Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Immobilisierung von 2-Deoxyribose-5-phosphat-aldolase in dünnen Membranschichten zur Etablierung eines biokatalysierten Syntheseverfahrens für β-Monohydroxy- und β,δ-Dihydroxyaldehyde

Ziel des Projekts ist es, das Enzym 2-Deoxyribose-5-phosphat-aldolase (DERA) in einer dünnen Polymerschicht auf passenden Membranoberflächen zu immobilisieren um es für einen ökonomisch verwertbaren Prozess zur Synthese von β-Monohydroxy- und β,δ-Dihydroxycarbonsäuren aus Acetaldehyd nutzbar zu machen. Die Art der Immobilisierung soll es erlauben, die durch DERA katalysierte Umsetzung mit Transportprozessen zu koppeln, so dass eine Produktakkumulation im Bereich des Enzyms verhindert sowie die Isolierung von Zwischenprodukten ermöglicht wird. Gleichzeitig sollen auch verbesserte DERA-Varianten, die eine erhöhte Substratstabilität zeigen, eingesetzt werden. Der gewählte parallele Ansatz von Immobilisierung und molekularbiologischer Modifizierung des Enzyms soll es letztlich erlauben, biokatalytische Synthesen für die genannten Motive zu etablieren, um konventionelle und bisherige biokatalytische Ansätze ersetzen können.

Zunächst soll das Immobilisierungsverfahren etabliert werden, um in der Folge ein Membranmodul im Labormaßstab aufzubauen, dass es erlaubt Enzymkinetiken und Produktzusammensetzungen umfassend zu untersuchen. Der komplette Prozess von der Applikation der Polymermatrix bis hin zur Beladung mit Enzym und ihrer Vernetzung soll analog eines Membranziehverfahrens realisiert werden. Eine technische Umsetzung bleibt dadurch simpel. Zudem ist das Verfahren leicht skalierbar, variierbar und an Anlagen/ Verfahren modular anpassbar.

Der Etablierung biokatalytischer Syntheseprozesse kommt in zunehmendem Maße Bedeutung zu. Gerade enantiomerenreine β,δ-Dihydroxycarbonsäuren sind bisher nur durch einen relativ großen synthetischen Aufwand zugänglich, der in Zukunft aufgrund von wegfallenden Schutzrechten und damit sinkenden Gewinnmargen für bestimmte Wirkstoffe immer weniger zu rechtfertigen ist. Dabei kommt unser Vorhaben in starkem Maße dem KMU-Sektor zugute, da dieser im Bereich biokatalytischer Syntheseverfahren und Enzymproduktion stark vertreten ist.

Ergebniszusammenfassung:

Die Variation einer Vielzahl von Immobilisierungsparametern erlaubte es, ein umfassendes Bild über das Verhalten des Enzyms im Zuge der Immobilisierung zu gewinnen und ein prinzipiell nutzbares Immobilisierungsprotokoll zu definieren. Größere Fortschritte wurden hinsichtlich der Isolierung der Monoaldolprodukte in Form von chemisch umgewandelten Derivaten ausgehend vom durch DERA generierten Monohydroxyaldehyd gemacht. Durch optimierte Prozessbedingungen konnte die Entstehung des Dialdolprodukts komplett verhindert werden, während ein Umsatz zu Monoaldolprodukt von 38 % erreicht wurde. Weitere Untersuchungen in vergrößertem Maßstab mit anschließender konventionell-chemischer Umsetzung des Monoaldolprodukts erlaubten den Zugang zu Octenal bzw. Octan-1,3-diol als wertvolle Zwischenstufen für Feinchemikaliensynthesen.

Als industrielle Anwendungsmöglichkeit ist die Möglichkeit zur Veredelung einfacher Oxo-Chemikalien zu nennen. Firmen wie Symrise beschäftigen sich mit der Herstellung von Duftstoffen, die oftmals auf funktionellen Aldehydstrukturen beruhen. Die Monoaldolprodukte sind hierfür ein zentrales Intermediat beispielsweise auf dem Weg zu ungesättigten Aldehyden, können aber auch Ausgangspunkt für eine ganze Reihe weiterer, interessanter Produkte sein. Vor allem ist das DERA-katalysierte Syntheseverfahren zentral für die Etablierung von enzymatischen oder chemoenzymatischen Reaktionskaskaden, die zunehmend an Bedeutung gewinnen. Industrielle Anwendungsmöglichkeiten liegen hier nach wie vor im Bereich der pharmazeutischen Industrie, die vor allem aufwendige und wenig nachhaltige, konventionelle Syntheseverfahren ersetzen will.