Entwicklung neuer Ganzzellbiokatalysatoren

Arbeitsfeld:
Themenschwerpunkt 1: Ressourcenschonung



Essigsäurebakterien werden bereits biotechnologisch genutzt. Diese Mikroorganismen sind in der Lage, hoch spezifische Reaktionen an verschiedensten Stoffen wie Alkoholen, Polyolen, Zuckern und ähnlichen Verbindungen durchzuführen, die meist mit herkömmlichen chemi­schen Methoden nicht oder nur sehr ineffizient zu erreichen sind.

Essigsäurebakterien führen solche Reaktionen mit einer Vielzahl besonderer Enzyme, soge­nannter membranständiger Dehydrogenasen, aus. Dabei findet die Umsetzung an der Außenseite der Zelle statt, ohne vorherigen Transport der Substrate in die Zelle. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber der herkömmlichen Ganzzellbiokatalyse dar, da der Transport des Substrats nicht limitiert ist. Dazu kommt, dass manche Essigsäurebakterien auch in hoch konzentrierten Reaktionslösungen aktiv sind, was die Wirtschaftlichkeit deutlich erhöht. Beispiele für den Einsatz solcher Umsetzungen liegen in der Synthese von Vitamin C oder des Arzneimittels Miglitol, das für Diabetiker verschrieben wird. Allerdings ist mit den bereits etablierten biotechnologischen Verfahren das Potential dieser Organismen bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Mit diesem Projekt soll die Einsetzbarkeit von Essigsäurebakterien für biotechnologische Umsetzungen erheblich verbessert und erweitert werden, um ausge­hend von Verbindungen aus nachwachsenden Rohstoffen Ganzzellbiotransformationen mit noch nicht gekannter Effizienz durchzuführen.

Dieser neue, flexible Ansatz wird am Beispiel der Entwicklung von verbesserten Stämmen und Verfahren zur Herstellung des Kohlenhydrats Erythrulose aus der Alkoholverbindung Erythritol oder zur Umsetzung von Glukose zu Weinsäure demonstriert. Erythrulose kann in Kosmetika und Weinsäure in Pharmazie und Technik eingesetzt werden. Dieser Ansatz soll darüber hinaus zukünftig auch für die Stamm- und Prozessentwicklung zur Herstellung wei­terer neuer Produkte anwendbar sein.

Dabei kommen neu entwickelte molekularbiologische Methoden zum Einsatz[1], mit denen zunächst die Vielzahl der bei Essigsäurebakterien vorkommenden membranständigen Dehydrogenasen entfernt werden[2]. Anschließend sind nur die für die erwünschte biotechno­logische Umsetzung relevanten Enzyme aktiv. Auf diese Weise nnen unerwünschte Nebenreaktionen vermieden, sowie die katalytischen Aktivitäten gesteigert werden. Die Ent­wicklung und physiologische Untersuchung der Stämme geht dabei Hand in Hand mit der Charakterisierung dieser Stämme unter technischen Bedingungen, um optimale und in den industriellen Maßstab skalierbare Produktionsverfahren gestalten zu nnen. Alle Verfah­rensschritte werden nach dem Stand der Technik in geschlossenen Anlagen durchgeführt. Mit dem hier vorgestellten Vorhaben wird eine auf Essigsäurebakterien basierte neue Pro­duktionsplattform für ein ganzes Spektrum niedermolekularer Produkte (organische Säuren, Aldehyde, Ketone) entwickelt. Mit dieser Plattformtechnologie kann auch die große und bis­lang nur unzureichend untersuchte natürliche Vielfalt der oxidativen Fähigkeiten der Essig­säurebakterien[3] nutzbar gemacht werden.

Im bisherigen Projektverlauf wurden am Lehrstuhl für Mikrobiologie die oxidativen Eigen­schaften diverser Stämme der Gattungen Gluconobacter und Gluconacetobacter mit einem Spektrum verschiedener, für dieses Projekt relevanter Substrate untersucht. Dabei zeigten sich erstaunlich gre Unterschiede zwischen den Stämmen. Durch molekularbiologische Modifizierung konnten bereits einige neue G. oxydans Stämme erhalten werden. Die neuen Stämme wurden bezüglich ihrer Fähigkeit, meso-ErythritLehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg)
Lehrstuhl für Mikrobiologie (Technische Universität München)







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Status:
laufend

Gründungsdatum:
07.2015

Ende:
06.2018