04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Immobilisierung von Haloalkan-Dehalogenasen und Prozessentwicklung der enzymatischen Produktion von optisch aktivem 2,3-Dichlor-1-propanol(2008) Samorski, Markus; Reuss, Matthias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Für die enzymatische Dehalogenierung von 1,2,3-Trichlorpropan zu optisch aktivem 2,3-Dichlor-1-propanol wurden im Rahmen dieser Arbeit die kovalente Immobilisierung mit dem Enzymträger Eupergit modelliert, die enzymkinetische Charakterisierung der eingesetzten Haloalkan-Dehalogenasen durchgeführt, ein detailliertes Festbettreaktormodell erarbeitet, eine vollautomatisierte Versuchsanlage zur Modellvalidierung und Prozessoptimierung entworfen, gebaut und betrieben, das Langzeitaktivitätsverhalten der beiden Haloalkan-Dehalogenasen untersucht sowie eine Bewertung der eingesetzten Immobilisierungsmethoden vorgenommen. Die Eupergit-Immobilisierung von Haloalkan-Dehalogenase DhaA wurde durch ein kinetisches Modell beschrieben, das aufgrund der Abwesenheit diffusiver Limitierungen die Phänomene Inaktivierung des löslichen Enzyms und Immobilisierungsreaktion in einphasiger Weise beschreibt und einer analytischen Lösung zugänglich ist. Die experimentelle Überprüfung offenbarte eine ausreichende Vorhersagegüte des Modells. Aufgrund der stärkeren thermischen Aktivierung der Immobilisierungsreaktion gegenüber der Enzyminaktivierung führt eine Absenkung der Immobilisierungstemperatur zu sowohl geringeren Enzym-Ausbeuten als auch niedrigeren Raum-Zeit-Ausbeuten der Immobilisierung. Die Ausbeute an aktiv immobilisiertem Enzym kann durch den Einsatz hoher Eupergit-Konzentrationen gesteigert werden. Der Einfluss der Eupergit-Konzentrationen bei der Immobilisierung auf die Reaktorgröße des Syntheseprozesses konnte quantifiziert werden. Die enzymkinetische Beschreibung der Haloalkan-Dehalogenasen DhaA und DSD4, die durch eine Michaelis-Menten-Kinetik mit kompetitiver Produktinhibierung sowohl temperatur- als auch pH-abhängig vorgenommen wurde, konnte die unterschiedlichen katalytischen Eigenschaften der Enzyme offen legen. Haloalkan-Dehalogenase DhaA zeichnet sich durch eine hohe Affinität zu Substrat und Produkt der betrachteten Dehalogenierung aus (K_M(30°C, pH 9) = 1,79 mmol/l, K_I(30°C, pH 9) = 1,56 mmol/l), während das Enzym DSD4 sowohl eine geringere Substrat- als auch Produktaffinität aufweist (K_M(30°C, pH 9) = 9,96 mmol/l, K_I(30°C, pH 9) = 25,6 mmol/l). Auf Basis der kinetischen Daten konnte ein Festbettreaktor als der ideale Reaktortyp für die enzymatische Produktion von optisch aktivem 2,3-Dichlor-1-propanol identifiziert werden. Zur Beschreibung des Festbettreaktors wurde ein detailliertes Modell entwickelt, das zwei Kompartimente unterscheidet und die Phänomene Konvektion, Dispersion, Stofftransport, Diffusion, Adsorption und Reaktion berücksichtigt. Die benötigten Parameterwerte wurden teilweise experimentell bestimmt oder empirischen Korrelationen aus der wissenschaftlichen Literatur entnommen. Das zur Erzielung höherer Produktkonzentrationen erarbeitete Konzept eines Rückführungsprozesses wurde ebenfalls adäquat modelliert. Miniplant-Experimente der immobilisierten Haloalkan-Dehalogenasen DhaA und DSD4 zeigten eine gute Übereinstimmung der experimentellen Beobachtungen und den Simulationsergebnissen. Die Konzentrationsprofile im Festbettreaktor von Fließgleichgewichtsexperimenten werden in erster Linie von den enzymkinetischen Parametern bestimmt, während das dynamische Reaktorverhalten nach einer sprunghaften Änderung der Zulaufbedingungen erheblich von der Substrat- und Produktadsorption am Enzymträger abhängt. Bei den experimentellen Beobachtungen der Prozessvariante mit Rückführung wurde eine Nebenproduktbildung beobachtet, die die Prozessbeschreibung durch das Modell aufgrund zusätzlich verbrauchter Lauge erschwert. Im Falle geringer Nebenproduktbildung kann die Abweichung toleriert und die Vorhersage der zeitlichen Konzentrationsverläufe durch das Modell als ausreichend bezeichnet werden. Die erzielte Raum-Zeit-Ausbeute des Prozesses mit Rückführung entspricht in etwa der des kontinuierlich betriebenen Festbettreaktors bei gleichem Umsatz.Item Open Access Modellgestützte Entwicklung eines Prozesses für die mikrobielle Hydrolyse von Propionitril zu Ammoniumpropionat(2000) Christian, Hans Jürgen; Syldatk, Christoph (Prof. Dr. rer. nat.)Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand in der Entwicklung der Grundlagen für einen Prozeß zur mikrobiellen Hydrolyse von Propionitril zu Ammoniumpropionat. Zu Beginn der Arbeit wurde der verwendete Mikroorganismus auf seine Gattungszugehörigkeit hin untersucht und als Patentstamm Rhodococcus erythropolis DSM 13002 bei der DSMZ hinterlegt. Zur Bereitstellung einer geeigneten Menge an homogener Biomasse wurde der Stamm in einem Maßstab von 70 l im Bioreaktor kultiviert. In weiteren Untersuchungen erfolgte dann eine Optimierung des Wachstumsmediums. Die Untersuchung der nitrilverseifenden Eigenschaften ergab, daß in dem untersuchten Stamm ein Zwei-Enzym-System aus einer eisenabhängigen Nitrilhydratase und einer Amidase vorlag. Diese wurden auf ihre biochemischen Eigenschaften im Ganzzellsystem hin untersucht. Durch Immobilisierung der Zellen konnte die Toleranz des Biokatalysators gegenüber dem Substrat Propionitril deutlich verbessert und bei einer absatzweisen Prozeßführung Nitrilkonzentrationen bis über 1 M umgesetzt werden. Bei der Untersuchung des Einflusses der Immobilisierung auf die Aktivität wurde eine moderate innere und äußere Stofftransportlimitierung bestimmt. Der Biokatalysator wurde als Immobilisat in absatzweiser Prozeßführung mit konstanter Substratzugabe (Fed-batch), im kontinuierlichen Rührreaktor sowie im Festbett eingesetzt. Dabei konnten im Fed-batch Prozeß Produktkonzentrationen von bis zu 3 M Ammoniumpropionat erhalten werden. In dieser Arbeit wurde ein Reaktionsmodell für das Zwei-Enzym-System erstellt. Anschließend wurden sämtliche Modellparameter über Anfangsreaktionsraten und mittels dynamischer Simulation in Verbindung mit nichtlinearer Regression bestimmt. Eine Anwendbarkeit der reaktionskinetischen Ansätze unter dynamischen Bedingungen wurde anhand eines Fed-batch-Prozesses überprüft und eine gute Übereinstimmung der simulierten Konzentrationsverläufe mit den Meßdaten ermittelt.Item Open Access Modellgestützte Entwicklung eines mehrstufigen Verfahrens zur enzymatischen Synthese enantiomerenreiner Aminosäuren(2008) Teves, Harald; Reuss, Matthias (Prof. Dr.-Ing.)Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines vollständigen Verfahrens zur Synthese von enantiomerenreinen L-Aminosäuren durch Biotransformation mit immobilisierten Enzymen. Als Modellsystem wurde die zweistufige Hydrolyse von D,L-Benzylhydantoin über L-Carbamoylphenylalanin zu L-Phenylalanin gewählt. Die erste Stufe wurde durch das enantioselektive Enzym Hydantoinase katalysiert und die zweite durch das enantiospezifische Enzym L-Carbamoylase. Ein Schwerpunkt war die Analyse und Modellierung des gegebenen Reaktionssystems, das die reversible Reaktion von D- bzw. L-Benzylhydantoin zu D- und L-Caramoylphenylalanin, die irreversible Reaktion von L-Carbamoylphenylalanin zu L-Phenylalanin sowie die Racemisierung des Substrats Benzylhydantoin umfasste. Die Parameter in den enzymkinetischen Gleichungen wurden aus Anfangsreaktionsraten und zeitlichen Konzentrationsverläufen abgeschätzt. Da in einer Versuchsanlage an poröse Partikel immobilisierte Enzyme Verwendung fanden, wurden die enzymkinetischen Modelle um Gleichungen für den externen Transport der Reaktanten an die Partikeloberfläche und den internen Transport in den Partikeln erweitert. Die Racemisierung des Substrats Benzylhydantoin wurde mit zwei Modellen beschrieben, die sich in ihrem Detaillierungsgrad unterschieden. Während das erste Modell die Dissoziation des Benzylhydantoins berücksichtigte und die basenkatalysierte Racemisierung in wässriger Lösung von der Racemisierung an einem Ionenaustauscher differenzierte, vereinigte das zweite Modell die verschiedenen Mechanismen zu einer reversiblen Reaktion mit Hin- und Rückreaktion jeweils pseudo-erster Ordnung. Wichtigstes Ergebnis des detaillierten Modells war die Beschleunigung der Racemisierung durch Verschiebung des pH-Werts, wobei der durch Katalyse am Ionenaustauscher erzielte Geschwindigkeitszuwachs im Vergleich zur spontanen Reaktion exponentiell anstieg. Auf der reaktionstechnischen Analyse bauten die Gestaltung einer Versuchsanlage im Labormaßstab und die Erstellung eines mathematischen Prozessmodells dieser Versuchsanlage auf. Mit Rücksicht auf die begrenzte Aktivität der Enzymimmobilisate und die geringe Löslichkeit des Benzylhydantoins wurde das Verfahren, welches drei Operationen umfasste, absatzweise betrieben: Auflösung von D,L-Benzylhydantoin in einem gerührten Membranreaktor, zweistufige enzymatische L-Phenylalanin Synthese in einem Festbettreaktor mit immobilisierter Hydantoinase und L-Carbamoylase sowie Racemisierung des nicht abreagierten Substrats D-Benzylhydantoin in einem zweiten mit starkem Anionenaustauscher gefüllten Festbettreaktor. Alle drei Apparate waren hintereinandergeschaltet und bildeten einen geschlossenen Kreislauf. Optional erfolgte eine nachgeschaltete Aufreinigung des Produkts L-Phenylalanin durch Elektrodialyse. Im Vorfeld zu den experimentellen Arbeiten an der Versuchsanlage - und später auch diese begleitend - wurde ein mathematisches Modell des gesamten Verfahrens erstellt und mit Versuchsdaten parametriert. Dieses Modell bildete die Auflösung von festem Benzylhydantoin in einem ideal durchmischten Membranreaktor, die enzymatische Umsetzung im ersten und anschließende Racemisierung im zweiten Festbettreaktor sowie die Rückführung in den Membranreaktor ab. Bezüglich der Festbettreaktoren wurden die Stoffbilanzen getrennt für das Hohlraumvolumen sowie die porösen Partikel der Schüttung aufgestellt. Verkoppelt waren sie durch den Stoffübergang an der Oberfläche eines jeden Partikels. In den porösen Partikeln katalysierten die an der inneren Oberfläche immobilisierten Enzyme die im vorangehenden beschriebenen Reaktionen. Es resultierten hauptsächlich partielle Differentialgleichungen, die mit einem finite Volumen Verfahren (TVD) örtlich diskretisiert und dem numerischen Integrator LIMEX gelöst wurden. Da die vollständige Umsetzung des racemischen Substrats D,L-Benzylhydantoin zum enantiomerenreinen Produkt L-Phenylalanin wesentlich von der Racemisierung abhing, kam dieser Umlagerungsreaktion eine zentrale Bedeutung zu. Es zeigte sich, dass eine Steigerung der Produktausbeute eine überproportionale Erhöhung der Ionenaustauschermasse erforderte. Andererseits bedeutete die Erhöhung der Ionenaustauschermasse einen zunehmenden Verlust an Produkt, da es durch Bindung an den Ionenaustauscher in der Reaktionslösung abgereichert wurde. Bezüglich des theoretisch möglichen Enantiomerenüberschusses von 100 % bei vollständiger Umsetzung des racemischen Substrats erwies sich beim gegebenen pH-Wert auch mit maximaler Racemisierungsgeschwindigkeit die langsame Rückreaktion von D-Carbamoylphenylalanin zu D-Benzylhydantoin als limitierend, und es resultierte ein maximaler Enantiomerenüberschuss von 64 %. Simulationsergebnisse belegten den vernachlässigbaren Einfluss der Auflösungskinetik des Benzylhydantoins auf das Gesamtgeschehen.Item Open Access Expressionsoptimierung und Produktion von Haloalkan-Dehalogenasen zur Umsetzung von 1,2,3-Trichlorpropan(2007) Fritz, Christina; Reuss, Matthias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. )Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung von Haloalkan Dehalogena-sen zur biokatalytischen Umsetzung des prochiralen 1,2,3 Trichlorpropan zu dem (R) oder (S) Enantiomer des 2,3-Dichlor-1-propanol. Die Bereitstellung dieser En-zyme schließt sowohl eine Optimierung der heterologen Proteinexpression im jewei-ligen Wirtsorganismus, als auch die Produktion und Aufreinigung des Biokatalysa-tors ein. Die von der Firma DOW Chemicals bereitgestellten Haloalkan Dehalogenasen un-terscheiden sich im Wesentlichen hinsichtlich ihrer ee-Werte bezüglich des Produkts 2,3-Dichlor-1-propanol und im Hinblick auf ihr Expressionsverhaltens in Escherichia coli. Für die aus einem Bodenscreening stammenden Haloalkan Dehalogenasen DSD4 und DSD49 wird auf Grundlage von experimentellen Ansätzen das intrazellu-läre Expressionsniveau dieser Proteine signifikant erhöht. Weiterhin werden auf Grundlage von modellgestützen Ansätzen Ursachen für die Bildung von "Inclusion bodies" während der heterologen Expression dieser Haloalkan Dehalogenasen her-ausgearbeitet. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der fermentativen Produktion von Ha-loalkan Dehalogenasen in E. coli über eine Hochzelldichte- Kultivierung im 30 l Maßstab und dem anschließenden Downstream-Prozess der Biokatalysatoren. Das Ziel dieses Arbeitsschwerpunkts liegt darin, den Biokatalysator im halbtechnischen Maßstab möglichst kostengünstig und innerhalb kurzer Zeit herzustellen. Für die Etablierung des Gesamtprozesses wird eine Haloalkan Dehalogenase aus Rhodo-coccus rhodochrous (DhaA) eingesetzt. DhaA weist gegenüber den DSD Varianten bezüglich des Produkts eine geringere Enantioselektivität auf, zeichnet sich aber bereits zu Beginn der Arbeit durch ein hohes Expressionsniveau in dem Wirtsorga-nismus E. coli aus. Innerhalb des Downstream- Prozesses wird die "High Gradient Magnetic Fishing"-Technik eingesetzt. Dieses Verfahren ermöglicht, wesentliche Schritte eines klassischen Chromatographie-Aufreinigungsverfahrens zu umgehen, was zu einer Kosten- und Zeitersparnis führt. Mit Hilfe der Magnettrenntechnik lässt sich der Downstream-Prozess für Haloalkan Dehlogenasen auf die drei Arbeits-schritte des Zellaufschlusses, der Affinitätsaufreinigung mittels HGMF und der Kon-ditionierung des Biokatalysators über eine Ultrafiltration reduzieren.Item Open Access CFD-Simulationen von Mischvorgaengen und biotechnischen Stoffumsetzungen in begasten Rührkesselreaktoren(2001) Schmalzriedt, Sven; Reuss, Matthias (Prof. Dr.-Ing.)Rührkesselreaktoren kommen in zahlreichen chemischen und biotechnischen Produktionsprozessen zur Anwendung, für biotechnische Stoffumwandlungen sind sie sogar der wichtigste Standardapparat. Die Methoden der numerischen Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) liefern heute die Grundlage für detaillierte Untersuchungen der lokalen und zeitabhängigen Vorgänge bei Stoffumsetzungen in der turbulenten Zweiphasenströmung im Rührkesselreaktor. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Methoden zum Einsatz von CFD-Simulationen bei der Analyse und Vorausberechnung biotechnischer Stoffumsetzungen in Rührkesselreaktoren entwickelt und auf exemplarische biotechnische Stoffumsetzungen angewendet. Bei der Modellierung wurde ein Mittelweg zwischen Komplexität und praktischer Anwendbarkeit gewählt, der auf der Entkopplung der Simulation von Fluiddynamik und Stoffumsetzungen beruht. Dadurch wurde die dynamische Simulation der Stoffbilanzen auf stationären Strömungsfeldern ermöglicht. Zunächst wurde das Durchmischungsverhalten in verschiedenen Reaktorkonfigurationen mit Einfach- und Mehrfachrührern anhand der Simulation von Pulsexperimenten untersucht. Simulationen der während der aeroben Fermentation von Saccharomyces cerevisiae auftretenden Substratverteilungen zeigen exemplarisch den erheblichen Einfluss der Konzentrationsgradienten auf das Ergebnis von im Zulaufverfahren durchgeführten Bioprozessen. Als Einflussfaktoren wurden die Rührerkombination im Mehrfachrührersystem sowie Rührerdrehzahl und Belüftungsrate betrachtet, wobei insbesondere die Wahl einer geeigneten Rührerkombination entscheidend ist. Es wird gezeigt, wie die unerwünschte Nebenproduktbildung durch die Berechnung eines optimalen Zulaufortes des Substrats minimiert werden kann. Zusätzlich wurden auf der Basis zweiphasiger, mit einem algebraic-slip-Ansatz berechneter Strömungsfelder die zugehörigen Verteilungen der Gelöstsauerstoffkonzentration simuliert.Item Open Access Untersuchungen zur Substratspezifität und Enantioselektivität mikrobieller Hydantoinasen(2000) Waniek, Thomas; Syldatk, Christoph (Prof. Dr.)Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand die Hydantoinase aus Arthrobacter aurescens DSM 3745. Für die Standardumsetzung von 5-Benzylhydantoin wurden die spezifische Aktivität und die Enantioselektivität ermittelt und mit anderen Hydantoinen bzw. hydantoinanalogen Substanzen verglichen. Die Enantioselektivität der Umsetzung von 5-Benzylhydantoin zeigte weder eine Abhängigkeit von der Temperatur noch vom pH-Wert. Bei Hydantoinen mit Ethylgruppen wie 5-(Methylthioethyl)-hydantoin und 5-(Phenylethyl)-hydantoin konnte für diese Hydantoinase eine Umkehrung der Enantioselektivität festgestellt werden. Der gleiche Effekt konnte beim Austausch der Phenyl- gegen eine Trimethylsilygruppe gefunden werden. 5-(Trimethylsilyl)-hydantoin wurde D-spezifisch mit einer Enantioselektivität von E > 100 umgesetzt. Um den Einfluß einzelner Strukturelemente im Hydantoinring zu untersuchen, wurden verschiedene Hydantoinanaloga synthetisiert. 5-Benzyl-1,3-oxazolidin-2,4-dion, welches ein Sauerstoffatom anstelle der 1-NH-Gruppe besitzt, wurde von der Hydantoinase aus Arthrobacter aurescens DSM 3745 mit einer geringen Aktivität D-selektiv zu Carbamoylphenylmilchsäure umgesetzt. Benzylsuccinimid, welches eine Methylengruppe anstelle der 1-NH Gruppe trägt, wurde mit einer sehr geringen Aktivität zu D-3-Benzylbernsteinsäurehalbamid umgesetzt. 3-substituierte Hydantoinanaloga wurden nicht als Substrate akzeptiert. Benzylbernsteinsäurehalbamid zeigte auf Umsetzungen mit der Hydantoinase aus Arthrobacter aurescens DSM 3745 einen starken inhibitorischen Einfluß (Ki = 0.34 mM). Umsetzungen mit weiteren Hydantoinasen aus Bacillus thermoglucosidasius, Thermus species (beides rekombinante Enzyme aus Escherichia coli) und aus Arthrobacter crystallopoietes DSM 20117 verliefen ausschließlich D-selektiv oder D-spezifisch. Alle Hydantoinanaloga wurden an derselben Position hydrolysiert wie das unveränderte Hydantoin.Item Open Access Verknüpfung molekularphysiologischer und reaktionskinetischer Werkzeuge zum Studium der in vivo Regulation des Glukosetransports von Saccharomyces cerevisiae(2003) Buziol, Stefan; Reuss, Matthias (Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wurde der Glukosetransport von Saccharomyces cerevsisiae auf reaktionskinetischer und molekularphysiologischer Ebene untersucht. Der Transport von Hexosen beruht bei S. cerevisiae auf dem Prozess der carriervermittelten erleichterten Diffusion. Durch die Expression geeigneter Transportproteine aus einem Set von 20 Genen kann sich die Zelle auf die Umgebungsbedingungen einstellen. Zunächst wurden die kinetischen Parameter für die Transportproteine Hxt1, Hxt5 und Hxt7 anhand von Einzelexpressionsmutanten in vivo geschätzt. Zusätzlich wurde der Wildtyp charakterisiert. Durch den Einsatz der aeroben fed-batch Kultivierung wurde der quasi-stationäre Zustand, der die Grundvoraussetzung für diese Untersuchungen ist, im Gegensatz zum steady-state bei Chemostat-Kultivierung nach kürzerer Zeit erreicht. Ausgehend von Zellpopulationen unter physiologisch definiertem Zustand wurden Glukosepulsversuche durchgeführt, und die Abnahme der extrazellulären Glukose verfolgt. Dieses Signal wurde mit dem Resultat einer numerischen Integration der dynamischen Bilanzgleichung verglichen, um unter Verwendung einer irreversiblen Michaelis-Menten Kinetik die kinetischen Parameter für die Einzelexpressionsmutanten und den Wildtyp abzuschätzen. Um den Transportschritt vollständig beschreiben zu können, ist es nötig, die Konzentrationen von intrazellulärer Glukose und Glukose-6-Phosphat (G6P) miteinzubeziehen. Es ist hierbei von Bedeutung, die initiale Aufnahmerate zu erfassen, da es während der Glukoseaufnahmemessungen zu einem Anstau intrazellulärer Glukose und infolgedessen einem Efflux derselben kommen kann. Dieser Efflux überlagert dann die Aufnahmemessungen. Während für die Messung von G6P geeignete Zellaufschluss und Extraktionsverfahren zur Verfügung standen, musste zur Erfassung des Signals intrazellulärer Glukose eine neue Methode entwickelt werden. Durch die Etablierung einer stopped-flow Probenahmetechnik wurde es möglich, die Dynamik der Konzentrationen intrazellulärer Glukose und von G6P im Millisekundenbereich zu erfassen. Die experimentellen Daten für die Dynamik von intrazellulärer Glukose und G6P können nun eingesetzt werden um ein Modell des Glukosetransports zu validieren, das auf einer reversiblen Influx-Efflux Kinetik basiert und eine Inhibition durch G6P berücksichtigt. In weiteren Untersuchungen wurde durch den Einsatz von Western blot Analysen die Dynamik der Hexosetransportproteine (Hxt1, Hxt5 und Hxt7) parallel als Antwort auf Veränderungen in der Glukosekonzentration verfolgt. Die gemessenen Konzentrationen für extrazelluläre Gukose, Ethanol und Biomasse wurden mittels Western blot Analyse mit der Expression der Transportproteine korreliert. Zuerst wurde eine glukoselimitierte Chemostat-Kultivierung auf einen batch-Prozess unter Glukoseüberschuss umgeschaltet. Dabei wurde eine Reprimierung des intermediäraffinen Hxt5-Proteins und eine Induktion von Hxt1, dem niedrigaffinen Transporter beobachtet. Die Expression des hochaffinen Hxt7-Transporters wird nach dem Umschalten zunächst verstärkt, um dann stark abzunehmen. Dies könnte einen Mechanismus der Zelle darstellen, auf die erhöhten Glukosekonzentrationen schnell zu reagieren. Beim zweiten Ansatz wurde eine Chemostat-Kultur durch multiple Glukosepulse dynamisch angeregt. Es konnte kein Einfluss der multiplen Stimuli auf die Expression der Transporter Hxt1 und Hxt5 nachgewiesen werden. Hxt7 hingegen zeigte deutliche Änderungen im Expressionsprofil. Es wurde eine Korrelation zwischen der Expression von Hxt7 und den spezifischen Raten für die Glukoseaufnahme und die Ethanolbildung beobachtet. Die Anwendung des Konzepts der "Metabolic control analysis" (Sensitivitätsanalyse) auf ein dynamisches Modell zur Beschreibung des anaeroben Wachstums von S. cerevisiae zeigte, dass die überwiegende Kontrolle des glycolytischen Flusses auf dem Transportschritt liegt. Somit sollte eine Erhöhung der Transportkapazität zu einem höheren glycolytischen Fluss führen. Unter Verwendung einer HXT5-Überexpressionsmutante (HXT5-Multicopyplasmid), der HXT5-Einzelexpressionsmutante sowie des Wildtyps wurden vergleichende Messungen des glycolytischen Flusses durchgeführt. Dazu wurden anaerobe Chemostat-Kulturen eingesetzt und die spezifischen Glukoseaufnahme- und Ethanolbildungsraten gemessen. Die Erhöhung der spezifischen Raten war unbefriedigend. Dies könnte an der durch die Überexpression verursachten "protein burden" liegen oder das Resultat von stark veränderten Poolkonzentrationen sein. Somit sollte ein zukünftiger Ansatz zur Steigerung der glycolytischen Leistung die Minimierung des "protein burden" sowie die Aufrechterhaltung der Homöostase berücksichtigen. Wie sich aus weiteren Simulationsergebnissen ergab, müssen dabei auch Enzyme berücksichtigt werden, die der Erhöhung der Poolkonzentrationen entgegenwirken.Item Open Access Biotransformationen an Derivaten ungewöhnlicher, cyclischer Aminosäuren(2003) Vielhauer, Oliver; Syldatk, Christoph (Prof. Dr.)Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten Biotransformationsverfahren für die Darstellung von enantiomerenreinen Derivaten zweier cyclischer Aminosäuren entwickelt werden: (i) ß-Amino-cyclopropancarbonsäure (ß-ACC) und (ii) Pipecolinsäure (Pip, Piperidin-2-carbonsäure). Beide Stoffe sind als Synthesebausteine für pharmazeutisch wirksame Verbindungen von Interesse. Ausgehend von dem bisher nur racemisch zugänglichem ß-ACC-Syntheseintermediat N-tert-Butyloxycarbonyl-2-Azabicyclo[3.1.0]hex-3-en-6-carbonsäuremethylester [(rac)-1] wurden stereoselektive enzymatische Esterspaltungen und Umesterungen untersucht. Hydrolytische Biotransformationen erwiesen sich dabei als vorteilhafter. Mit dem aktivsten und selektivsten Enzym, der Lipase B aus Candida antarctica, wurde nach Optimierung der Reaktionsbedingungen ein präparatives Verfahren für die Racematspaltung von [1] entwickelt und angewandt. Dabei konnte eine Enantioselektivität der Reaktion von E = 34 erreicht werden. Die dargestellten Produkte [(-)-1] und (+)-N-tert-Butyloxycarbonyl-2-Azabicyclo[3.1.0]hex-3-en-6-carbonsäure dienten als Edukte für die Synthese von enantiomerenreinen cis- und trans-ß-ACC-Derivaten. Da bisher beschriebene biokatalytische Verfahren zur Darstellung von Pip-Derivaten durchweg Ausbeuten unter 50 % lieferten, lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung eines Verfahrens, das prinzipiell Ausbeuten von 100 % enantiomerenreinem Produkt ermöglicht. Dazu sollte die spontane Racemisierung von N-p-Toluolsulfonyl-pipecolinaldehyd [(rac)-2] mit einer möglichst hochselektiven Biotransformation gekoppelt werden. Bei einem Screening erwies sich die Bioreduktion von [2] mit der Alkoholdehydrogenase aus Pferdeleber als hochaktiv und enantiospezifisch. Nach Kopplung mit einer enzymatischen NADH-Regenerierung wurde das resultierende Batch-System reaktionskinetisch charakterisiert und optimiert. In einer präparativen Umsetzung wurde enantiomerenreiner N-p-Toluolsulfonyl-D-pipecolinalkohol in 73 % Ausbeute gewonnen.Item Open Access Isotopisch-instationäre 13 C-Stoffflussanalyse in Escherichia coli(2007) Schaub, Jochen; Reuss, Matthias (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Die 13C-Stoffflussanalyse ist ein wichtiges Werkzeug im Metabolic Engineering. Ausgangs-punkt dieser Arbeit war der Umstand, dass eine breitere Anwendung der 13C-Stofffluss-analyse, z. B. bei der Analyse der industriell relevanten Prozessführungen Batch und Fed Batch sowie bei tierischen Zellkulturen, bisher insbesondere wegen der eingesetzten GC-MS und NMR basierten Analyse proteinogener Aminosäuren beschränkt ist. Aufgrund der großen Zeitkonstanten infolge eines kleinen Protein-Turnover wird ein quasi-stationärer Zustand in einem für die Stoffflussanalyse interessanten Zeitbereich nicht erreicht. Daher wird diese Vorgehensweise vor allem bei der kontinuierlichen Prozessführung verwendet. Alternativ müssen aufwändige Reaktorkonzepte eingesetzt werden (Drysch et al., 2004). Außerdem bedeutet die erforderliche lange Markierungsdauer hohe experimentelle Kosten. Mittels LC-MS Analysemethoden ist es seit kurzem möglich, intrazelluläre Markierungs-informationen auch direkt auf der Ebene der Metabolite des zentralen Kohlenstoffwechsels zu erheben (van Winden et al., 2005). Wegen des großen Metabolit-Turnover kann auf diese Weise die Zeitdauer eines Markierungsexperimentes erheblich reduziert und damit das Anwendungsspektrum der 13C-Stoffflussanalyse erweitert werden. Im Rahmen dieser Arbeit sollten erstmals Messinformationen aus der isotopisch instatio-nären Markierungsdynamik zur Identifikation der intrazellulären Stoffflussverteilung in E. coli genutzt werden. Dafür werden Messinformationen zu Absolutkonzentrationen und relativen Massenisotopomerenanteilen benötigt. Für diesen Ansatz der isotopisch instationären 13C-Stoffflussanalyse wurden experimentelle, analytische und rechnergestützte Verfahren entwickelt und eingesetzt. Die Durchführung von Kurzzeit-13C-Markierungsexperimenten erfordert schnelle Probe-nahmetechniken. Hierfür wurde ein neuartiges, auf die LC-MS Analytik abgestimmtes integriertes Probenahmeverfahren entwickelt. Da die Grundoperationen Probentransfer, Abstoppen des Metabolismus, Metabolitextraktion und Probenaufarbeitung indirekt in einem Kapillar-Rohrwendel-Wärmeübertrager ohne jeden Zusatz chemischer Reagenzien erfolgten, konnte die Anzahl der Grundoperationen verringert und durch Automatisierung die Repro-duzierbarkeit verbessert werden. Der Zeitbedarf zur Durchführung dieser Schritte wurde auf 30 s je Probe reduziert. Des Weiteren wurde eine LC-MS Analysemethode für die Quanti-fizierung von intrazellulären Absolutkonzentrationen und von Massenisotopomeren im iso-topisch stationären und isotopisch instationären Zustand entwickelt. Zur Validierung und Ergänzung der LC-MS basierten Bestimmung von Massenisotopomeren wurden GC-MS basierte Messungen freier und proteinogener Aminosäuren durchgeführt. Neben einer geeigneten schnellen Probenahmetechnik und einer LC-MS Analysemethode werden für die isotopisch instationäre 13C-Stoffflussanalyse auch neue Ansätze in der Simulation von 13C-Markierungsexperimenten und für die Flussschätzung benötigt. Hierfür wurden die Bilanz-gleichungen des Isotopomerenmodells des untersuchten Reaktionsnetzwerkes automatisiert generiert und das resultierende nichtlineare, gekoppelte und steife Isotopomeren-Differentialgleichungssystem numerisch integriert. Als besonders geeignet für eine numerisch stabile Integration erwies sich der Extrapolationsintegrator LIMEX. Dieser kann außerdem isotopisch instationäre Messdatensätze für die nachfolgende Flussschätzung berücksichtigen. Für die Optimierung wurde der Evolutionsalgorithmus JavaEvA verwendet. Die entwickelten experimentellen, analytischen und rechnergestützten Verfahren wurden für die Ermittlung der intrazellulären Stoffflussverteilung in E. coli W3110 bei D = 0.1 h-1 ange-wendet. Zunächst wurde dieser Stamm physiologisch charakterisiert. In einem nächsten Schritt wurden intrazelluläre Metabolitkonzentrationen im steady state und nach einem stimulus-response Experiment mittels LC-MS quantitativ bestimmt. Ebenfalls mit LC-MS wurden isotopisch stationäre und isotopisch instationäre Massenisotopomerenverteilungen von Metaboliten des zentralen Kohlenstoffwechsels quantifiziert. Die Bestimmung der Markierungsmuster freier und proteinogener Aminosäuren erfolgte mit GC-MS. Die LC-MS und GC-MS Datensätze wurden im Folgenden zur Durchführung von isotopisch instationären und isotopisch stationären 13C-Stoffflussanalysen in E. coli verwendet. Die LC-MS basierte isotopisch instationäre 13C-Stoffflussanalyse wurde erfolgreich zur Ermittlung der intra-zellulären Stoffflussverteilung in den zentralen Kohlenstoffwechselwegen Glykolyse, Pentosephosphat-Weg und Tricarbonsäure-Zyklus eingesetzt. Als wesentliche Ergebnisse wurden eine Flussverteilung (bezogen auf die Glucoseaufnahmerate) am G6P-Knoten zwischen Glykolyse und Pentosephosphat-Weg von 55% : 44% sowie mit 4% nur eine geringe Aktivität des Malatenzyms bestimmt. Diese Resultate waren in guter Überein-stimmung mit den gleichfalls durchgeführten LC-MS und GC-MS basierten isotopisch stationären 13C-Stoffflussanalysen sowie Literaturwerten. Insgesamt ist die Anwendung der entwickelten Methodik bestehend aus integriertem Probe-nahmesystem, LC-MS Analysemethode und isotopisch instationärer 13C-Stoffflussanalyse aussichtsreich für die Bearbeitung von Fragestellungen im Metabolic Engineering, in der Bio-prozessanalyse und -entwicklung, im Hochdurchsatzscreening und für systembiologische Untersuchungen. Dieses erweiterte Spektrum potentieller Anwendungen wird maßgeblich durch die Nutzung der kleinen Zeitkonstanten beim Metabolit-Turnover ermöglicht.Item Open Access Identification of factors impeding the production of a single-chain antibody fragment in Escherichia coli by comparing in vivo and in vitro expression(2003) Ölschläger, Peter; Lange, Stefan; Schmitt, Jutta; Siemann-Herzberg, Martin; Reuss, Matthias; Schmid, Rolf D.In order to produce the atrazine-specific scFv K411B, it was expressed in either the cytoplasm or the periplasm of Escherichia coli BL21(DE3). For periplasmic production, the scFv was N-terminally fused to the pelB leader, whereas the unfused variant resulted in cytoplasmic expression. The extent of protein accumulation differed significantly: The expression level of the scFv with leader was 2.3 times higher than that of the protein without leader. To further investigate this, the respective translation profiles were generated by coupled in vitro transcription/translation assays and gave according results. Periplasmic expression resulted in only 10% correctly folded scFv. The same percentage was obtained when the scFv was expressed in vitro, indicating that the oxidizing environment of the periplasm did not increase proper folding. Thus, the data obtained in vitro confirmed the findings observed in vivo and suggested that the discrepancy in expression levels was due to different translation efficiencies. However, the in vivo production of the scFv with EGFP fused C-terminally (scFv-EGFP) was only successful in the cytoplasm, although in vitro the expression with and without the leader rendered the same production profile. This indicated that neither the translation efficiency nor the solubility but other factors impeded periplasmic expression of the fusion protein.
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