Modularization and optimization of enzymatic reactions applying whole cell biocatalysis in micro-aqueous solvent systems

  • Modularisierung und Optimierung enzymatischer Reaktionen unter Anwendung von Ganzzellbiokatalyse in mikro-wässrigen Lösungsmittelsystemen

Wachtmeister, Jochen; Rother, Dörte (Thesis advisor); Blank, Lars Mathias (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Kurzfassung

Das wachsende Verständnis enzymatischer Reaktionen und ihrer Nutzung für synthetische Zwecke führt zu steigenden Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet künstlicher, biokatalytischer Mehrschrittreaktionen. Diese synthetischen Enzymkaskaden setzen kostengünstige Substrate zu wertvollen Substanzen verschiedenster Anwendungen um. Trotz ihres großen Potenzials, wird die Produktivität biokatalytischer Kaskadenreaktionen häufig als unzureichend für die Implementierung in industrielle Prozesse eingeschätzt. Diese Limitierung zu überwinden, und die Erforschung, Anwendung, Optimierung und Maßstabsvergrößerung biokatalytischer Kaskadenreaktionen zu vereinfachen, war Ziel dieser Arbeit. Als repräsentativer chiraler Baustein für pharmazeutische Synthesen wurde 1-Phenylpropan-1,2-diol als Modellprodukt gewählt. Die Produktion erfolgte durch die Kombination aufeinanderfolgender Carboligation und Oxidoreduktion.Um die ökonomische und ökologische Relevanz des Modelprozesses zu steigern, wurden lyophilisierte Ganzzellkatalysatoren in mikro-wässrigen Lösungsmitteln genutzt. Dadurch kann eine günstige und widerstandfähige Katalysatorformulierung eingesetzt werden, die unabhängig von einer teuren, externen Cofaktorzusetzung ist. Zudem ermöglicht die Reaktion in organischen Lösungsmitteln, neben vereinfachter Produktaufarbeitung durch direkte Lösungsmittelverdampfung, außergewöhnlich hohe Substrat- und Produkttiter.Zur einfachen Untersuchung und Anwendung von Kaskadenreaktion, war der vereinzelnde Einschluss von Ganzzellbiokatalysatoren vorgesehen, welcher die Verwendung als katalytisches Modul ermöglichen sollte. Dazu wurden Ganzzellkatalysatoren in eine Polymermembran eingeschlossen, welche als katalytischer Teebeutel diente. Der katalytisch aktive Teebeutel erwies sich als nützliches Werkzeug, welches (i) die vereinfachte Handhabbarkeit des Biokatalysators, (ii) eine unkomplizierte Katalysatorrückgewinnung und -rezyklierung, (iii) eine erleichterte Kaskadenoptimierung und einen einfachen Aufbau, sowie (iv) die präparative Produktion chiraler Substanzen ermöglicht. In einem zweiten Projektteil, wurde die Skalierbarkeit des Teebeutel-Konzeptes auf bis zu 150 mL demonstriert. Hier konnte exemplarisch die Produktion von (1R,2R)-1-Phenylpropan-1,2-diol im Grammmaßstab vereinfacht werden. Als geeignetes Reaktionsgefäß erwies sich nicht nur der Einsatz neuartiger Reaktorkonzepte wie der des SpinChem-Reaktors (Nordic ChemQuest AB) als nützlich, sondern auch die Nutzung ubiquitär verfügbarer Laborausstattung. In einem dritten Projektteil, wurde die Übertragbarkeit der untersuchten Konzepte auf zwei weitere Biokatalysatoren gezeigt. Dies ermöglichte den stereoselektiven Zugang zu allen vier Stereoisomeren des 1-Phenylpropan-1,2-diols mit industriell relevanten Produktkonzentrationen. Dazu wurde eine Kombination aus Reaktions- und Lösungsmittel-Optimierungen angewendet. Für zwei der finalen Kaskaden konnte durch Implementierung "smarter" Co-Substrate bis zu 90 mol% des benötigten Co-Substrats eingespart werden. Gleichzeitig konnten hohe Produkt- und Raum-Zeit-Ausbeuten erreicht werden, die industrielle Anforderungen übertreffen. Zusätzlich wurde die Menge anfallenden Abfalls auf ein außergewöhnlich kleines Maß reduziert.Zusammengefasst vereinfachte das Teebeutelkonzept die Untersuchung synthetischer Enzymkaskaden. Das entwickelte Modul ist einfach herzustellen und auch für Nutzer, welche unerfahren in der Handhabung biologischer System sind, simpel einsetzbar. Das Modul kann zudem für die präparative Produktion chiraler Substanzen genutzt werden. Durch die Kombination aus Reaktions- und Lösungsmitteloptimierung konnten die Mindeststandards industrieller Anwendbarkeit deutlich übertroffen werden. Dies demonstriert das Potential synthetischer Enzymkaskaden auch über den Forschungsmaßstab hinaus.

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