Universität Stuttgart
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Item Open Access Enzymatic asymmetric dihydroxylation of alkenes(2016) Gally, Christine; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)The introduction of chirality into C=C double bonds is of special interest in organic synthesis. In particular, the catalytic asymmetric dihydroxylation (AD) of alkenes has attracted considerable attention due to the facile transformation of the chiral diol products into valuable derivatives. By chemical means, the metal-catalyzed AD of olefins provides both stereo- and regiospecific cis-diol moieties. Next to their toxicity, however, these metal catalysts can also lead to byproduct formation as a result of oxidative fission. In nature, Rieske non-heme iron oxygenases (ROs) represent promising biocatalysts for this reaction since they are the only enzymes known to catalyze the stereoselective formation of vicinal cis-diols in one step. ROs are key enzymes in the degradation of aromatic hydrocarbons and can target a wide variety of different arenes. Despite their broad substrate scope, limited data is available for the conversion of unnatural substrates by this class of enzymes. To explore their potential for alkene oxidation, three ROs were tested for the oxyfunctionalization of a set of structurally diverse olefins including linear and cyclic arene-substituted alkenes, cycloalkenes as well as several terpenes. Naphthalene- (NDO), benzene- (BDO) and cumene dioxygenases (CDO) from different Pseudomonas strains where selected as they are amongst the RO enzymes that have already been reported to catalyze the oxidation of a small number of olefins. The majority of compounds from the selected substrate panel could be converted by NDO, BDO or CDO and products were either isolated and identified by NMR analysis or using the authentic standards. Dependent on the substrate, allylic monohydroxylation was found in addition to the corresponding diol products, a reaction which is chemically still most reliably achieved by the use of SeO2 in stoichiometric amounts. However, having been evolved for the dihydroxylation of aromatic compounds, wild type ROs displayed low conversions (< 50%) and modest stereoselectivities (≤ 80% ee/de) for several of the tested olefins. To overcome these limitations, changes in the active site topology of RO catalysts were introduced. A single targeted point mutation that was identified based on sequence and structural comparisons with other members of the RO family proved to be sufficient to generate BDO and CDO variants displaying remarkable changes in regio- and stereoselectivity for various substrates. In particular biotransformations with CDO M232A gave excellent stereoselectivities (≥ 95% ee/de) and good activities (> 90%) also for linear alkenes, which have been reported to be challenging substrates for RO-catalyzed oxyfunctionalizations. Site-saturation mutagenesis at position 232 in CDO revealed a correlation between the steric demand of the amino acid side chain and its influence on regio- and/ or stereoselectivities for styrene and indene. While the wild type enzyme almost exclusively catalyzed the dihydroxylation of the aromatic ring, the regioselectivity was shifted with decreasing side chain size to the terminal vinyl group of styrene, yielding up to 96% of the alkene-1,2-diol. For cis-1,2-indandiol formation, enantiocomplementary enzymes could be generated, a fact further highlighting the importance of position 232 for the engineering of ROs. Moreover, site-saturation mutagenesis of additional residues in the substrate binding pocket of CDO (F278, I288, I336 and F378) identified further positions having an influence on selectivity and product formation for alkene oxidation. To proof the applicability of ROs for organic synthesis, semi-preparative scale biotransformations (70 mg) of selected substrates were performed with CDO M232A. Without further optimization of the reaction set-up, products were successfully isolated in > 30% yield. In addition, up-scaling of (R)-limonene hydroxylation to 4 L in a bioreactor with growing cells gave final isolated product titers of 0.4 g L-1 even though substrate volatility and product toxicity diminished the yield. In conclusion, these examples demonstrated that a single point mutation was sufficient to transform CDO wild type into an efficient catalyst, furthermore constituting the first example of the rational engineering of CDO and BDO enzymes for the oxyfunctionalization of a broad range of alkenes.Item Open Access Biotechnologische Herstellung von Octan- und 8-Hydroxyoctansäure mit Escherichia coli(2016) Kirtz, Marko; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)In den letzten 20 Jahren rückt die Entwicklung biotechnologischer Prozesse zur Produktion von Diesel- und Benzinersatzstoffen immer mehr in den Fokus von Forschung und öffentlichem Interesse. Durch die Verknappung der Erdölressourcen[1], die negativen Auswirkungen der extensiven Nutzung dieser Ressourcen auf die Umwelt und nicht zuletzt das stetig wachsende Umweltbewusstsein der Bevölkerung in Industrieländern, wurden Prozesse gefordert, die auf regenerierbaren Ressourcen basieren, somit den permanent in Richtung Atmosphäre gerichteten CO2-Fluss eingrenzen und zudem die Kostenexplosion für Kraftstoffe eindämmen. Jedoch ist nicht nur der weltweite Transportsektor von Erdöl und seinen weiterverarbeiteten Produkten abhängig, auch die produzierende chemische Industrie bezieht einen Großteil ihrer Grundstoffe aus dem „schwarzen Gold“[2,3,4,5]. Hier gilt es, effektive alternative Prozesse zu entwickeln, die zum Großziel einer „grünen Chemie“ beitragen und von der Abhängigkeit von Erdöl losgelöst sind. Diese Arbeit hatte das Ziel durch die Realisierung eines mikrobiellen Produktionsprozesses von mittelkettigen Fett- und ω-Hydroxyfettsäuren einen Beitrag zum Ziel der sog. „grünen Chemie“ zu leisten. Die wirtschaftliche und damit einhergehend umweltschutztechnische Relevanz von Fettsäuren und ihren terminal hydroxylierten Derivaten spiegelt sich in der großen Vielfalt an Produkten, deren Grundbausteine sie bilden, wider. Zum Einsatz kam hier das Bakterium Escherichia coli, für welches bereits in vergangenen Studien Strategien entwickelt worden waren, um beispielsweise (Hemi-)Cellulosen für den Aufbau von eigener Biomasse verwerten zu können[6]. Daher ist es für einen Ansatz, der auf regenerierbaren Ressourcen beruhen soll, bestens geeignet. Um mit diesem Bakterium in einem Produktionsprozess Fettsäuren zu generieren, musste seine native Fettsäurebiosynthese zu einer Überproduktion der gewünschten Fettsäure angeregt werden. Dazu wurde die pflanzliche Thioesterase FatB2 aus Cuphea hookeriana[7] in einer β-oxidationsdefizienten Zelle überexprimiert, um sowohl die Fettsäuresynthese zu deregulieren als auch gleichzeitig die Länge des Produktes zu bestimmen. Nach einer N-terminalen Fusion des Enzyms mit dem Thioredoxin-1-Anhang trxA und einigen Optimierungen des Produktionsprozesses, konnten mit diesem System in 24 h etwa 330 mg/L der für die Zellen toxischen Fettsäure Octansäure in einem Bioreaktor-fed batch-Verfahren hergestellt werden. Um aus dieser Fettsäure ihr ω-hydroxyliertes Derivat zu formen, wurde in den Produktionsstamm zusätzlich ein Monooxygenase-Fusionsprotein eingebracht, das bereits aus früheren Arbeiten des ITBs hervorging[8,9]. Das Fusionsprotein von CYP153A aus Marinobacter aquaeolei mit der Reduktasedomäne CPR von CYP102A1 aus Bacillus megaterium ist in der Lage sich selbst mit Reduktionsäquivalenten zu versorgen ohne dabei auf die Hilfe einer zusätzlichen Reduktase angewiesen zu sein. Die in dieser Arbeit verwendete Mutante G307A ist zudem gegenüber Octansäure um das 20-fache aktiver als es die Wildtypform ist[9]. Diese Enzymmutante wurde in vier unterschiedlichen Ansätzen mit dem octansäureproduzierenden Bakterienstamm kombiniert. So konnte letztlich in einem Einzellsystem mit paralleler Expression der Thioesterase sowie der Monooxygenase in 20 h ein 8-Hydroxyoctansäure-Titer von etwa 230 µM erreicht werden, was umgerechnet 40 mg/L entspricht. Nachdem der erfolgreiche konzeptionelle Beweis für dieses Produktionssystem erbracht war, sollte ein ungerichtetes Mutageneseverfahren angewendet werden, um die Möglichkeit das Endprodukt nach Wunsch in seiner Länge variieren zu können, zu erhalten. Das Verfahren sollte gentechnisch veränderte Thioesterase-Varianten generieren, die verglichen zum eingesetzten Wildtypenzym eine erhöhte Aktivität gegen kürzere oder längere Fettsäuren als Octansäure aufwiesen. Für ein hierzu benötigtes high throughput screening-Verfahren sollten im Rahmen dieser Arbeit die Grundlagen erarbeitet werden. Getestet wurden dabei verschiedene Methoden des screenings sowohl auf Agarplatten und in Flüssigmedium, so beispielsweise die extrazelluläre Präsentation des Enzyms auf Hefezelloberflächen[10], als auch die Möglichkeit eines screenings mittels aufgereinigtem Enzym.Item Open Access Studien zum Einsatz von enzymatischen Lewis- und Brønsted-Säuren in Carbonyl-aktivierten organischen Reaktionen(2016) Bischoff, Jennifer N.; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)Item Open Access Enzymatische und chemische Studien zur Veresterung und Löslichkeit von Cellulose in ionischen Flüssigkeiten(2017) Hinner, Lars Pieter; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)Cellulose ist der Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand und daher die häufigste organische Verbindung auf unserem Planeten. Dieses nachwachsende Biopolymer wird heutzutage hauptsächlich für die Produktion von Papier und Zellstoff verwendet oder verbrannt und somit als billiger Energieträger genutzt. Viele alternative Anwendungsgebiete sind aufgrund von unzureichenden Materialeigenschaften schwierig zu realisieren. Insbesondere thermoplastische Anwendungen sind nicht durchführbar, da Cellulose keinen Schmelzpunkt besitzt. Auch die chemische Modifikation der Cellulose - mit dem Ziel, andere Materialeigenschaften zu generieren - ist schwierig, da Cellulose nicht in Wasser oder in üblichen organischen Lösungsmitteln gelöst werden kann. Bis dato wurden daher industriell heterogene Synthesen entwickelt, um Cellulose im nicht gelösten Zustand zu modifizieren. Hierbei sind allerdings aufwendige mechanische und chemische Vorbehandlungen notwendig, um eine effiziente Verarbeitung bzw. Modifizierung der Cellulose zu gewährleisten. Zusätzlich sind heterogene Synthesen zur Produktion von Celluloseestern, aufgrund der starken sterischen Hinderung der nicht gelösten Cellulose, auf kurzkettige Acyldonoren (C2-C4) beschränkt. Somit ist es mit heterogenen Prozessen nicht möglich, das komplette Spektrum an potenziellen Celluloseestern zu erzeugen. Es gibt allerdings ein steigendes Interesse an neuartigen Celluloseestern, da beispielsweise Celluloseacetat nur eine schlechte thermoplastische Prozessierbarkeit aufweist. Die Herstellung von neuartigen Celluloseestern kann in homogenen Synthesen besser realisiert werden, in denen Cellulose vollständig gelöst vorliegt. Als Reaktionsmedium können unter anderem spezielle ionische Flüssigkeiten genutzt werden, welche in der Lage sind, Cellulose zu lösen. In diesem Kontext wurden verschiedene Synthesen entwickelt, welche reaktive Acyldonoren verwenden. Der Einsatz von derartigen Acyldonoren, wie beispielsweise Carbonsäurechloriden ist allerdings problematisch, da diese sowohl das Cellulosegrundgerüst, als auch die ionische Flüssigkeit zersetzen können. Daher erscheint eine homogene enzymatische Synthese von Celluloseestern als interessante Alternative, da durch die Verwendung von enzymatischen Katalysatoren weniger reaktive Acyldonoren, wie beispielsweise Ester, genutzt werden können. Angesichts der Herausforderung, unter moderaten Bedingungen zu katalysieren, lag ein Fokus der hier vorgelegten Arbeit in der Entwicklung einer enzymatischen Synthese von Celluloseestern mit langen Seitenketten. Da die Analytik von niedrig substituierten Celluloseestern schwierig ist, wurden zunächst leichter zu analysierende Modellreaktionen untersucht. Einfache Veresterungs- und Umesterungsreaktionen können in Cellulose-lösenden ionischen Flüssigkeiten erfolgreich enzymatisch katalysiert werden. Die enzymatische Synthese von Glucoseestern war jedoch nur in ionischen Flüssigkeiten erfolgreich, welche Cellulose nicht lösen. Als möglicher Grund hierfür wird eine mangelnde Interaktion zwischen Enzym und Glucose in diesen polaren ionischen Flüssigkeiten postuliert. Um die Interaktion zwischen Enzym und Glucose zu steigern, wurde die Glucosekonzentration erhöht, was allerdings zu keiner erfolgreichen Synthese von Glucoselaurat führte, da die große Viskosität von hoch konzentrierten Zuckerlösungen den Massentransfer und damit die Reaktion zusätzlich inhibiert. Eine Steigerung der Interaktionswahrscheinlichkeit zwischen Enzym und Glucose durch die Erhöhung der Glucosekonzentration ist allerdings in dem ebenfalls polaren Lösungsmittel Dimethylsulfoxid (DMSO) erfolgreich und erzeugt ab einer Glucosekonzentration von 60 % w/v signifikante Mengen an Glucoselaurat. Um sich in einem nächsten Schritt an den polymeren Charakter der Cellulose weiter anzunähern, wurde die enzymatische Veresterung des Dimers der Cellulose, d.h. der Cellobiose, als weitere Modellreaktion untersucht. Hierbei katalysiert das Enzym Candida antarctica Lipase B (CAL-B) die Synthese von nur sehr geringen Mengen an Cellobioseestern, wobei andere, ebenfalls aus Glucose aufgebaute Disaccharide wie Maltose und Trehalose, deutlich besser umgesetzt werden. Neunzehn verschiedene Enzympräparationen wurden auf die Fähigkeit untersucht, Cellobioselaurat zu synthetisieren. Den höchsten Umsatz katalysiert die Schweineleberesterase (PLE), jedoch zeigte dieses Enzym keine Aktivität gegenüber Cellulose als Ausgangssubstrat. Neben der enzymatischen Katalyse wurde eine chemische Synthese, basierend auf Vinylestern, entwickelt. Diese Vinylester-basierte Synthese ermöglicht erstmals die Acylierung von Cellulose mit Vinylestern in der biologisch abbaubaren ionischen Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat ([EMIM]OAc). Die Reaktion läuft in Abwesenheit von zusätzlichen Katalysatoren ab und erlaubt die Synthese von Glucoseestern und Celluloseestern mit unterschiedlich langen Seitenketten. Es war möglich, Celluloseester mit Substitutionsgraden von 0,24 bis 3,00 zu erzeugen. Um die Reaktion zu charakterisieren, wurden verschiedene Reaktionsparameter wie Reaktionszeit, Temperatur und die Menge an Acyldonor systematisch variiert und mittels 1H-NMR, FT-IR und HPLC-GPC analysiert. Der höchste Veresterungsgrad ergibt sich bei einer Synthese-temperatur von 80°C und einer Reaktionszeit von zwei Stunden. Um die Synthese mit anderen Reaktionen aus der Literatur zu vergleichen, wurde eine Fettsäurechlorid-basierte Synthese von Barthel und Heinze in der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid ([BMIM]Cl) reproduziert. Beide Reaktionen zeigen vergleichbare Substitutionsgrade (DS), jedoch ist der Polymerisationsgrad (DP) von Celluloselaurat nach der Fettsäurechlorid-basierten Synthese erheblich reduziert, während die Vinylester-basierte Synthese deutlich schonender ist und die Produktion von signifikant größeren Celluloseestern erlaubt. Bei der Vinylester-basierten Synthese in [EMIM]OAc wurde eine zusätzliche Acetylierung der Cellulose als unerwünschte Nebenreaktion identifiziert. Der Acetylierungsgrad steigt mit abnehmender Polarität und steigender sterischer Hinderung der eingesetzten Vinylester. Allgemein ist der Acetylierungsgrad nach der Vinylester-basierten Synthese in [EMIM]OAc allerdings deutlich niedriger als bei bereits beschriebenen Synthesen in [EMIM]OAc, welche Anhydride oder Fettsäurechloride als Acyldonoren nutzen. Das Produktspektrum der Vinylester-basierten Synthese konnte durch Verwendung zusätzlicher Acyldonoren wie Benzoesäurevinylester, Pivalinsäurevinylester, Neodecansäurevinylester und 2-Ethylhexansäurevinylester erfolgreich erweitert werden. Des Weiteren wurden die thermoplastischen und rheologischen Eigenschaften der Celluloseester im Rahmen einer Kooperation mit Linda Göbel vom Institut für Kunststofftechnik untersucht, wobei die thermoplastische Verarbeitbarkeit prinzipiell bestätigt wer-den konnte. Es wurde außerdem ein Upscaling der Synthese mit anschließendem Recycling der ionischen Flüssigkeit durchgeführt. Das Upscaling wurde in einem Laborreaktor mit 2,5 kg ionischer Flüssigkeit durchgeführt, wobei 233,25 g Celluloselaurat mit einem Substitutionsgrad von 2,3 synthetisiert werden konnte. Die ionische Flüssigkeit wurde mit einer durchschnittlichen Effizienz von 91 % w/w recycelt und konnte in einer nach-folgenden Synthese als Lösungsmittel eingesetzt werden. Insgesamt wurden drei Synthese-Recyclingzyklen durchgeführt, wobei der Substitutionsgrad nach den ersten zwei Synthesen bei 2,3 lag, bei der dritten bzw. vierten Synthese allerdings auf 1,8 bzw. 1,4 sank. Parallel zur Verringerung des Substitutionsgrades verkürzte sich die Lösezeit von Cellulose in der ionischen Flüssigkeit mit jedem weiteren Recyclingzyklus signifikant. Als Grund für die verbesserte Löslichkeit wurde die Bildung von 1-Ethyl-2-hydroxyethyl-3-methylimidazolium (EHEMIM) identifiziert, das durch die Reaktion einer Carben-Spezies des 1-Ethyl-3-methylimidazoliums (EMIM) mit Acetaldehyd - welches als Nebenprodukt bei der Vinylester-basierten Synthese auftritt - entsteht. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass das Vorhandensein von Wasser für das verbesserte Lösungsvermögen des [EHEMIM]-[EMIM]OAc-Systems essentiell ist. Die besten Lösungseigenschaften wurden bei einem Kationenanteil von 50 mol-% EHEMIM bzw. 50 mol-% EMIM und einem Wassergehalt von 8,5 % w/w beobachtet. Dieses optimierte [EHE-MIM]-[EMIM]OAc-Wasser-System ermöglicht das Lösen von 14 % w/w Cellulose bei 80°C innerhalb von 3 Stunden. Im Gegensatz dazu löst die ursprüngliche ionische Flüssigkeit [EMIM]OAc bzw. [EMIM]OAc mit einem optimalen Wassergehalt von 10 % w/w unter den gleichen Bedingungen lediglich 1 % w/w bzw. 2 % w/w Cellulose.Item Open Access Characterization and application of novel imine reductases(2016) Scheller, Philipp; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)Chiral amines are an ubiquitously distributed class of bioactive compounds, what turns them into preferred scaffolds for pharmaceuticals. The high chemical and enantiomerical purities required for such an application are ideally suited for biocatalysis as enzymatic methods routinely display high specificities. The established methods for chiral amine synthesis with lipases, ω-transaminases and amine oxidases, however have considerable limitations regarding their access to pharmaceutically relevant chiral secondary and tertiary amines. Recently the new enzyme class of imine reductases (IREDs) was described, offering an attractive extension to the currently used techniques as the preparation of imines by chemical methods in organic solvents is a well established and widely applicable method. As the number of IREDs known initially was limited to only three enzymes, this project started with a database search for the discovery of novel enzymes. For the first time it was shown that the IRED family is much larger than assumed and over 350 novel, putative IREDs were identified. A sequence analysis of the database members revealed (R)- type and (S)- type superfamilies and led after an update to the identification of IRED specific sequence motifs. These criteria allowed to define this new enzyme family on a sequence level and discriminate them from the closest related homologues. Based on the biochemical information about the three published IREDs and a conservation analysis of the database members, three new enzymes from Streptosporangium roseum DSM43021, Streptomyces turgidiscabies and Paenibacillus elgii were selected for characterization. The enzymes were shown to encode for functional IREDs with much higher activity than the previously known IREDs. By site directed mutagenesis the mechanism of the IREDs was probed and the importance of a conserved Tyr for catalysis of an (S)- type IRED shown, while the crucial role of the proposed Asp residue for catalysis in the (R)- type IREDs was questioned. The characterization of the new IREDs revealed their pH optima and confirmed the suspected dimerization. The thermostability of the IREDs was investigated and the selected (S)- type IRED identified as the most stable enzyme known to date. Further the activity in the presence of water miscible organic solvents was tested and high tolerance versus MeOH found. In biotransformations all IREDs showed high activity and a broad panel of cyclic imines was fully converted to piperidines and tetrahydroisoquinolines with enantioselectivities up to 99% ee. With purified IREDs kinetic constants for these substrates were recorded and their substrate preference investigated. This indicated a preference of the (S)- type IRED for more bulky substrates, compared to the (R)- type IREDs. After optimization of the reaction conditions, with purified IREDs also high activities and chemo- as well as enantioselectivities for very labile exocyclic imines were detected. The possibility to effectively reduce already low levels of such imines led to the application of one (R)- type IRED for the generation of novel C-N bonds by reductive aminations. The established methodology revealed the crucial influence, conditions that favor imine formation (high molar excess of the amine nucleophile and high pH) display on the conversion rates. Under optimized conditions, different carbonyls could efficiently be transformed with a variety of amines in the aqueous buffer system with moderate to good conversions into primary and secondary (chiral) amines with very high selectivities (ee up to 98%). Finally, an application of IREDs in cascade reactions to produce saturated N-heterocyclic compounds was envisioned. A microbial putrescine oxidase (PuO) was chosen to selectively oxidize polyamines to aminoaldehydes, thereby triggering their spontaneous cyclization to an imine. To target a broad range of heterocycles, PuO was characterized with a range of unnatural polyamines. The results indicated a narrow substrate scope and low activity for these compounds. To enhance the activity for such substrates directed evolution of PuO with epPCR was performed and led to the identification of a Glu residue, representing a hotspot for mutagenesis. This residue aligns to one of the multiple channels that lead into the deeply buried active site of PuO and it is located in the second shell around the active site. By site-saturation mutagenesis further mutants in the active site and this channel were generated and many mutants with smaller amino acids demonstrated the influence of this hotspot position to increase the activity of the enzyme. The best mutant exhibited considerably increased activities (up to 25-fold) for unnatural polyamines and also for natural polyamines the substrate spectrum was strongly shifted from putrescine towards longer polyamines like spermidine which is now transformed with a 10-fold increased catalytic efficiency (kcat/KM). The combination of both enzymes in purified form as well as in whole cells enabled the production of heterocyclic amines relying on the consecutive transformation of the substrate by both enzymes. While with the whole cell system only low amounts of the N-heterocyclic compounds were produced, the utilization of purified enzymes led in case of all three IREDs to high conversions of different polyamines into pyrrolines and piperidines.Item Open Access Metabolismus nicht-physiologischer Substrate in Mikroorganismen(2016) Reznicek, Ondrej; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)Item Open Access Development of highly efficient CYP153A-catalysed terminal hydroxylation of fatty acids(2016) Notonier, Sandra; Hauer, Bernhard (Prof.Dr.)Terminally hydroxylated fatty acids (omega-OHFA) are of great interest to industry: in the area of high end polymers, in fine chemicals, in the cosmetic and fragrance industry. The activation and oxidation of C-H bonds, is however still chemically challenging. It requires rough conditions, high pressure, high temperature and the processes still suffer from poor selectivity. Alternatively, the functionalization of carbon atoms can be achieved by using versatile cytochrome P450 monooxygenases with high regio- and stereoselectivity (P450s or CYPs). These heme containing proteins can be found in many organisms, they are involved in a diverse range of reactions and they are able to catalyse the conversion of a large panel of substrates. CYP153A from Marinobacter aquaeolei (CYP153AM.aq.) constitutes a promising catalyst for the oxidation of non-activated carbon atoms due to its high regioselectivity in the hydroxylation of different small to medium chain alkanes, fatty acids and primary alcohols as well as its efficient expression in Escherichia. coli at high yields. For bacterial whole-cell applications, the enzyme was further engineered as a protein chimera by fusing the reductase domain of P450BM3, from Bacillus megaterium, to the heme domain of CYP153AM.aq. (CYP153AM.aq.-CPRBM3). The mutant G307A (position located in the binding pocket) was further identified as improved variant towards medium chain-length fatty acids regarding activity, regioselectivity and coupling efficiency. To perform efficient whole-cell biotransformations and therefore to increase the yield of bioconversion of fatty acids into omega-OHFA, the system requires the identification of present bottlenecks. The approaches to characterize and to optimise the up-scaling process involved testing different feeding strategies, evaluation of substrate/product inhibition, transport limitations estimation, cofactor availability evaluation and biocatalyst stability investigations. Such limitations often associated to the P450 biocatalysts and/or related to whole-cell biotransformations were evaluated in this study, using the fusion constructs CYP153AM.aq.-CPRBM3 towards the model substrate dodecanoic acid (C12:0) in vitro and in vivo. Strategies to overcome existing bottlenecks regarding low activity involved the generation of mutant libraries to screen and to characterize improved versions of the current chimera biocatalyst. In parallel to the mutant libraries generation, a whole-cell colorimetric assay was also established.Item Open Access Asparaginsäure-vermittelte enzymatische Reaktionen(2016) Kühnel, Lisa C.; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Promiskuität zweier Enzyme aus unterschiedlichen Proteinklassen, die allerdings auf eine gemeinsame, in der Biochemie sehr häufige Reaktion, die Säure-(Base)-Reaktion, zurückgreifen. Beide Enzyme verwenden die Asparaginsäure als katalytisch aktive Aminosäure, wobei Haloalkan Dehalogenasen aus der alpha/beta-Hydrolase-Familie, die deprotonierte Form der Asparaginsäure als nukleophiles Aspartat verwenden, wohingegen die Squalen-Hopen-Zyklasen die protonierte Asparaginsäure als Brønsted-Säure nutzen. Das Substratspektrum der Dehalogenase LinB aus Sphingobium japonicum, das sonst nur halogenierte Alkane umfasst, sollte um alternative Substrate erweitert werden. Es konnte erfolgreich demonstriert werden, dass LinB eine eindeutige Hydrolyseaktivität gegenüber organischen Thiocyanaten und Isothiocyanaten aufweist, was auf erstmals beschriebene promiskuitive Eigenschaften der LinB schließen lässt. Es konnte gezeigt werden, dass Substrate von unterschiedlicher Größe toleriert werden, um dabei Alkohole und Amine zu generieren. Mittels rationalem Design konnten Varianten erzeugt werden, die eine deutliche Verbesserung gegenüber der Bildung von Benzylamin demonstrierten. Zur Untersuchung der Art der Promiskuität, wurden sogenannte knockout-Mutanten der katalytischen Triade der LinB erstellt und für Studien bezüglich des Katalysemechanismus herangezogen. In der Tat konnte über die einfache Substratpromiskuität hinaus, katalytische Promiskuität der LinB in Bezug auf die organischen Isothiocyanate gezeigt werden. Anhand der Squalen-Hopen-Zyklase aus Alicyclobacillus acidocaldarius (AacSHC) wurden Untersuchungen bezüglich intermolekular katalysierter Reaktionen vorgenommen. Diese Fähigkeit der Etherbildung ist zwar bei der nativen AacSHC anhand des Substrates Farnesol bekannt, allerdings nur in geringem Umfang. So konnte mittels Varianten aus einer fokussierten Mutantenbibliothek eine 10-fache Steigerung der Produktbildung erzielt werden. Ferner konnten unter Verwendung nicht-natürlicher Substrate und unterschiedlicher Nukleophile neue, nicht-literaturbekannte intermolekular gebildete Produkte dargestellt werden. Durch die Wahl des Nukleophils und dessen Konzentration gelang es, Produktverhältnisse eindeutig zu Gunsten der intermolekular gebildeten Produkte zu verschieben.Item Open Access Studien zur Optimierung der Katalyse mittels der Monooxygenase CYP153AM.aq(2017) Hoffmann, Sara Maria; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)Die Fähigkeit von P450 Enzymen schwierige Oxidationsreaktionen mit hoher Spezifität und Selektivität zu katalysieren, macht diese Enzyme attraktiv für den Einsatz für viele biotechnologische Anwendungen. Durch die Herausforderung des Multienzymkomplexsystems bestehend aus Hämdomäne, Ferredoxin und Reduktase, als auch der meist niedrigen Aktivitäten und Stabilitäten sind noch wenige Applikationen bekannt. Diese Komplexität einer P450 Fusionsenzym katalysierten Reaktion wurde im Detail in dieser Arbeit studiert um Potentiale zu identifizieren, die zur Steigerung der Aktivität, Stabilität und Produktivität führen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden dabei Ansatzpunkte zur Optimierung auf der Enzymebene untersucht. Bioinformatische Verfahren wurden für die Identifizierung von Aminosäurepositionen in der Häm- als auch der Reduktasedomäne genutzt, welche mittels Mutagenese modifiziert wurden und die resultierenden Varianten sowohl in vitro als auch in vivo im Labormaßstab getestet wurden. Zur genaueren Beschreibung des terminal hydroxylierenden P450 Enzyms CYP153AM.aq wurde in dieser Arbeit in Kooperation mit Prof. Dr. Gideon Grogan, University of York, die Kristallstruktur von CYP153AM.aq aufgeklärt. Einige charakteristische Merkmale konnten im Vergleich zu beschriebenen Struktur-elementen von P450 Enzymen identifiziert werden. Dazu zählen das Fehlen der B‘-Helix und eine verlängerte F-Helix respektive ein verkürzter FG-Loop. Weiterhin konnte anhand der Kristallstruktur dargestellt werden, dass die aktive Tasche einem ~ 20 Å langen Trichter ähnelt, dessen oberer Durchmesser ca. 12 Å und der untere 9 Å misst. Diese Geometrie wird als Voraussetzung für die Selektivität für die terminale Position des Substrats angenommen. Mutationsstudien legen dar, dass bei einer Änderung des unteren Durchmessers (L354I) die Selektivität für die ω-1 Position bevorzugt wird. Durch das Aufklären der Kristallstruktur mit dem Produkt 12-Hydroxydodecansäure konnte gezeigt werden, dass die Fettsäure in der aktiven Tasche vertikal positioniert ist und mit der Carboxygruppe eine Wasserstoffbrücke zu der Aminosäureseitenkette von Glutamin 129 bildet. Eine P450 Fettsäure-hydroxylase mit vergleichbar ausgeprägten Strukturelementen wurde bisher noch nicht beschrieben. Diese charakteristischen Strukturelemente führten zu der Annahme, dass Substratkanalverläufe in CYP153AM.aq sich von den bisher beschriebenen unterscheiden. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Joelle Pelletier, Université de Montréal, konnten durch molekular dynamische Simulationen gezeigt werden, dass die bisher als sekundär beschriebenen Substratkanäle in bakteriellen P450 Enzymen, die energetisch favorisierten Kanäle in CYP153AM.aq darstellen. Die Analyse von Energiebarrieren dieser Kanäle ermöglichte den Entwurf einer rationalen Mutantenbibliothek zur Steigerung der Aktivität gegenüber Fettsäuren als auch zur Erweiterung des Substratspektrums zu Alkanen. Dabei konnte dargelegt werden, dass die Verankerung der Carboxygruppe durch das Einführen einer Guanidinogruppe in Form eines Arginins für die Dodecan- als auch für die Octansäure verbessert werden konnte. Das Entfernen der funktionellen Gruppe an dieser Position durch die Substitution zu Alanin ermöglichte den Umsatz des Alkans n-Octan. Weitere Positionen, wie A231 und P135 konnten durch das Analysieren der Kristallstruktur und der Substratkanäle für eine Erhöhung der Aktivität um das 3-fache gegenüber Fettsäuren mit unterschiedlichen Kettenlängen identifiziert werden. So konnte S140R / A231G bzw. S140R / P135A als die besten Variante für Hexadecansäure, A231G für Dodecansäure und A231G / G307A für Octansäure identifiziert werden. Aufgrund des Multienzymkomplexes des P450 Fusionskonstrukts wurde auf Enzym-ebene die Hämdomäne als katalysierende Domäne als auch das Zusammenspiel dieser mit der Reduktasedomäne analysiert. Im Fokus stand hierbei die genaue Untersuchung der Elektronenübertragung von NAD(P)H über die Reduktase hin zur Hämdomäne mit dem Ziel diese zu optimieren, einhergehend mit einer gesteigerten Stabilität des Enzyms und einer Steigerung der Aktivität. In Kooperation mit Dr. Łukasz Gricman konnten Interaktionsflächen auf der Oberfläche (redox partner interaction sites (RPIs)) der Hämdomänen in Klasse II P450 Enzymen identifiziert werden, die für einen effizienten Kontakt zwischen den Domänen beschrieben wurden. Der Vergleich dieser Regionen zwischen Klasse I und Klasse II P450 Enzymen deckte Unterschiede der Eigenschaften der Aminosäure-seitenketten auf. So konnten Positionen in CYP153AM.aq identifiziert werden, die durch Mutagenese zu der entsprechenden Aminosäure geändert wurden. Ziel dabei war es, die Fusion zwischen der Klasse I Hämdomäne und der Klasse II Reduktase CPR zu verbessern. Eine 1,3-fach verbesserte Kopplungseffizienz, was als Quotient der Produktbildungsrate und der NAD(P)H Oxidationsrate definiert ist, und somit ein Maß für die Elektronenübertragung darstellt, konnte durch eine einzelne Punktmutation auf der Oberfläche von CYP153AM.aq erzielt werden. Weitere Fusionskonstrukte mit den Reduktasedomänen PFOR aus CYP116B3 als auch Rhf aus CYP116B2 wurden erstellt um ein Klasse VII P450 zu erhalten, was der natürlichen Konstellation von Hämdomäne und Reduktasepartnern in CYP153AM.aq. näher kommt. Beide dieser Reduktasen tragen FMN und FeS als prosthetische Gruppen. Der Fokus dieser Studie lag dabei eine erhöhte Aktivität und Stabilität einhergehend mit verbesserter Kopplungseffizienz zu erzielen. Die initialen Aktivi-täten von CYP153AM.aq-Rhf waren deutlich niedriger als in der Fusion CYP153AM.aq-PFOR. Letzteres wurde deshalb im Detail bezüglich der Linkersequenz studiert, die die Domänen Häm und Reduktase verbindet. Durch das Anpassen der Linkerlänge konnte in dieser Arbeit ein Fusionskonstrukt generiert werden, das eine um ~2-fache erhöhte initial rate in vitro gegenüber dem Substrat Dodecansäure und durch eine Kopplungseffizienz von 94 % eine um 67 % gesteigerte Stabilität der Hämdomäne und um 17 % gesteigerte Stabilität des gesamten Fusionskonstrukts aufweist. Im zweiten Teil wurden Stellschrauben zur Verbesserung der Ganzzell-Reaktion identifiziert und adressiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass das Fusions-konstrukt CYP153AM.aq-PFOR gegenüber einem System mit freien coexprimierten Reduktasen vorteilhaft ist. Als besonders große Einflussgröße konnte die Menge an aktivem Enzym identifiziert werden, weshalb die Expression im Detail untersucht wurde. Die besten Resultate (4-fache Steigerung) wurden bei einer Expression unter einem strikt regulierbaren Promotor erzielt. Auch die Erschwernis des Transports insbesondere von längerkettigen Fettsäuren über die Zellmembran wurde als Angriffspunkt für die Optimierung der Ganzzellreaktion erfasst. Durch die Regulation der Expression der fad Gene konnte neben dem Transport auch der Abbau der Fettsäuren und des hydroxylierten Produkts gesteuert werden. Die in vitro Mutagenese aus dem ersten Teil dieser Arbeit konnte generell auf das optimierte Ganzzellsystem übertragen werden. So stellt das in dieser Arbeit generierte P450-Fusionskonstrukt CYP153AM.aq-PFOR L2 kloniert in pBAD33 in E.coli BW25113ΔfadD einen interessanten Biokatalysator.Item Open Access Enzymes, substrates and ionic liquids as a triad for potential development of efficient industrial processes(2017) Antonovici, Mihaela Maria; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)The present work is focused on technological solutions for enzymatic reactions in an industrial context with the support of ionic liquids in combination with organic solvents. Ionic liquids stand out for their unique physical-chemical properties that drive a large number of applications in different fields such as synthesis, catalysis, electrochemistry and nanotechnology. Their successful entrance in the enzymatic catalysis arena at the beginning of 2000, showed their potential as reaction medium. For several reactions the organic solvents were successfully replaced by pure ionic liquids generating higher yields and in some cases with proven increased enzymatic stability. This represents the starting point of the project that extended the usage of the ionic liquids for enzyme catalyzed reactions to biphasic systems, for possible new technological solutions, having SILP technologies as a model. The desired reaction takes place at the interface between an ionic liquid and an organic solvent as an immiscible mixture, being catalyzed by lipases, known to be active at the contact phase. The aim is to optimize the reaction system to favor the formation of the product mainly in the organic phase, in an attempt to avoid tedious separation steps, considered in many industrial processes as a bottle neck. The migration towards a particular phase is based on the partition of the compound of interest between the two corresponding solvents. Combination of several ionic liquids with organic solvents characterized by different polarities were set for analyzing the behavior of the substrates as well as for the products.