Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

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

Die selektive Aktivierung von C-H-Bindungen zur Funktionalisierung einfacher Ausgangssubstanzen ist eine chemische Traumreaktion zur Erhöhung der strukturellen Komplexität von Verbindungen in der organischen Synthese. Obgleich bereits eine ganze Reihe biotechnologisch interessanter Enzyme existiert, die industriell relevante Oxygenierungen katalysieren, können bisher nur sehr wenige Enzyme wegen ihres intrazellulären Vorkommens und komplexer Anforderungen an Ko-Substrate und Hilfsproteine technisch eingesetzt werden. Durch die Entdeckung der pilzlichen Peroxygenasen steht nun aber ein komplett neues und vielversprechendes Werkzeug für die Synthesechemie zur Verfügung. Die Peroxygenasen besitzen eine für oxygenierende Biokatalysatoren bisher ungekannte „Anspruchslosigkeit“ und Vielseitigkeit. Damit stellen diese H2O2-abhängigen Enzyme einen idealen Ausgangspunkt dar, um so neue und effiziente biokatalytische Hydroxylierungsprozesse zu entwickeln. Zentrales Ziel dieses Antrags ist die Erweiterung des Synthesespektrums von Peroxygenasen. Dazu sollen neue Gene/Enzyme identifiziert und vorhandene Enzyme verbessert werden. Parallel wird die Optimierung der Produktion der Enzyme und die Testung der optimalen Reaktionsbedingungen adressiert.

Die adressierten biotechnologischen Verfahren können in einer Vielzahl von KMU eingesetzt werden. Dies gilt für verschiedene Branchen wie die Lebensmittel-, Textil-, Leder-, Aromen- und Kosmetikindustrie und insbesondere für den chemischen Sektor zur Produktion von Basischemikalien. Generell sind die KMU in der gesamten Wertschöpfungskette dieser Biokatalyseprozesse eingebunden.

Der Plan zum Ergebnistransfer umfasst in die KMU umfasst eine Vielzahl von Maßnahmen (z.B. Sitzungen des projektbegleitenden Ausschusses, Vorstellung des Verfahrenskonzeptes auf Veranstaltungen, fortlaufende Projektdarstellung im Internet, praktische Demonstration in der Forschungsstelle, Bereitstellung der Enzym-Datenblätter im Internet).

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes PeroxyMEER wurden die wissenschaftlich-technischen Grundlagen für den industriellen Einsatz von Peroxygenasen gelegt. Die zukünftige erfolgreiche industrielle Anwendung der Peroxygenasen erfordert neben der Kenntnis der optimalen Reaktionsparameter vor allem die kommerzielle Verfügbarkeit der erforderlichen Enzyme, sowie eine ausreichende Selektivität und Stabilität der Biokatalysatoren. Daher wurden von den Forschungsstellen folgende wesentliche Ergebnisse erzielt:

• Unter gezielter Nutzung der funktionellen Biodiversität pilzlicher Peroxygenasen (Erweiterung der Enzymvielfalt) wurde Enzym- und Reaktionsspektrum erweitert.

• Das Reaktionsspektrum sowie die Stabilität und Aktivität der vorhandenen Enzyme wurden über ein gezieltes Enzym-Engineering optimiert.

• Die Produktion der Enzyme wurde verbessert. Es wurden entsprechende SOPs erstellt, die Enzyme lassen sich heterolog in hohen Ausbeuten produzieren.

• Die Enzymkatalyse wurde in elektroenzymatischen Reaktionssystemen bei hohen Raum-Zeit-Ausbeuten und Zykluszahlen (total turn overs) durchgeführt.

Durch die Entwicklung effizienter Prozesse für die stoffwandelnde Industrie stellen die Ergebnisse einen wesentlichen Beitrag für eine nachhaltige und umweltschonende Produktion am Standort Deutschland dar. Durch engen Kontakt zwischen den Forschungsstellen und den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses wurden die entsprechenden Anforderungen und Anregungen aus der Praxis bei den Entwicklungen stets berücksichtigt.