Co-immobilization and Bionanozyme Strategies for Enzyme Biodegradation Practical Applications

Abstract

Traversing the complex terrain of 21st-century environmental engineering grand challenges, the urgency to address global issues has reached unprecedented heights. The central focus of this research, aimed at advancing enzyme biodegradation, is firmly committed to addressing the grand challenges of ensuring sustainable and safe water supply while envisioning a future free from pollution. Motivated by the vast potential of enzyme catalysis for biodegradation, this research is dedicated to evaluating innovative approaches that safeguard and optimize enzymes across diverse environmental conditions. Despite recognizing the significant capabilities of oxidative enzymes in oxidizing prevalent and hazardous compounds, translating this potential into real-world applications remains a formidable challenge. The primary challenges range from specific requirements for enzyme catalysis, such as the lack of mediators, to more common issues, including stability, longevity, and production costs. Therefore, the paramount objective of this doctoral research is to advance the practical application of enzymes in biodegradation. This will be achieved through immobilization approaches, utilizing a co-immobilization technique to provide the necessary mediators for the enzyme manganese peroxidase to carry out oxidative reactions, while addressing stability. Additionally, this research aims to engineer synthetic bionanozymes inspired by laccase, a natural oxidative enzyme, to address other real-world challenges, such as expensive manufacturing and enzymes' limited longevity and stability. These dual pursuits aim to unlock new dimensions in enzyme biodegradation, offering a path towards sustainable and efficient solutions for combating environmental pollution and preserving the health of both human and environmental ecosystems. By elucidating the potential of enzyme-based technologies, this research aims to pave the way for a more sustainable and efficient approach to mitigating environmental pollution.

Alternate abstract:

Explorando el complejo terreno de los grandes desafíos de la ingeniería ambiental del siglo XXI, la urgencia de abordar problemas globales ha alcanzado niveles sin precedentes. El enfoque central de esta investigación, orientado a avanzar en la biodegradación enzimática, está firmemente comprometido con enfrentar los grandes desafíos de garantizar un suministro de agua sostenible y seguro, al tiempo que se visualiza un futuro libre de contaminación. Motivada por el enorme potencial de la catálisis enzimática para la biodegradación, esta investigación se dedica a evaluar enfoques innovadores que protejan y optimicen el uso de enzimas en diversas condiciones ambientales. A pesar de reconocer las capacidades significativas de las enzimas oxidativas para oxidar compuestos prevalentes y peligrosos, trasladar este potencial a aplicaciones reales sigue siendo un desafío formidable. Los principales retos abarcan desde requisitos específicos para la catálisis enzimática, como la ausencia de mediadores, hasta problemas más comunes como la estabilidad, la longevidad y los costos de producción. Por lo tanto, el objetivo principal de esta investigación doctoral es avanzar en la aplicación práctica de enzimas en biodegradación. Esto se logrará mediante enfoques de inmovilización, utilizando una técnica de co-inmovilización que proporcione los mediadores necesarios para que la enzima manganeso peroxidasa lleve a cabo reacciones oxidativas, al tiempo que se mejora su estabilidad. Además, esta investigación busca diseñar bionanozimas sintéticas inspiradas en la lacasa, una enzima oxidativa natural, para abordar otros desafíos reales como los altos costos de fabricación y la limitada longevidad y estabilidad de las enzimas. Estos dos enfoques paralelos buscan abrir nuevas dimensiones en la biodegradación enzimática, ofreciendo un camino hacia soluciones sostenibles y eficientes para combatir la contaminación ambiental y preservar la salud de los ecosistemas humanos y ambientales. Al esclarecer el potencial de las tecnologías basadas en enzimas, esta investigación aspira a allanar el camino hacia un enfoque más sostenible y eficiente para mitigar la contaminación ambiental.