Vysoce výkonná charakterizace nových biokatalyzátorů pomocí mikrofluidiky

Bc. Michal Vašina

Master's thesis

High-throughput characterization of novel biocatalysts by using microfluidics

Abstract:

Enzymy jsou biokatalyzátory urychlující pestrou škálu chemických reakcí způsobem ekonomicky výhodným a šetrným k životnímu prostředí. Proto se enzymů hojně využívá v mnoha oblastech od průmyslu po medicínu. Pro všechny tyto aplikace existuje konstantní poptávka po nových enzymech a jejich variantách s vylepšenými vlastnostmi. V současnosti máme díky rozvoji technologií DNA sekvencování přístup k miliónům sekvencí nových proteinů, potenciálních biokatalyzátorů. Problém ovšem představuje charakterizace těchto proteinů, k níž zatím nemáme dostatečně výkonné metody. Jednou z možností jak překonat tuto bariéru je využít mikrofluidiku. Tento rychle se vyvíjející technologický a vědní obor umožňuje rychlou a efektivní manipulaci a analýzu malých objemů velkého počtu vzorků. V této diplomové práci popisuji využití mikrofluidiky pro vysoce výkonnou charakterizaci aktivity, substrátové specificity a teplotních optim enzymů. V teoretické části práce přibližuji dosavadní pokrok v oblasti objevování nových enzymů, mikrofluidních metod pro charakterizaci nových biokatalyzátorů a stručně charakterizuji modelovou skupinu enzymů. V experimentální části popisuji vývoj a aplikaci mikrofluidní platformy pro rychlou a efektivní biochemickou charakterizaci modelových halogenalkandehalogenáz. V závěru práce definuji nové trendy směřování výzkumu a vývoje v této oblasti.

Abstract:

Enzymes are biocatalysts accelerating a wide range of chemical reactions in an economical and environmentally friendly way. Therefore, biocatalysts are abundantly used in various applications ranging from industry to medicine. There is a constant demand for having new or better enzymes for these practical applications. There is access to millions of sequences of new proteins, which are potential biocatalysts, thanks to the development of DNA sequencing technologies. However, the functional annotations of these proteins are missing due to lacking methods. One of the possibilities for overcoming of these limitations is the application of microfluidics. This rapidly developing science and technology discipline enables manipulation and analysis of a large number of samples using small sample volumes. In this Diploma Thesis, I describe the utilization of microfluidics for high-throughput characterization of activity, substrate specificity and temperature optima of enzymes. In the theoretical part, I explain the existing progress in the fields of enzyme discovery and microfluidic methods for characterization of novel biocatalysts and I briefly characterize the model enzyme family. In the experimental part, I describe the development of a microfluidic platform for functional characterization of model haloalkane dehalogenases. Finally, I identify the trends in research and development in this field.

Keywords

Vysoce výkonný screening, Biokatalýza, Mikrofluidika, Miniaturizace, Kapénková mikrofluidika, Halogenalkandehalogenasy, Substrátová specificita, High-throughput screening, Biocatalysis, Microfluidics, Miniaturization, Droplet microfluidics, Haloalkane dehalogenases, Substrate specificity

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 5. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 21. 6. 2019
• Supervisor: prof. RNDr. Zbyněk Prokop, Ph.D.
• Reader: Mgr. Pavel Mazura, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Biophysical Chemisty