanaka, H. Matsumoto (2008) Silsesquioxane-Based Polymers: Synthesis of
Phenylsilsesquioxanes with Double-Decker Structure and Their Polymers, Silicon Based Polymers: 205–211
414
BioOrg 2015
SYNTEZA α,α-DIFLUOROMETYLOSTYRENU ORAZ BADANIA JEGO
REAKTYWNOŚCI W REAKCJI POLIMERYZACJI RODNIKOWEJ
Joanna Wolska*, Justyna Walkowiak-Kulikowska, Henryk Koroniak
Zakład Syntezy i Struktury Związków Organicznych,
Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b, 61-614, Poznań
W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat obserwowany jest gwałtowny rozwój chemii polimerów.
Zdaniem wielu chemików tworzywa sztuczne to przykład globalnego sukcesu. Synteza nowych
materiałów jest silnie związana z postępem technologicznym, ponieważ trudno wyobrazić sobie rozwój
przemysłu militarnego, komunikacyjnego bądź energetycznego bez otrzymywania nowatorskich
polimerów. Dzięki zastosowaniu nowych metod syntezy lub modyfikacji można uzyskać tworzywa
o pożądanej strukturze i coraz lepszych właściwościach funkcjonalnych.
Do grupy polimerów charakteryzujących się połączeniem wielu unikalnych cech należą
polimery fluoroorganiczne. Ze
względu
na
wysoką
wartość
energii
wiązania węgiel-fluor
(485 kJ/mol), polimery te są stabilne termicznie i odporne chemicznie na działanie kwasów, zasad czy
różnego rodzaju rozpuszczalników. Ponadto, niska polaryzowalność wiązania C-F ujawnia się
w znikomej absorpcyjności wody materiałów przez nie tworzonych. Atomy fluoru sprawiają,
że fluoropolimery charakteryzują się niską energią powierzchniową, przez co są odporne na ścieranie.
Szereg zalet polimerów fluoroorganicznych sprawił, że w ciągu ostatnich kilku dekad wykorzystuje się je
w różnych dziedzinach przemysłu
np. w
inżynierii,
lotnictwie, włókienniczych procesach
wykończeniowych, aeronautyce, optyce czy elektronice [1].
Wśród fluoropolimerów ciekawą grupą są fluorowane polimery aromatyczne (FPA).
Zastosowanie monomerów zawierających w swej strukturze pierścień aromatyczny przyczynia się do
znacznego zwiększenia wytrzymałości mechanicznej materiałów, natomiast wbudowanie fluorowanego
fragmentu w aromatyczny łańcuch polimerowy dodatkowo powoduje poprawę ich właściwości
termicznych. Jak dotąd w literaturze, istnieje niewiele opisanych przypadków kopolimeryzacji
fluoroolefin z monomerami aromatycznymi, przez co badania tego typu znajdują się w kręgu
zainteresowań wielu ośrodków naukowych.
Celem
przeprowadzonych
badań
było
zastosowanie
difluorowanej
pochodnej
α-metylostyrenu w syntezie nowych materiałów polimerowych. W pierwszym etapie opracowano
efektywną i skuteczną metodę otrzymywania α,α-difluorometylostyrenu (DFMST) 1. Dogodnym
sposobem na wprowadzenie dwóch atomów fluoru do pochodnej styrenowej okazała się addycja
nukleofilowa odczynnika difluorometylującego – sulfonu difluorometylofenylowego (PhSO2CF2H) do
odpowiedniego związku karbonylowego [2]. Równie ważnym obszarem badań było sprawdzenie
415
BioOrg 2015
reaktywności otrzymanego monomeru α,α-difluorometylostyrenowego 1 w reakcji kontrolowanej
kopolimeryzacji rodnikowej ze styrenem (ST) 2. Wykorzystano przy tym możliwości jakie daje metoda
kontrolowanej polimeryzacji z przeniesieniem atomu jodu – ITP (z ang. Iodine Transfer Polymerization),
stosując jako czynnik przeniesienia jodopochodną perfluoroheksanu. Dzięki temu otrzymano nowy
związek wielkocząsteczkowy – poli(DFMST-co-ST) 3. Kopolimer scharakteryzowano wykorzystując
powszechnie znane metody fizykochemiczne tj. jądrowy rezonans magnetyczny, chromatografię żelową
GPC, analizę termograwimetryczną oraz skaningową kalorymetrię różnicową. Uzyskane wyniki
potwierdziły psedożyjący charakter omawianej reakcji kopolimeryzacji, a bardzo dobre właściwości
termiczne otrzymanego fluoropolimeru sprawiły, że może on mieć potencjalne zastosowanie w chemii
materiałowej.
Schemat 1: Reakcja kopolimeryzacji difluorowanego α-metylostyrenu 1 ze styrenem 2
użyciem 1-jodoperfluoroheksanu oraz AIBN.
Literatura:
[2] (a) B. Ameduri, B. Boutevin, (2004) Well-architectured fluoropolymers: Synthesis, properties and applications.
Elsevier, Amsterdam (b) R. Souzy, B. Ameduri, (2005) Functional fluoropolymers for fuel cell membranes, Progress in
Polymer Science 30(6): 644-687 (c) M.G. Dhara, S. Banerjee (2010) Fluorinated high-performance polymers:
Poly(arylene ether)s and aromatic polyimides containing trifluoromethyl groups, Progress in Polymer Science 35(8):
1022-1077 (d) L.A. Wall (1972), Fluoropolymers, Wiley, New York
[3] (a) J. Walkowiak, T. Martinez del Campo, B. Ameduri, V. Gouverneur (2010) Syntheses of mono-, di-, and trifluorinated
styrenic monomers, Synthesis, 11: 1883-1890 (b) J. Hine, J. Porter (1960) The formation of difluoromethylene from
difluoromethyl phenyl sulfone and sodium methoxide, Journal of American Chemical Society, 82(23): 6178-6181
(c) J. Walkowiak-Kulikowska, J. Kanigowska, H. Koroniak, α-(Difluoromethyl)styrene: Improved approach to grams
scale synthesis, Journal of Fluorine Chemistry, DOI:10.1016/j.jfluchem.2015.07.008
416
BioOrg 2015
ZASTOSOWANIA GEMINI SURFAKTANTÓW
Katarzyna Wolska*
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Wydział Chemii, Naukowe Koło Chemików, Pracownia Chemii Mikrobiocydów
61-614 Poznań, ul. Umultowska 89b
*email: [email protected]
Surfaktanty gemini to stosunkowo nowa klasa związków o budowie amfifilowej. Dzięki
obecności w swojej strukturze dwóch grup amfifilowych, krytyczne stężenia micelizacji (CMC)
surfaktantów gemini są dwa razy mniejsze niż CMC ich pojedynczych analogów, przez co wykazują
lepszą zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego wody. Skutkiem tego są lepsze właściwości
zwilżające, emulgujące i pieniące. Ponadto temperatury Krafta dla surfaktantów gemini z hydrofilowym
łącznikiem są na ogół bardzo niskie, przez co surfaktanty te wykazują swoje właściwości nawet w zimnej
wodzie.
grupy hydrofilowe
grupy hydrofilowe
łącznik
grupy hydrofobowe
łącznik
grupy hydrofobowe
Rysunek 1. Typy surfaktantów gemini.
Podwójne czwartorzędowe sole amoniowe wykazują także bardzo dobre właściwości
przeciwdrobnoustrojowe. Najmniejsze stężenia hamujące gemini surfaktantów (MIC), w stosunku do
niektórych bakterii, grzybów i wirusów, są niższe nawet o trzy rzędy wielkości, w porównaniu z MIC
pojedynczych soli amoniowych. Surfaktanty gemini w wielu przypadkach zawierają podstawniki
pochodzenia naturalnego, np. cukry czy aminokwasy, przez co charakteryzują się dobrym profilem
ekologicznym, ulegają biodegradacji, przez co nie wpływają negatywnie na środowisko.
W konsekwencji tych wszystkich cech surfaktanty gemini mają wiele zastosowań, m. in. do
produkcji detergentów i środków czystości, w przemyśle kosmetycznym, w genetyce, w przemyśle
417
BioOrg 2015
chemicznym (produkcja papieru, polimeryzacja, inhibitory korozji), w medycynie i farmaceutyce oraz
w przemyśle tekstylnym.
Literatura:
[1] Naveen Kumar, Rashmi Tyagi (2014) Industrial Applications of Dimeric Surfactants: A Review, Journal of Dispersion
Science and Technology 35:205–214
[2] S. K. Hait, S. P. Moulik (2002) Gemini surfactants: A distinct class of self-assembling molecules, CURRENT SCIENCE
82: 9
[3] A. J. Kirby, P. Camilleri, J. B. F. N. Engberts, M. C. Feiters, R. J. M. Nolte, O. S"derman, M. Bergsma, P. C. Bell, M. L.
Fielden, C. L. Garc'a Rodr'guez, P. Gudat, A. Kremer, C. McGregor, C. Perrin, G. Ronsin, M. C. P. van Eijk (2003) Gemini
Surfactants: New Synthetic Vectors for GeneTransfection Angew. Chem. Int. Ed. 42:1448– 1457
[4] T. Piskorska, E. Obłąk (2010) Gemini surfactants as gene carriers, Postepy Hig Med Dosw 64:161-166
418
BioOrg 2015
STEREOSELEKTYWNA SYNTEZA UKŁADÓW Β-LAKTAMOWYCH Z
UŻYCIEM POCHODNYCH 2,2-DIMETYLO-1,3‑DIOKSA-4,6-DIONU JAKO
ŹRÓDŁA KETENÓW W CYKLOADDYCJI [2+2] Z IMINAMI
Anna Zakaszewska*, Ewelina Najda, Sławomir Makowiec
Katedra Chemii Organicznej, Politechnika Gdańska, Gabriela Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk
* email: [email protected]
Asymetryczna synteza β-laktamów klasyczną metodą Staudingera może być prowadzona
w oparciu o trzy zasadnicze podejścia. Każde z nich wykorzystuje inne źródło pozwalające na chiralną
indukcję: obecność chiralnego fragmentu w części iminowej, obecność chiralnego fragmentu w części
ketenowej, lub dodatek chiralnego katalizatora [1-2]. Wszystkie wymienione metody znajdują
zastosowanie w przypadku reakcji, w których keten generowany jest w klasyczny sposób, najczęściej
w reakcji chlorku kwasowego z aminą trzeciorzędową. W literaturze chemicznej brak jest natomiast
stereoselektywnej metody syntezy układu β-laktamowego w przypadku ketenów otrzymywanych
w wyniku pirolizy pochodnych 2,2-dimetylo-1,3-dioksa-4,6-dionu (kwasu Meldruma).
Prezentowane wyniki stanowią część eksperymentów w celu opracowania efektywnej,
stereoselektywnej metody syntezy układów β-laktamowych wykorzystującej 5-acylo-2,2-dimetylo-1,3-dioksa-4,6-diony lub karbamoilo-2,2-dimetylo-1,3-dioksa-4,6-diony jako źródło ketenów w cykloaddycji
[2+2] z aldiminami. Generowanie ketenów z pochodnych kwasu Meldruma przebiega w trakcie ich
ogrzewania w rozpuszczalniku takim jak dichloroetan lub toluen, a produktami ubocznymi są jedynie
aceton i dwutlenek węgla [3]. Po przeprowadzeniu eksperymentów wstępnych i optymalizacji warunków
reakcji na 5-acylowych pochodnych kwasu Meldruma, wykonane zostały badania na modelach
5-karbamoilo-2,2-dimetylo-1,3-dioksa-4,6-dionów 1. Substraty te są bardziej kłopotliwe jeżeli chodzi
o syntezę β-laktamów ze względu na wyższe temperatury rozkładu do ketenów, jednak uzyskiwane z nich
związki, zawierające fragment retroamidowy, są bardziej interesujące pod kątem potencjalnego
zastosowania jako inhibitory β-laktamaz. W reakcjach z chiralnymi iminami 2 zawierającymi centrum
asymetrii w części aminowej, otrzymanymi z (R)-1-fenyloetyloaminy lub jednego z dwóch izomerów
(R)-1-naftyloetyloaminy, uzyskany nadmiar diastereoizomeryczny odpowiednich β-laktamów 3,3’ de
wynosił 30-50%, przy wydajności sięgającej 70%.
419
BioOrg 2015
Rysunek 1. Schemat syntezy.
Literatura:
[1] A. K. Bose, M. S. Manhas, J. M. van der Veen, S. S. Bari, D. R. Wagle (1992) Stereoregulated synthesis of β-lactams from
schiff bases derived from threonine esters, Tetrahedron 48:4831-4844
[2] D. A. Evans, E. B. Sjögren (1998) The asymmetric synthesis of β-lactam antibiotics -application of chiral oxazolidones in
the staudinger reaction, Tetrahedron Lett. 26:3783-3786
[3] K. Janikowska, N. Pawelska, S. Makowiec (2011) One-Step synthesis of ß-Lactams with retro-amide side chain, Synthesis
1:69-73
420
BioOrg 2015
ROMBIMINY I ROMBAMINY Z CHIRALNYM MOTYWEM SPIRO
Mikołaj Zgorzelak*, Jakub Grajewski, Jacek Gawroński
Pracownia Stereochemii Organicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza,
Odwracalność procesu tworzenia się makrocykli poliiminowych umożliwia kontrolowanie składu
mieszaniny produktów, zarówno przy zastosowaniu kontroli termodynamicznej jak i użyciu czynników
templatujących, np. kationów metali [1]. Znane jest zastosowanie makrocykli iminowych oraz produktów
ich redukcji, jako ligandów w katalizie asymetrycznej, organokatalizatorów czy chiralnych selektorów[2].
Na posterze przedstawione zostaną ścieżki syntetyczne oraz charakterystyka strukturalna nowych
makrocykli poliiminowych i poliazowych, zawierających donorowe atomy tlenu w szkielecie
makrocyklicznym.
Badania finansowane z projektu badawczego NCN MAESTRO 2012/06/A/ST5/00230
Literatura:
[1] S. Rowan, S. Cantrill, G. Cousins, J. Sanders, F. Stoddart (2002) Dynamic Covalent Chemistry, Angewandte Chemie
41(6):898-954
[2] J. Gajewy, M. Kwit, J. Gawroński (2009) Convenient Enantioselective Hydrosilylation of Ketones Catalyzed by ZincMacrocyclic Oligoamine Complexes, Advanced Synthesis & Catalysis 351(7-8):1055-1063
421
BioOrg 2015
Partnerzy
422
BioOrg 2015
Książka zawiera streszczenia komunikatów i posterów zaprezentowanych podczas I Wielkopolskiego Sympozjum
Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów 5 grudnia 2015 w Poznaniu. Streszczenia prac
zakwalifikowanych do prezentacji podczas sympozjum opublikowano w wersji dostarczonej przez autorów.
Egzemplarz bezpłatny.
ISBN 978-83-916087-1-5
Politechnika Poznańska, Wydział Technologii Chemicznej
Poznań 2015
423

Materiały konferencyjne - bioorg

Transkrypt

Podobne dokumenty

OSCO_VIII_program 7,1 MB - Centrum Badań Molekularnych i

Program 2013 - Department of Analytical Chemistry

Part 2 - Polskie Towarzystwo Chemiczne

Numer 02 2013/2014 - X Liceum Ogólnokształcące w Poznaniu

Pobierz - Portal Promocji Eksportu