Das Projekt "ERA CoBioTech Call 1: Enzym-Plattform für die Synthese chiraler Aminoalkohole - TRALAMINOL" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Darmstadt, Fachbereich Chemie, Arbeitskreis Prof. Fessner durchgeführt. Aminoalkohol-Struktureinheiten sind wichtig wegen ihrer Bioaktivität und als chirale Bausteine für die Synthese von Pharmazeutika und Agrochemikalien, aber die chemische Synthese von stereoisomerenreinen Aminoalkoholen ist aufwändig. Das Projekt geht diese Herausforderung mit der innovativen Entwicklung nachhaltiger biotechnologischer Verfahren zur Synthese von Aminoalkoholen durch einen multidisziplinären Ansatz an auf der Basis einer leistungsstarken biokatalytischen Synthese mit zwei Klassen von Reaktionstypen. Die Nutzung von Schlüsselenzyme zur Knüpfung von C-C-Bindungen wird gefolgt von einem enzymatischen Aminotransfer, unter Ausnutzung der hohen Chemo-, Regio- und Enantioselektivität der Enzyme unter milden Reaktionsbedingungen. Biobasierte, nachhaltige Bausteine sollen in Produkte mit hohem Mehrwert umgewandelt werden, wobei eine Reihe von relevanten Zielstrukturen aus verschiedenen pharmazeutischen Marktsegmenten identifiziert wurden. Die intensive Entwicklung der beiden kritischen Enzymarten zu einer robusten industriellen Biokatalyse-Plattform soll die globale Wettbewerbsfähigkeit der europäischen chemischen und pharmazeutischen Industrie erheblich stärken und den Übergang hin zu einer nachhaltigen biobasierten Wirtschaft beschleunigen.
Das Projekt "Gerichtete Evolution einer Phenylalanin-Ammoniaklyase zur effizienten enzymatischen Synthese chiraler Amine" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Greifswald, Institut für Biochemie, Abteilung Biotechnologie und Enzymkatalyse durchgeführt. Zielsetzung und Anlass des Vorhabens:
Chirale Amine und Aminoalkohole haben eine große Bedeutung in der organisch-chemischen und pharmazeutischen Industrie. Sie finden Verwendung für die Produktion enantiomerenreiner Carbonsäuren durch fraktionierte Kristallisation und als chirale Auxiliare und Liganden in enantioselektiven chemischen Synthesen. Besonders hervorzuheben ist der Bedarf an enantiomerenreinen Aminen als Intermediate für die pharmazeutische Industrie und Agrochemie. Neben der selektiven Kristallisation der Enantiomere (max. 50 % Ausbeute) und chemischen Verfahren, stellt bislang die Lipase-katalysierte Racematspaltung das wichtigste enzymatische Verfahren dar. Allerdings werden hier ebenfalls maximal 50 % Ausbeute erreicht und bei Aminoalkoholen ist zusätzlich die Einführung bzw. Entfernung von Schutzgruppen notwendig.
Phenylalanin-Ammoniak-Lyasen (PAL) katalysieren die reversible Addition von Ammoniak an Zimtsäure unter Bildung von optisch reinem L-Phenylalanin. Besonders gut untersucht und rekombinant in E. coli exprimierbar ist das Isoenzym PAL1 aus der Petersilie Petroselinum crispum.
Das Ziel des Projekts ist die Veränderung der Substratspezifität und Aktivität der PAL, um diese zur Synthese von chiralen Aminen bzw. Aminoalkoholen, ausgehend von ungesättigten Substraten, darzustellen. Dieses soll sowohl durch rationales Proteindesign als auch durch gerichtete Evolution der PAL erreicht werden. Ziel ist die Erzeugung von PAL-Varianten mit hoher Enantioselektivität, Aktivität und der Fähigkeit auch Substrate ohne Carboxylgruppe umzusetzen, um einen effizienten und umweltfreundlichen Zugang zu chiralen Aminen und Aminoalkoholen zu ermöglichen.
Fazit:
Im Projektverlauf konnten die für gerichtete Evolution notwendigen Methoden einschließlich des Hochdurchsatzscreenings erfolgreich etabliert werden. In ersten Mutantenbibliotheken konnte keine Aktivität gegenüber Phenylalaninol generiert werden. Computermodeling erwies sich als hilfreiche Methode zur Analyse der Substratbindung im aktiven Zentrum des Enzyms. Aufgrund dessen wurde die Verwendung von Tyrosinol als besser geeignetes Substrat in Kombination mit der pcPAL-Mutante Phe137His vorgeschlagen und tatsächlich geringe Aktivität gemessen. Da ähnliche oder höhere Aktivitäten in echten Tyrosin-Ammoniak-Lyasen zu erwarten waren, wurde die rsTAL aus Rhodobacter sphaeroides als synthetisches Gen mit optimierter Codon-usage bestellt. Die rsTAL zeigte ähnliche Aktivitäten gegenüber Tyrosinol wie die pcPAL. Es wurden verschiedene Mutantenbibliotheken sowie rationale Punktmutationen der pcPAL-Phe137His-Mutante und der rsTAL generiert und nach erhöhter Aktivität durchmustert. Es konnte keine Mutante mit erhöhter Aktivität gegenüber Tyrosinol identifiziert werden. Daher wurde nach alternativen Substraten gesucht. Sowohl Tyrosinamide als auch Tyrosinhydrazid können von pcPAL-Phe137His und rsTAL umgesetzt werden. (Text gekürzt)
Das Projekt "ERA-IB 4: IPCRES - Integrierte Prozess- und Zelloptimierung für die Industrielle Biotechnologie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Jacobs University Bremen gGmbH durchgeführt. Die Verwertung von Rohglycerolabfällen kann die Wirtschaftlichkeit der Biodieselproduktion erheblich verbessern. Um dieses Ziel mit Hilfe von Biokatalaysatoren zu erreichen, sind die Umsatzrate von Glycerol zu Produkten, die Integration von Prozessschritten und die Toleranz von Produktionssstämmen gegenüber den Verschmutzungen in Rohglycerol die zentralen Herausforderungen. Zwei wertvolle Produkte sollen aus Glycerol mit Hilfe von modifizierten Hefen als Biokatalysatoren hergestellt werden. Das Konsortium besteht aus industriellen und akademischen Partnern, die Expertisen in Bioprozess- und Zellengineering, in omics Technologien und in der Systembiologie aufweisen. Wir werden die Hefen Saccharomyces cerevisiae und Pichia pastoris mit den erforderlichen Genen/Stoffwechselwegen für die Herstellung von chiralen Aminoalkohole (CAA) und 1,2-Propandiol (PDO) ausstatten. Die Zellen werden sowohl mit Hilfe von Hochdurchsatz-Microscale Prozesstechniken als auch im größeren Maßstab charakterisiert. Daten von Transkriptom- und metabolischen Fluxanalysen werden mit Prozessdaten integriert und die Ergebnisse werden verwendet, um Stoffwechselwege und die 'Chassis'-Organismen zu optimieren. Diese Schritte werden wiederholt und werden eine zweite bzw. dritte Generation von verbesserten Biokatalysatoren hervorbringen. Die neuen Stämme, Prozesse und integrierten Methoden werden für die Biodieselindustrie im speziellen und für die Industrielle Biotechnologie im Allgemeinen von Nutzen sein.
Das Projekt "Asymmetrische Synthese von Aminosäuren und 1,2-Aminoalkoholen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Wuppertal, Fachgruppe Chemie und Biologie, Arbeitsgruppe Organische Chemie durchgeführt. Auf der Basis von spirocyclischen N,N- bzw. N,O-Acetalen von geeigneten chiralen cyclischen Ketonen werden asymmetrische Reaktionen zur Synthese von enantiomerenreinen Aminosäuren und 1,2-Aminoalkoholen entwickelt. Abgeleitet von Menthon konnte ein chiraler Glycinbaustein dargestellt werden, welcher sich flexibel sowohl nukleophil als auch elektrophil zur Darstellung von ungewöhnlichen Aminosäuren nutzen läßt. Parallel werden mit solchen Gerüsten auch Liganden für chirale Katalysatoren für asymmetrische Reaktionen entwickelt.
Das Projekt "Nachwuchsgruppe: Lipidmodifizierte Hydroxycarbonsäureanhydride - neuartige Bausteine für Tenside, Kosmetika und Polymere" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Wuppertal, Fachgruppe Chemie und Biologie, Arbeitsgruppe Organische Chemie durchgeführt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Herstellung lipidmodifizierter Hydroxycarbonsäureanhydride und die Nutzung dieser Schlüsselbausteine zur Herstellung neuartiger Produkte mit innovativen Eigenschaften. Die Ausgangsstoffe sind Fettsäuren aus nativen Fetten und Ölen sowie natürliche Hydroxycarbonsäuren, die jeweils in großen Mengen preiswert verfügbar sind. Wir haben in unseren Vorarbeiten überraschend gefunden, dass sich die Titelverbindungen auf sehr einfache Weise und in hervorragenden Ausbeuten herstellen lassen. Als sehr gute Elektrophile lassen sie sich mit unterschiedlichsten Nukleophilen wie Fettaminen, Aminoalkoholen, Aminosäuren, Aminozuckern, Proteinhydrolysaten, Alkoholen, Polyolen, Zuckern, u.s.w. in Kombinationsprodukte mit neuen Eigenschaften überführen. Als Beispiele dafür seien neuartige Tenside, Kosmetika, Emulgatoren, Komplexbildner sowie Polymere erwähnt. Die im Rahmen dieses Vorhabens hergestellten Produkte sollen nach der Einreichung von Schutzrechten möglichst rasch industriellen Partnern zur Eigenschaftsprüfung und somit einer technischen Verwertung zugeführt werden.