Ressourcenschonende Herstellung von Feinchemikalien

Arbeitsfeld:
Themenschwerpunkt 1: Ressourcenschonung



Chirale Feinchemikalien sind wichtige Bausteine für die Synthese bioaktiver Substanzen wie beispielsweise Pharmazeutika, Lebensmittelzusatzstoffe, Futtermittel und Agrochemikalien. Eine attraktive Möglichkeit chirale Moleküle herzustellen, bietet die asymmetrische Reduktion von Kohlenstoff-Doppelbindungen. Dabei kommen bisher meist chemische Schwermetall-Katalysatoren zum Einsatz. Die Biokatalyse stellt hierzu eine umwelt­freund­liche und wirtschaftlich interessante Alternative dar. Dabei werden die Doppelbindun­gen mit Hilfe von Enzymen, den sogenannten Enreduk­tasen (ERs), reduziert. Während dieser Reaktion benötigen ERs ein sehr teures Hilfsmolekül, den Cofaktor Nicotin­amid­adenin­dinukleotid (NADH) für den Elektronentransport. Daher ist eine ressourcenschonende indus­trielle Anwendung von ERs eng mit der Enzymaktivität bei Verwendung dieses natürlichen Cofaktors verknüpft.

Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Aktivitätssteigerung von ERs mit dem Elektronentransportmolekül NADH. Aus diesem Grund wurde eine ER aus einem Cyanobakterium (kurz: NostocER1) durch verschiedene Methoden des Protein Engineerings, also der zielgerichteten Struktur- und Funktionsoptimierung von Enzymen, verändert. Aufgrund des effizienten Umsatzes einer Vielzahl von Substraten, unter anderem eines Bausteines, der für die Synthese von Anti-Malaria Wirkstoffen verwendet wird, ist die NostocER1 ein viel versprechender Biokatalysator. Ein industrieller Einsatz wird jedoch durch seine geringe NADH-Aktivität erschwert.

Bei den Forschungsarbeiten gelang die Identifikation eines wirkungsvollen Ansatzes zur Steigerung der NADH-Aktivität dieses Biokatalysators. Dabei wurden die flexiblen Loop-Regionen der NostocER1, welche an der Bindung des NADH beteiligt sind, durch  entsprechende Bereiche ähnlicher ERs mit einer von Natur aus höheren Aktivität mit NADH ersetzt (Abbildung). Durch die Anwendung dieser Methode konnte eine Vielzahl von NostocER1-Hybriden erzeugt werden, die eine gesteigerte NADH-Aktivität aufweisen. Sieben dieser optimierten Enzyme zeigten eine 4- bis 8-fache gesteigerte Aktivität mit NADH relativ zur unveränderten NostocER1 (Abbildung). Somit konnte eine effiziente Protein Engineering-Methode zur selektiven Optimierung der NADH-Aktivität von ERs identifiziert werden, wodurch ein großes Hindernis bei der Anwendung dieser Biokatalysatoren zur ressourcenschonenden Herstellung von Feinchemikalien überwunden wurde.



Projektpartner:
Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (Technische Universität München)







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Status:
laufend

Gründungsdatum:
07.2015

Ende:
06.2018