7. November 2005
Neue bakterielle Oxidasen
In einen Forschungs- und Entwicklungsprojekt unter Federführung der AC Biotec GmbH wurden effiziente Expressionssysteme für technisch interessante, als „Oxidasen“ bezeichnete Enzyme entwickelt
Diese Arbeiten sind die Voraussetzung, um Oxidasen in technischem Maßstab für eine Vielzahl umweltverträglicher Produktionsprozesse wichtiger Fein-chemikalien einsetzen zu können.
Bei den bearbeiteten Oxidasen handelt es sich um eine D-Aminosäureoxidase aus dem Bakterium Arthrobacter, die L-Aminosäure-oxidase aus einem Rhodococcus-Stamm sowie die NADH-Oxidase aus Lactobacillus brevis. Diese Oxidasen wurden hergestellt, biochemisch charakterisiert und zwei sogar kristallisiert. Modellhafte Oxidase-katalysierte Anwendungen wurden im kleinen Maßstab durchgeführt und mit Hilfe einer speziell weiterentwickelten Messtechnik, der RAMOS-Technologie online verfolgt.
Warum Oxidasen?
Oxidasen sind für die biotechnologische Produktion verschiedener Feinchemikalien hoch interessant. Bisher ist jedoch ihre unzureichende Verfügbarkeit limitierend für die industrielle Anwendung. Die ökologische und ökonomische Bedeutung des Einsatzes von Oxidasen wird an einer der wenigen gut untersuchten Oxidase-katalysierten Reaktionen, der Herstellung der Ausgangsverbindung für eine Vielzahl semisynthetischer Cephalosporin-Antibiotika, deutlich: Während beim aufwändigen chemischen Verfahren pro Tonne Produkt 31 Tonnen zu verbrennenden Abfalls entstehen, beträgt das Abfallaufkommen im Fall der enzymatischen Synthese 0,3 Tonnen Abfall. Darüber hinaus kann gänzlich auf den Einsatz halogenierter Kohlen-wasserstoffe, Schwermetall-Katalysatoren sowie auf Tieftemperatur-Bedingungen verzichtet werden. Die aufwändige Produktaufarbeitung wird wesentlich vereinfacht. Auch die enormen Abwassermengen werden reduziert und ausschließlich biologisch gut abbaubares Wasser abgegeben.
Oxidasen verfügbar machen
Zur Herstellung der Oxidasen wurden verschiedene Mikroorganismen als „Expressionssysteme“ genutzt, die wie eine „Zellfabrik“ die Produktion der Enzyme übernehmen. Bei der so genannten Expression wird aus dem Gen für eine Oxidase das entsprechende Enzym gemacht. Hier wurden zum einen das „Haustier“ der Biotechnologen, das Darmbakterium Escherichia coli (für die D-Aminosäureoxidase und die NADH-Oxidase) verwendet, zum anderen das Bodenbakterium Streptomyces lividans (für die L-Aminosäureoxidase). Entsprechende fermentative Produktionsverfahren wurden entwickelt. Die Optimierung von Expression und Fermentationsbedigungen ermöglichen es, die Oxidasen im technischen Maßstab zu produziern. Beispielhafte untersuchte Anwendungen sind die Darstellung von D- und L-Aminosäuren sowie enantiomerenreiner Alkohole.
RAMOS-Technologie
RAMOS steht für „Respiration Activity Monitoring System“. Diese einzigartige Technologieplattform des Projektpartners AC Biotec wurde im Rahmen des Projekts um ein neues Anwendungsgebiet – die Enzymtechnologie - erweitert. RAMOS erlaubt nämlich, die Sauerstofftransferrate und damit der Reaktionsgeschwindigkeit Oxidase-katalysierter Reaktionen online zu messen. Durch Etablierung dieser Online-Analytik könnten zukünftig sämtliche Prozesse, in denen Oxidasen eingesetzt werden, direkt verfolgt und optimiert werden; eine wichtige Voraussetzung, um weitere neue umweltentlastende Synthesen in die technische Anwendung zu überführen.
Projektziel:
Entwicklung von Expressionssystemen für bakterielle Oxidasen und einer Analysetechnologie für die Optimierung industrieller, oxidativer enzymatischer Prozesse
Projektträger:
AC Biotec GmbH Dr. Tibor Anderlei
Oxidasen sind für die biotechnologische Produktion verschiedener Feinchemikalien hoch interessant. Bisher ist jedoch ihre unzureichende Verfügbarkeit limitierend für die industrielle Anwendung. Die ökologische und ökonomische Bedeutung des Einsatzes von Oxidasen wird an einer der wenigen gut untersuchten Oxidase-katalysierten Reaktionen, der Herstellung der Ausgangsverbindung für eine Vielzahl semisynthetischer Cephalosporin-Antibiotika, deutlich: Während beim aufwändigen chemischen Verfahren pro Tonne Produkt 31 Tonnen zu verbrennenden Abfalls entstehen, beträgt das Abfallaufkommen im Fall der enzymatischen Synthese 0,3 Tonnen Abfall. Darüber hinaus kann gänzlich auf den Einsatz halogenierter Kohlen-wasserstoffe, Schwermetall-Katalysatoren sowie auf Tieftemperatur-Bedingungen verzichtet werden. Die aufwändige Produktaufarbeitung wird wesentlich vereinfacht. Auch die enormen Abwassermengen werden reduziert und ausschließlich biologisch gut abbaubares Wasser abgegeben.
Oxidasen verfügbar machen
Zur Herstellung der Oxidasen wurden verschiedene Mikroorganismen als „Expressionssysteme“ genutzt, die wie eine „Zellfabrik“ die Produktion der Enzyme übernehmen. Bei der so genannten Expression wird aus dem Gen für eine Oxidase das entsprechende Enzym gemacht. Hier wurden zum einen das „Haustier“ der Biotechnologen, das Darmbakterium Escherichia coli (für die D-Aminosäureoxidase und die NADH-Oxidase) verwendet, zum anderen das Bodenbakterium Streptomyces lividans (für die L-Aminosäureoxidase). Entsprechende fermentative Produktionsverfahren wurden entwickelt. Die Optimierung von Expression und Fermentationsbedigungen ermöglichen es, die Oxidasen im technischen Maßstab zu produziern. Beispielhafte untersuchte Anwendungen sind die Darstellung von D- und L-Aminosäuren sowie enantiomerenreiner Alkohole.
RAMOS-Technologie
RAMOS steht für „Respiration Activity Monitoring System“. Diese einzigartige Technologieplattform des Projektpartners AC Biotec wurde im Rahmen des Projekts um ein neues Anwendungsgebiet – die Enzymtechnologie - erweitert. RAMOS erlaubt nämlich, die Sauerstofftransferrate und damit der Reaktionsgeschwindigkeit Oxidase-katalysierter Reaktionen online zu messen. Durch Etablierung dieser Online-Analytik könnten zukünftig sämtliche Prozesse, in denen Oxidasen eingesetzt werden, direkt verfolgt und optimiert werden; eine wichtige Voraussetzung, um weitere neue umweltentlastende Synthesen in die technische Anwendung zu überführen.
Projektziel:
Entwicklung von Expressionssystemen für bakterielle Oxidasen und einer Analysetechnologie für die Optimierung industrieller, oxidativer enzymatischer Prozesse
Projektträger:
AC Biotec GmbH Dr. Tibor Anderlei
Prof. Rehm Strasse 1
AZ 13094
