Biokatalytische Herstellung wertvoller Zwischen­produkte

Dabei wurden Lösungen für bisherige Schlüssel­probleme der Redox-Biokatalyse entwickelt, um Ausgangs­verbindungen für Pharma-Grundstoffe in innovativen und umweltfreundlichen Bio­katalyseverfahren herzustellen. In einem inter­disziplinären und integrativen Ansatz wurden elektrochemische Prozesse verbessert, neue Biokatalysatoren aus natürlicher Diversität isoliert sowie Biokatalysatoren rational und evolutiv für die Bioelektrokatalyse verbessert.

Maßgeschneiderte Biokatalysatoren
Die Kooperationspartner haben Durch­musterungssysteme entwickelt und sowohl in ihren Stammsammlungen als auch verschiedenen Umweltproben eine Reihe (18) viel versprechender neu­artiger Biokatalysatoren gefunden, die Hydroxylierungs- und Epoxy­dierungs­reaktionen an industriell bedeutsamen Substraten katalysieren. Diese werden biotechnologisch produziert und durch gelenkte Evolution mithilfe eines neuen Mutageneseverfahrens (SeSaM) verbessert.
Eingesetzt wurden die neuartigen und hoch spezialisierten Biokatalysatoren, so genannte Oxidoreduktasen, um Sauerstoff­atome in Kohlenwasserstoffe einzubauen. Dadurch werden diese Grundstoffe in wertvolle Zwischenverbindungen über­­führt, welche beispielsweise in der Pharma­­industrie Anwendung finden. Der enzy­­matische Sauerstoffeinbau ersetzt traditionell mehrstufige chemische Ver­fahren, die häufig den Einsatz teurer, umwelt­schädlicher Schwer­metall­kata­lysatoren in hoher Konzentration benötigen und darüber hinaus in ihrer Selek­tivität begrenzt sind.

Screening am Computer
Neben dem klassischen Screening wurde in diesem Projekt auch ein so genanntes in-silico-Screening durchgeführt. Dazu wurde für eine bestimmte, als Modellenzym aus­ge­wählte Dehydrogenase eine Datenbank mit homo­logen Proteinsequenzen erstellt und auf­bauend darauf ein Modell der Bindungs­­tasche und des Katalysators ent­wickelt. Dieses dient der Vorher­sage gerichteter Muta­­tionen, um die Substratspezifität zu ändern und die Prozess­stabilität zu erhöhen. Aus einer zweiten Datenbank mit potenziellen Pharma-Grundbausteinen wurden geeignete Ausgangsverbindungen für die vorliegenden Biokatalysatoren ausgewählt und hergestellt.

Elektroenzymatische Verfahren
Für die Anwendung geeigneter Oxidoreduk­tasen bedarf es der Regenerierung der bei der enzymatischen Reaktion verbrauchten Cofaktoren; dies funktioniert nebenproduktfrei durch Anwendung der Elektrochemie - eine breit einsetzbare Basistechnologie für umwelt­freundliche enzymatische Verfahren.
In der industriellen Biotechnologie werden elektro­enzymatische Verfahren bisher nur selten eingesetzt. Durch Verwendung des verbesserten Elektrodenmaterials (RVC - reticulated-vitrous-carbon-Elektrode^®) sowie eines robusten elektrochemischen Mediators wurde eine deutliche Steigerung der elektro­chemischen Regenerationsrate erzielt, welche eine wirtschaftliche Basis für die anstehende Prozessentwicklung darstellt.

Projektthema
Biokatalytische Verfahren zur Herstellung wertvoller Zwischenprodukte

Projektdurchführung
Universität Dortmund
Prof. Dr. Andreas Schmid
Telefon 0231|755-7381
Telefax 0231|755-7382
andreas.schmid@bci.uni-dortmund.de

Projektpartner
Internationale Universität Bremen
Universität Stuttgart
Brain AG, Zwingenberg
EMC microcollections GmbH, Tübingen
BASF AG, Ludwigshafen