Biotechnologische Konversion von Glycerin (Details)
Glycidol ist ein hochwertiger C3-Chiral-Baustein zur Herstellung von Medikamenten und anderen Chemikalien. Die biotechnologische Umsetzung von Glycidol wird allerdings durch dessen Zelltoxizität erschwert. In diesem Teilprojekt wurde ein Verfahren entwickelt mit dem Glycidol in rekombinante Stämmen von Escherichia coli als Glycidylacylester angereichert werden konnte. Hierfür wurde die unspezifische bifunktionale Wachsester Synthase/Diacylglycerol:Acyltransferase (WS/DGAT) AtfA aus Acinetobacter baylyi ADP1 verwendet (Abb. 1). Ausgehend von Glycidol und Palmitoyl-CoA ist es möglich in vitro Palmitinsäureglycidylester herzustellen.
In vivo wurden neben der WS/DGAT AtfA aus A. baylyi ADP1 noch Acyltransferasen aus Alcanivorax borkumensis SK2 (AtfA1 und AtfA2) getestet. Jedoch produzierten nur Stämme von E. coli, die über die AtfA aus A. baylyi ADP1 verfügten, in Gegenwart von Ölsäure Glycidylester (Kim et al. 2009).
Poly(3-Hydroxypropionat), Poly(3HP), gehört zu der Gruppe der Polyhydroxyalkanoate (PHA) und kombiniert die Vorteile von Poly(3-Hydroxybutyrate), Poly(3HB), und Poly(2-Hydroxypropionat), Poly(2HP). Poly(3HP) ist stabiler als Poly(2HP), dagegen aber leichter abzubauen als Poly(3HB) und daher interessant für die Medizin, Pharmazie und die Verpackungsindustrie.
Bisher konnte Poly(3HP) nur chemisch synthetisiert werden. Allerdings wird hierbei das Krebs-erregende β-Propiolacton verwendet. Unserer Arbeitsgruppe ist es gelungen dieses Polymer erstmals aus einem nicht ähnlichen Substrat zu synthetisieren. Die Herstellung von Poly(3HP) läuft in rekombinanten Escherichia coli ab. Hierfür wurden die Glycerin Dehydratase DhaB1 und deren Aktivatorprotein DhaB2 aus Clostridium butyricum, die Propionaldehyd Dehydrogenase PduP aus Salmonella enterica und die PHA Synthase PhaC1 aus Ralstonia eutropha verwendet (Andreeßen et al., 2010, Andreeßen and Steinbüchel, 2010). Da es sich bei der Glycerin Dehydratase um ein strikt anaerobes Enzym handelt, verläuft dieser Prozess unter Ausschluss von Sauerstoff statt. Poly(3HP) kann mit diesem rekombinanten Stamm und einem speziellen Fermentationsverfahren hergestellt werden.
2-Amino-1,3-Propandiol, Serinol, ist eine Feinchemikalie, die als Grundlage für weitere Synthesen in der chemischen Industrie dient. Aus Serinol werden unter anderem Kontrastmittel, Antibiotika, Schmerzmittel und Medikamente für die Krebstherapie hergestellt (Abb. 2).
Um Serinol biotechnologisch herzustellen, wird das bifunktionale Enzyme Dihydroxyacetonphosphat Transaminase/Dihydrorhizobixin Synthase RtxA aus dem Knöllchenbakterium Bradyrhizobium elkanii verwendet. Unserer Arbeitsgruppe ist es gelungen das Enzym heterolog zu exprimieren, einen Enzymtest zu entwickeln und so die bisher unbekannten Cosubstrate zu bestimmen. Des Weiteren konnte Serinol von rekombinanten E. coli produziert werden. Bei diesem Prozess wird das Produkt in das Medium sekretiert und kann anschließend daraus isoliert werden. (Andreeßen and Steinbüchel, 2011, Andreeßen and Steinbüchel, 2012, Andreeßen et al. 2012).
Ziele:
· Entwicklung neuer Synthesewege ausgehend vom Glycerin
· Optimierung der bereits etablierten Prozesse zur Synthese von Poly(3HP) und Serinol
· Etablierung der bekannten Prozesse in neuen, geeigneteren Wirtsorganismen
In unserer Arbeitsgruppe verwendete Methoden
· Standardmethoden der Gentechnik, Proteinchemie und Radiometrie
· Dünnschichtchromatographie (DC)
· Gaschromatographie (GC) und Massenspektrometrie (GC/MS)
· Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC)
· Licht-/Fluoreszenz-/Elektronenmikroskopie
· Fermentationen in 2 L Serienfermentern und in 30 L bzw. 650 L Bioreaktoren
| Am Projekt beteiligte Mitarbeiter: | |
| Zur Zeit: | Ehemalige Mitarbeiter: |
| Dr. Björn Andreeßen | Dr. Okbin Kim |
| M.Tech. Gopal Ramakrishnan Gopi | M.Sc. Agnieszka Smoter |
| B.Sc. Daniel Heinrich | |
| B.Sc Renata Pavlović | |
| M.Sc. Leonie Wenning |
Referenzen:
Kim, O.B., H. Luftmann, and A. Steinbüchel. 2009. Biotransformation of glycidol by the unspecific wax ester synthase/acyl-CoA:diacylglycerol acyltransferase of Acinetobacter baylyi ADP. Eur. J. Lipid Sci. Technol. 111:972-978.
Andreeßen, B., A. B. Lange, H. Robenek, and A. Steinbüchel. 2010. Conversion of glycerol to poly(3-hydroxypropionate) in recombinant Escherichia coli. Appl. Environ. Microbiol. 76:622-626.
Andreeßen, B., and A. Steinbüchel. 2010. 3-Hydroxypropionate-containing polyesters: Biosynthesis and biodegradation. Appl. Environ. Microbiol. 76:4919–4925.
Andreeßen, B., and A. Steinbüchel. 2011. Serinol: small molecule - big impact. AMB Express. 1:12.
Andreeßen, B., and A. Steinbüchel. 2012. Biotechnological conversion of glycerol to 2-amino-1,3-propanediol (serinol) in recombinant Escherichia coli. Appl. Microbiol. Biotechnol. 93:357-365.
Andreeßen, B., A. Steinbüchel, and L. Maksym. 2012. Serinol production in glycerol catabolism deficient Escherichia coli strains. EP12184582.