9. März 2004

Optimierung der L-Serin-Gewinnung

Die Aminosäure L-Serin ist ein interessantes Produkt für die Pharma- und Nahrungsmittelindustrie. In hochreiner Form dient sie beispielsweise als Zusatz von Infusionslösungen. Durch gezielte Eingriffe in den Stoffwechsel des Bakteriums Corynebacterium glutamicum wurde ein Serin-Produktionsstamm konstruiert, der das gewünschte Produkt L-Serin ausgehend vom nachwachsenden Rohstoff Zucker produziert. Das entwickelte Verfahren wurde mittels Ökobilanzierung und Wirtschaftlichkeitsanalyse mit dem konventionellen, sehr umweltbelastenden Verfahren verglichen. Die Ergebnisse versetzen die als Industriepartner beteiligte Amino GmbH in die Lage, das neue fermentative Verfahren zur mikrobiellen L-Serin-Produktion in den Produktionsmaßstab zu überführen.

Ziel des Projekts war es, ein hocheffizientes biotechnologisches Verfahren zur umweltfreundlichen Herstellung der Aminosäure L-Serin zu entwickeln. Dazu wurde der Stoffwechsel des Bakteriums Corynebacterium glutamicum gezielt und mit größtmöglicher Ausbeute in Richtung L-Serin-Bildung umgelenkt. Dieses Bakterium ist als guter Aminosäureproduzent bekannt und mit ihm werden derzeit die Aminosäuren L-Lysin und L-Glutamat im 100.000-Tonnen-Maßstab produziert.

Serin im Zentrum des Stoffwechsels
Während die Biosynthese der Aminosäure L-Serin in nur drei Schritten erfolgt, stellt sie selbst die Vorstufe für eine Vielzahl weiterer Stoffwechselprozesse dar. Es war daher notwendig, einerseits die L-Serin-Biosynthese durch Überproduktion der Biosyntheseenzyme zu verstärken und andererseits den Abbau des L-Serins zu vermindern. Das erfolgte durch Ausschalten der entscheidenden L-Serin abbauenden Enzyme. In Kombination mit einer verbesserten Vorstufenbereitstellung und Deregulation der Schlüsselenzyme gelang es, die L-Serin-Anreicherung um den Faktor 10.000 zu steigern.

Trotz dieser ermutigenden Ergebnisse sind weitere Fortschritte erfoderlich, um eine wirtschaftliche Produktion von Serin im industriellen Maßstab zu ermöglichen. Als Ziel für die Produktion wurde in der Modellbildung für die begleitende Ökobilanz und Wirtschaftlichkeitsanalyse für das fermentative Verfahren von 30g/l Produktausbeute und 47% Aufarbeitungsausbeute ausgegangen. Betrachtet wurden hierbei auch unterschiedliche Ausgangsrohstoffe. Unter diesen Bedingungen zeigen sich signifikante ökologische Vorteile (Energiebedarf, Wasserverbrauch, Abwasser, Treibhauseffekt) des fermentativen Verfahrens gegenüber dem Referenzverfahren der sauren Hydrolyse. Aus ökonomischer Sicht bietet die Fermentation bei diesen Zielparametern relativ zur sauren Hydrolyse und unter den Bedingungen eines deutschen Produktionsstandorts zwar Kostenvorteile; um aber im internationalen Wettbewerb dauerhaft bestehen zu können und angesichts des herrschenden Preisdrucks auf dem Markt für Aminosäuren auch in ungünstigen Marktphasen mit ausreichenden Deckungsbeiträgen produzieren zu können, ist eine weitere Verbesserung des Stamms und des Gesamtprozesses erforderlich.

Projektziel:
Mikrobielle Produktion der Aminosäure L-Serin unter besonderer Berücksichtigung der Ökobilanzierung
Projektträger:
Forschungszentrum Jülich GmbH Institut für Biotechnologie 1 Prof. Dr. Hermann Sahm 52425 Jülich
Telefon:
02461 / 61-3294
Fax:
02461 / 61-2710
URL:
www.fz-juelich.de/ibt/ibt-1.html
E-Mail:
h.sahm@fz-juelich.de