Modelagem da hidrólise total multi-enzimática de polímeros pelo método de Monte Carlo operando no tempo

Abstract

Resumo: O interesse em modelos matemáticos de ações enzimáticas em polímeros tem aumentado nos últimos anos, porém os trabalhos encontrados na literatura modelam reações e situações muito específicas, inaplicáveis em condições reais. Sendo assim é relevante desenvolver uma metodologia com uma abordagem geral para modelar reações enzimáticas de polímeros em solução e também para otimizar esse tipo de reação. Devido à necessidade de se ter uma reação como base para esse tipo de modelagem, buscou-se na literatura uma reação de hidrólise polimérica que tem estado em destaque. Com isso em mente, a reação escolhida foi a de hidrólise da pectina em ácido D-galacturônico, pois, não só essa é uma reação que tem estado em destaque, um modelo matemático capaz de descrever precisamente a ação de um sistema multi-enzimático nos substratos da biorrefinaria de polpa cítrica (onde é feita a hidrólise da pectina) permitiria a otimização das unidades dessa biorrefinaria, o que tornaria o processo mais economicamente viável. O presente trabalho buscou criar um modelo estocástico baseado no método de Monte Carlo, para descrever a ação de um sistema multi-enzimático, contendo endopoligalacturonase e exopoligalacturonases, na hidrólise total dos ácidos poligalacturônico e oligogalacturônico visando produzir o ácido D-galacturônico, com enfoque em determinar o tempo de reação do sistema. Também foi analisado o efeito que diferentes proporções das enzimas causam nos perfis de hidrólise e foi feita a otimização do sistema a partir do método de Otimização por Enxame de Partículas. O modelo da hidrólise foi capaz de descrever os dados experimentais para a ação da enzima endopoligalacturonase na hidrólise do ácido heptagalacturônico avançando no tempo e mostrou-se computacionalmente leve e capaz de caracterizar o sistema de forma mais precisa do que os trabalhos encontrados atualmente na literatura. Ele também se mostrou possivelmente adaptável a outras reações de polímeros em soluções, podendo ser testado em uma gama de indústrias, pois utiliza de parâmetros da literatura clássica para descrever as reações. O método de otimização proposto, sendo esse o primeiro método proposto para esse tipo de modelo encontrado na literatura, provou encontrar, de forma confiável, pontos ótimos correspondentes com os resultados esperados. Obtendo percentuais ótimos de razões enzimáticas para diferentes tempos de reação e diferentes substratos hidrolisados visando uma maior produção do componente de interesse no tempo estipulado.

Abstract: The interest in mathematical models of enzyme actions in polymers has increased in recent years, however the works found in the literature model very specific reactions and situations that are not applicable in real conditions. Therefore, it is relevant to develop a methodology with a general approach to model enzyme reactions of polymers in solution and also to optimize this type of reaction. Due to the need to have a reaction as a basis for this type of modeling, a polymeric hydrolysis reaction that has been in the spotlight was searched. With this in mind, the chosen reaction was the hydrolysis of pectin into D-galacturonic acid, since, not only this reaction has been in the spotlight, a mathematical model capable of precisely describing the action of a multi-enzyme system on the substrates of the citrus waste biorefineries (where the pectin hydrolysis happens) would allow optimization of these units, making the process more economically feasible. The present work aimed to create a stochastic model based on the Monte Carlo method to describe the action of a multi-enzyme system, containing endopolygalacturonases and exopolygalacturonases, in the total hydrolysis of polygalacturonic and oligogalacturonic acids aiming to produce D-galacturonic acid, with a focus on determining the reaction time of the system. The effect of different enzyme ratios on the hydrolysis profiles was also analyzed, and the optimization of the system was performed using the Particle Swarm Optimization method. The hydrolysis model was able to describe the experimental data for the endopolygalacturonase enzyme action in the hydrolysis of heptagalacturonic acid over time and was shown to be computationally light and capable of characterizing the system more accurately than the current works found in literature. It also showed to be possibly adaptable to other polymeric reactions in solutions and can be tested in a range of industries, as it uses classic literature parameters to describe the reactions. The proposed optimization method, being the first method proposed for this type of model found in the literature, proved to reliably find optimal points corresponding with the expected results. Obtaining optimal percentages of enzymatic ratios for different reaction times and different hydrolyzed substrates aimed at a higher production of the component of interest within a specified time.