Wasserstoffperoxid-abhängige Enzyme (Peroxidasen und Peroxygenasen sowie Lipasen)

Bild Forschungsprojekt

Im Allgemeinen ist Wasserstoffperoxid ein stabiles und relativ mildes Oxidationsmittelreagenz und kann als "grünes" Reagenz angesehen werden. Neben etablierten Anwendungen im Bereich der chemischen Prozesse werden immer mehr enzymatische Synthesen auf Basis von Wasserstoffperoxid entwickelt. Verschiedene Typen von enzymatischen Reaktion können durch Einsatz von Enzyme in Kombination mit Wasserstoffperoxid adressiert werden (z. B. Hydroxylierungen, Epoxidierungen, Sulfoxidationen, Halogenierungen, Baeyer-Villiger-Oxidationen, Decarboxylierungen). Um diese Reaktionen in den industriellen Maßstab zu überführen, werden molekularbiologischen und verfahrenstechnische Arbeiten am DFI kombiniert.

 

PeroxyMEER - Erweiterung des Spektrums Peroxygenasen-basierter Hydroxylierungen durch eine Kombination von neuen Enzymen, neuem Metagenom-Screening, Enzym-Engineering und Reaktionstechnik

Laufzeit:  01.08.2017 - 31.07.2019
Partner: RWTH Aachen, TU Dresden, Universität Hamburg
Geldgeber:  AiF
Bearbeiter: Sebastian Bormann, Dirk Holtmann
Arbeitsgruppe: Industrielle Biotechnologie 

Durch die Entdeckung der pilzlichen Peroxygenasen (unspezifische Peroxygenasen, UPO) steht nun ein komplett neues und vielversprechendes Werkzeug für die Synthesechemie zur Verfügung, da diese Enzyme die Selektivität von P450-Enzymen mit der Verwendung des günstigen Ko-Substrates Wasserstoffperoxid der Peroxidasen vereinen.

Das Ziel von PeroxyMEER ist die Erhöhung der Peroxygenase-Vielfalt, die Verbesserung der Verfügbarkeit von Peroxygenasen und die Entwicklung verbesserter Reaktionskonzepte mit diesen Enzymen. Bei dem in Zusammenarbeit mit RWTH Aachen, TU Dresden und Universität Hamburg durchgeführten Projekt konzentriert sich das DECHEMA Forschungsinstitut auf die Verbesserung heterologer Produktionssysteme, um die Verfügbarkeit der unspezifischen Peroxygenasen  zu erhöhen. Zusätzlich steht die Entwicklung neuer Reaktionskonzepte im Vordergrund. Mit dem Ziel die Raum-Zeit-Ausbeute und Stabilität der Enzyme zu erhöhen soll hierbei vor Allem die bedarfsgerechte Produktion des Ko-Substrats Wasserstoffperoxid, zum Beispiel mit Hilfe elektrochemischer Verfahren, betrachtet werden.

 

CEEPOx- Entwicklung einer Systemlösung für chemo-elektro-enzymatische Percarbonsäure-vermittelte Oxidationsreaktionen am Beispiel der Erzeugung chiraler Monoterpene

Laufzeit: 1.1.2014 - 30.6.2016
Partner: Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, TU Dresden
Geldgeber: AiF
Bearbeiter: Dirk Holtmann
Arbeitsgruppe: Industrielle Biotechnologie

Generell ermöglicht die Kombination von Elektrochemie und Enzymkatalyse zu elektroenzymatischen Verfahren eine Vielzahl von zukunftsweisenden Produktionssystemen sowie Verfahren zur Schonung der Ressourcen.

Insbesondere die Kombination von Wasserstoffperoxid-abhängigen Enzymen (Peroxidasen, Peroxygenasen, Laccasen sowie unter entsprechenden Bedingungen Lipasen und P450 Monooxygenasen) mit elektrochemischen Verfahren weist ein extrem hohes Anwendungspotential auf. Beispielsweise können Peroxidasen für verschiedene selektive Sauerstofftransfer-Reaktionen wie z.B. Hydroxylierungen oder Epoxidierungen eingesetzt werden. Aufgrund eines breiten Substrat- und Reaktionsspektrums und der Unabhängigkeit von Kofaktoren sind diese Enzyme industriell interessante und vielseitig einsetzbare Enzyme. 

Allerdings besitzen die H2O2-abhängigen Enzyme häufig eine geringe Stabilität gegenüber dem obligatorischen Ko-Substrat Wasserstoffperoxid; dies ist ein wesentlicher Grund, weshalb die Enzyme bisher technisch nur in begrenztem Umfang eingesetzt werden. Die bedarfsgerechte elektrochemische Erzeugung des H2O2 kann dazu genutzt werden, die Zykluszahl (ttn, total turnover number) der Reaktion erheblich zu erhöhen und gleichzeitig hohe Raumzeitausbeuten zu ermöglichen. Als besonders geeigneter Elektrodentyp haben sich im Rahmen von Vorarbeiten dabei Gasdiffusionselektroden (GDE) erwiesen [1-4]. Durch die elektrochemische Steuerung der H2O2-Erzeugung gelingt es, die Konzentration des Ko-Substrates während des gesamten Reaktionsverlaufes unterhalb der Inhibierungsgrenze zu halten und trotzdem hohe Produktbildungsraten zu erzeugen. 

 1.         Getrey, L., et al., Enzymatic halogenation of the phenolic monoterpenes thymol and carvacrol with chloroperoxidase. Green Chemistry, 2014. 16(3): p. 1104-1108.

2.         Holtmann, D., et al., Electroenzymatic process to overcome enzyme instabilities. Catalysis Communications, 2014. 51(0): p. 82-85.

3.         Krieg, T., et al., Gas diffusion electrode as novel reaction system for an electro-enzymatic process with chloroperoxidase. Green Chemistry, 2011. 13(10): p. 2686-2689.

4.         Horst, A.E., K.M. Mangold, and D. Holtmann, Application of gas diffusion electrodes in bioelectrochemical syntheses and energy conversion. Biotechnology and Bioengineering, 2015.

5.         Horst, A.E., Bormann, S., Meyer, J.,  Steinhagen, M., Ludwig, R., Drews, A., Ansorge-Schumacher, M. and Holtmann, D., Electro-enzymatic hydroxylation of ethylbenzene by the evolved unspecific peroxygenase of Agrocybe aegerita. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 2016.

 

Nachhaltige Synthesen mit CPO - Erhöhte Reaktionstemperatur, Reaktionen in überkritischem CO2 und neue Substrate

Laufzeit:  01.11.2013-31.10.2016
Partner: ASA Spezialenzyme
Geldgeber: BMBF
Bearbeiter: Sebastian Bormann
Arbeitsgruppe: Industrielle Biotechnologie

Das Enzym Chloroperoxidase (CPO), welches natürlicherweise vom Pilz Caldariomyces fumago sekretiert wird ist ein vielseitig einsetzbarer biokatalysator mit diversern potentiellen Anwendungsfeldern zur Oxyfunktionalisierung organischer Substrate. Im Gegensatz zu P450 Monooxygenasen, die teure Kofaktoren benötigen, nutzt CPO ausschließlich günstiges Wasserstoffperoxid als Kosubstrat.

Durch Protein Engineering basierend auf rationalem Design wurden im rahmen des Projekts CPO-Varianten mit veränderter Reaktivität erzeugt und in Modellreaktionen, unter anderem zur Biokatalyse in überkritischem CO2 eingesetzt. Die Biokatalyse in diesem alternativen Lösungsmittel adressiert Löslichkeitsprobleme der meist stark hydrophoben Substrate. Im Gegensatz zu konventionellen hydrophoben Lösungsmitteln ist überkritisches CO2 nicht-toxisch, kann nachhaltig produziert und einfach entsorgt werden. 

Das Projekt wurde in Kooperation mit ASA Spezialenzyme durchgeführt. ASA entwickelt und produziert diverse Spezialenzyme und verfügt über weitreichende Kentnisse im Bereich Formulierung und Anwendung von CPO.

 

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