Σκοπό της διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη ενζυμικά καταλυόμενων διεργασιών για τον στοχευμένο βιομετασχηματισμό φυσικών προϊόντων, με στόχο την αναβάθμιση των ιδιοτήτων τους. Τα νανοδομημένα υλικά με βάση τον άνθρακα διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στα πεδία της νανοβιοκατάλυσης και της ενζυμικής βιοτεχνολογίας. Οι ιδιαίτερες ιδιότητες που εμφανίζουν έχουν προσελκύσει το ερευνητικό ενδιαφέρον. Τα νανοϋλικά που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τα νανοδομημένα υλικά ιεραρχημένου πορώδους άνθρακα (hierarchically porous carbon materials, HPCs) και οι κυβοειδείς πορώδεις άνθρακες (porous carbon cuboids, PCCs). Τα υλικά αυτά μελετήθηκαν ως φορείς για την ακινητοποίηση ενός οξειδωαναγωγικού ενζύμου, της λακάσης και δύο υδρολυτικών ενζύμων, της λιπάσης και της β-γλυκοσιδάσης. Χρησιμοποιήθηκαν στην απλή τους μορφή και μετά από χημική επεξεργασία, είτε για να αποκτήσουν λειτουργικές ομάδες, είτε για να αποκτήσουν μαγνητικές ιδιότητες. Η ακινητοποίηση των ενζύμων πραγματοποιήθηκε με δύο τρόπους, με απλή προσρόφηση ή με τη δημιουργία ομοιοπολικού δεσμού. Τέλος, χρησιμοποιήθηκαν διάφορες φασματοσκοπικές και μικροσκοπικές μέθοδοι, για τον χαρακτηρισμό των νανοβιοκαταλυτών ως προς τη δομή τους και την καταλυτική τους συμπεριφορά. Η χημεία της επιφάνειας των νανοϋλικών φάνηκε να παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην αλληλεπίδραση τους με τις πρωτεΐνες, επηρεάζοντας τόσο το ποσοστό ακινητοποίησης όσο και την καταλυτική δραστικότητα των ακινητοποιημένων ενζύμων. Ομοίως, οι προσεγγίσεις ακινητοποίησης που χρησιμοποιήθηκαν, φάνηκε να επιδρούν στην καταλυτική δραστικότητα, καθώς και στη θερμική και λειτουργική σταθερότητα των ακινητοποιημένων ενζύμων. Οι νανοβιοκαταλύτες που αναπτύχθηκαν επέδειξαν υψηλή καταλυτική δραστικότητα και σταθερότητα. Αυτά τα νανοβιοκαταλυτικά συστήματα, χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την βιομετατροπή διάφορων φυσικών προϊόντων με σκοπό την βελτίωση της βιολογικής τους δράσης. Η ακινητοποιημένη λακάση χρησιμοποιήθηκε επιτυχώς για την τροποποίηση της τυροσόλης και της υδροξυτυροσόλης, δύο φαινολικές ενώσεις με ποικίλες βιολογικές δράσεις. Η τροποποίηση αυτή οδήγησε στη δημιουργία κυρίως διμερών παραγώγων, τα οποία εμφάνισαν βελτιωμένες βιολογικές δράσεις. Στη συνέχεια, οι ακινητοποιημένες β-γλυκοσιδάσες χρησιμοποιήθηκαν επιτυχώς για την παραγωγή υδροξυτυροσόλης από πρότυπη ένωση ελευρωπαΐνης, καθώς και για τον εμπλουτισμό εκχυλισμάτων φύλλων ελιάς σε υδροξυτυροσόλη. Τα εμπλουτισμένα εκχυλίσματα φύλλων ελιάς εμφάνισαν καλύτερη αντιοξειδωτική, αντιμικροβιακή και αντικαρκινική δράση. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε κλιμάκωση (Scale-up) της χημειοενζυμικής τροποποίησης των εκχυλισμάτων φύλλων ελιάς από 1 mg σε 20 g σε βιοαντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Τέλος, αναπτύχθηκε ο ‘NMR-tube βιοαντιδραστήρας’, μία μέθοδος τριών σταδίων που έχει διεξαχθεί ολοκληρωτικά μέσα σε ένα σωλήνα NMR 5 mm. Αυτή η απλή μεθοδολογία επιτρέπει: α) την πρόβλεψη της ικανότητας ενός φυσικού προϊόντος να λειτουργήσει ως υπόστρωμα για συγκεκριμένα ένζυμα, β) την καταγραφή της εξέλιξης της αντίδρασης βιοτροποποίησης προϊόντος/ών σε πραγματικό χρόνο και γ) τον έλεγχο της αλληλεπίδρασης των προϊόντων με πρωτεΐνες στόχους φαρμακευτικού ενδιαφέροντος. Συμπερασματικά, τα νανοδομημένα υλικά με βάση τον άνθρακα αποτελούν αποτελεσματικούς φορείς ακινητοποίησης ενζύμων για τη δημιουργία ισχυρών βιοκαταλυτικών συστημάτων. Παράλληλα, η τροποποίηση φυσικών προϊόντων με βιοτεχνολογικά εργαλεία μπορεί να οδηγήσει στη σύνθεση ενώσεων με πλούσια βιολογική δράση. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής καταδεικνύουν τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από την εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στην ανάπτυξη βιοκαταλυτικών συστημάτων, κατευθύνοντας την έρευνα προς τον τομέα της νανοβιοτεχνολογίας, έναν κλάδο που μπορεί να προσφέρει μία πληθώρα νέων και εναλλακτικών εφαρμογών.
Hierarchically Porous Carbon Materials and LiMn2O 4 Electrodes for Electrochemical Supercapacitors
