Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4265
Bäumchen, Carsten
Reduktive Ganzzellbiotransformation zur Gewinnung chiraler Alkohole mit Baillus megaterium und Corynebacterium glutamicum
VII, 91 S., 2008

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurde untersucht, ob sich die Gram-positiven Bakterien Bacilus megaterium und Corynebacterium glutamicum für die reduktive Ganzzellbiotransformation eignen. Zur Charakterisierung der rekombinanten Stämme wurde die Umsetzung von D-Fruktose zu D-Mannitol und Methylacetoacetat (MAA) zu (R)-Methyl-3-hydroxybutanoat (MHB) untersucht. Für die Regenerierung des Kofaktors NADH wurde die Formiatdehydrogenase genutzt. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand die Langzeitstabilität der Biokatalysatoren, die durch quantitative Analyse der intrazellulären NAD(H)- Konzentration während der Biotransformation beurteilt wurde. Die für die Gram-positiven Organismen erhoffte gute Kofaktorretention bestätigte sich. Beide untersuchten Spezies zeigten über einen Zeitraum von bis zu 3 Tagen stabile Produktivitäten und unterschieden sich damit signifikant von der E. coli-Ganzzellbiotransformation, die innerhalb von 8 Stunden einen 80-90%-igen Abfall der spezifischen Produktivität zeigte.

Für die Umsetzung von D-Fruktose zu D-Mannitol sollte zudem der Zuckertransport bei C. glutamicum näher charakterisiert werden. Dieser erwies sich als limitierend für die Biotransformation. Durch Überexpression des Glukose/Fruktose Facilitatorgens aus Zymomonas mobilis konnte die Produktivität von C. glutamicum um das 5,5-fache gesteigert werden (Endkonzentration 470 mM D-Mannitol nach 24 Stunden). Mit Hilfe von genomweiten Homologievergleichen konnten zwei Proteine (CGL0181 und CGL3058) von C. glutamicum identifiziert werden, die eine hohe Strukturähnlichkeit zu GLF besaßen. Überexpressions- und Deletionsexperimente zeigten, dass diese Transporter D-Fruktose in nicht phophorylierter Form in das Zytoplasma transportieren können, was für C. glutamicum bisher noch nicht gezeigt wurde. Mit Hilfe dieser Transporter konnte die D-Mannitol Produktivität von C. glutamicum verdoppelt werden und C. glutamicum erwies sich neben B. megaterium als stabiler Mikroorganismus bei der Biotransformation.

Die Umsetzung von MAA zu MHB mit C. glutamicum und B. megaterium verlief deutlich langsamer und erzielte innerhalb von 24 Stunden niedrige Endkonzentrationen (5-10 mM, 10% Umsatz). Durch Erhöhung des Lösungsmittelanteils bei Biotransformationen mit substratgekoppelter Kofaktorregenerierung konnte eine Substratumsatz zwischen 50-80% erreicht werden. Beide Spezies zeigten eine hohe Lösungsmittel-Toleranz, was ein Ansatzpunkt für weiterführende Arbeiten mit Lösungsmittel-abhängigen Biotransformationssystemen ist.

Abstract

The present work studied whether the Gram-positive bacteria Bacilus megaterium and Corynebacterium glutamicum were suitable for reductive whole-cell biotransformations. The conversion of D-fructose to D-mannitol and methyl acetoacetate (MAA) to (R)- methyl-3-hydroxybutanoate (MHB) was investigated in order to characterize the recombinant strains . Formate dehydrogenase was used to regenerate the cofactor NADH. The investigation focused on the long-term stability of the biocatalysts, which was evaluated by a quantitative analysis of the intracellular NAD(H) concentration during the biotransformation . The good cofactor retention expected for the Gram-positive organisms was confirmed. Both of the species studied displayed stable productivity over a period of up to three days and thus differed significantly from the E. coli whole-cell biotransformation, which showed an 80-90 % drop in specific productivity within 8 hours.

Furthermore, the sugar transport in C. glutamicum was to be characterized in more detail for the conversion of D-fructose to D-mannitol, which had proved limiting for the biotransformation . By overexpressing the glucose/fructose facilitator gene from Zymomonas mobilis it was possible to increase the productivity of C. glutamicum 5.5-fold (final concentration 470 mM of D-mannitol after 24 hours) . Genome-wide homology comparisons were used to identify two proteins (CGL0181 and CGL3058) of C. glutamicum, which had great structural similarity to GLF. Overexpression and deletion experiments showed that these transporters can transport D-fructose into the cytoplasm in a non-phosphorylated form, which had not previously been shown for C. glutamicum. The D-mannitol productivity of C. glutamicum was doubled with the aid of these transporters and, in addition to B. megaterium, C. glutamicum proved to be a stable microorganism for the biotransformation.

With C. glutamicum and B. megaterium, the conversion of MAA to MHB proceeded significantly more slowly and within 24 hours yielded low final concentrations (5-10 mM, 10 % conversion) . A substrate turnover of 50-80 % was achieved by increasing the solvent fraction for biotransformations with substrate-coupled cofactor regeneration . Both species displayed a high solvent tolerance, which provides a starting point for more extensive work with solvent-dependent biotransformation systems.

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Letzte Änderung: 07.06.2022