Chem. Ing. Tech. 2014, 86, No. 9, 1401–1426 © 2014 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.cit-journal.com

Isopren ist für die chemische Industrieeine wichtige Verbindung, die z. B. zurProduktion von synthetischem Gummiund Autoreifen verwendet wird. Isoprenkann aus Öl oder durch chemische Syn-these gewonnen werden. Neben der che-mischen Synthese wird Isopren von fastallen Organismen produziert. Pflanzenals die größten Isopren-Produzenten ge-ben jährlich etwa 600 Mio. t Isopren andie Atmosphäre ab. Allerdings ist eineindustrielle Gewinnung dieses Isopren-pools technisch nicht umsetzbar.

Durch heterologe Expression vonpflanzlichen Isopren-Synthasen, z. B.aus Populus alba oder Pueraria lobata, inMikroorganismen konnte bei Fermenta-tionen mit Glucose als C-Quelle bereitsIsopren im g L–1-Maßstab erzeugt wer-den. Eine deutlich kosteneffizientereAlternative und ohne Konkurrenz zuNahrungsquellen ist Syn(these)gas alsC-Quelle für die Fermentation. Syngas,eine Mischung aus CO, CO2 und H2,kann effizient bei der Vergasung von or-ganischem Material gewonnen werden.

Dies eröffnet einen großen Bereichmöglicher neuer Stoffe, die nach derVergasung für die Fermentation genutztwerden können wie z. B. Hausmüll, he-terogene Biomasse oder industrielle Ab-fallgase. Verschiedene Organismen sinddafür bekannt, dass sie mit Syngas alsC-Quelle wachsen können. In diesemProjekt wird daher mittels MetabolicEngineering ein Clostridium ljungdahlii-Stamm entwickelt, der Syngas in Iso-pren umsetzt.

V5.10

Metabolic Engineering von Saccharomyces cerevisiaefür die Produktion zyklischer TriterpenoideK. Walter1) (E-Mail: kerstin.walter@rwth-aachen.de), Dr. B. E. Ebert1), Prof. C. Lang2), Prof. L. M. Blank1)

1)RWTH Aachen, iAMB – Institute für Angewandte Mikrobiologie, Worringer Weg 1, D-52074 Aachen, Germany2)Organobalance GmbH, Gustav-Meyer-Allee 25, D-13355 Berlin, Germany

DOI: 10.1002/cite.201450328

Triterpenoide sind sekundäre Pflanzen-metabolite, die sich von Squalen ablei-ten und aus sechs Isopreneinheiten(C30) zusammensetzen. Viele dieserVerbindungen und deren Derivate [1]werden als potenzielle Medikamente fürviele Krankheiten untersucht. Die Sub-stanzen liegen jedoch nur in sehr gerin-gen Mengen in der Pflanze vor, sodassfür die Extraktion und Aufreinigunggroße Mengen Lösungsmittel proGramm Wirkstoff benötigt werden.

Ziel des Projekts TRITERP ist die Ent-wicklung eines biotechnologischen Pro-

zesses für die Produktion des Triter-penoids Betulinsäure mithilfe einesmaßgeschneiderten Saccharomyces cere-visiae-Stammes. Aufgrund seiner antire-troviralen, antitumoralen und entzün-dungshemmenden Eigenschaften hatdieser Pflanzenmetabolit Potenzial u. a.als Antikrebsmittel [2].

Für die Stammentwicklung werdenMethoden der modernen Molekularbio-logie und der synthetischen Biologie ver-wendet. Durch Anwendung von Omics-Technologien und metabolischen Model-lierungen werden die Stämme syste-

matisch charakterisiert und Strategienfür weitere Stammoptimierungen ent-wickelt. Eine Überproduktion des Triter-penoids in S. cerevisiae wird den Auf-wand des Downstream-Prozesses redu-zieren und eine ökonomische und nach-haltige Produktion dieses vielverspre-chenden Pharmazeutikums erlauben.

[1] K. Muffler, Process Biochem. 2011, 46 (1),1 – 15.

[2] F. B. Mullauer, Anti-Cancer Drugs 2010,21 (3), 215 – 227.

V5.11

Coupled Reactions and Directed Metabolic Channelingin a Big Multienzyme Complex: Analyses of Structureand FunctionDr. U. Jandt1) (E-Mail: uwe.jandt@tuhh.de), J. Guo1), Prof. A.-P. Zeng1)

1)Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik, Denickestraße 15, D-21073 Hamburg, Germany

DOI: 10.1002/cite.201450336

Enzymkatalysierte Reaktionskaskaden invitro weisen typische Nachteile wie Inhi-bierung, Abbau und Verlust von Zwi-schenprodukten auf. In der Natur wer-den diese Probleme mittels Substrate-Channeling, der Abschirmung von Zwi-

schenprodukten auf molekularer Ebene,vermieden. Stabile Multienzymkomple-xe, Nanomaschinen-gleich, koppeln Kas-kaden von Reaktionen bei gleichzeitigerRückgewinnung von Kofaktoren. EinBeispiel ist der Pyruvat-Dehydrogenase-

komplex (PDC). In diesem ist der Chan-nelingprozess zielgerichtet und koordi-niert; die strukturellen Grundlagenhierfür sind jedoch noch wenig unter-sucht. Deren genaues Verständnis istjedoch notwendig, um zukünftig effi-

5 Neue Bioproduktionssysteme 1405ChemieIngenieurTechnik

www.cit-journal.com © 2014 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Chem. Ing. Tech. 2014, 86, No. 9, 1401–1426

ziente modifizierte oder synthetischeKomplexe designen zu können.

Für die Durchführung der Untersu-chungen wurden die Komponenten vonSäuger-PDC (E1a/E1b, E2/E3BP, jeweilskoexprimiert; und E3) bei Hochzell-dichte produziert, aufgereinigt und in

vitro zu voll funktionstüchtigen 9MDaschweren Komplexen zusammenge-setzt. Deren Aktivität als Ganzes und inTeilen wurde mit Aktivitätsassays unter-sucht. Ein Schwerpunkt liegt auf der Be-stimmung von Strukturinformationen,die bisher nicht für den Komplex als

ganzes verfügbar sind. Derartige Datensind jedoch für eine weitergehende Mo-dellierung notwendig und werden u. a.mit SAXS (in Kooperation mit D. Sver-gun, EMBL) von Komplexen in Lösungsowie mit massenspektrometrischenMethoden gewonnen.

V5.12

Fusionsproteine zur Kompartimentierung von neuartigenmultienzymatischen BiosyntheseprozessenDr. A. Trautwein-Schult1) (E-Mail: anke.trautwein-schult@tuhh.de), Dr. R. Rujananon1), Dr. C. Ma1), Prof. A.-P. Zeng1)

1)Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik, Denickestraße 15, Gebäude K, D-21073 Hamburg,Germany

DOI: 10.1002/cite.201450346

Die Kompartimentierung von Enzymendient der Entwicklung von neuartigenmultienzymatischen Biosyntheseprozes-sen, um Limitationen herkömmlicherOne-Pot-Systeme zu überwinden. Dafürsollen neuartige Fusions- bzw. Scaffold-Proteine erstellt werden.

Die Funktionalität des Konzepts wur-de mit der Synthese von 1,3-Propandiol(PDO) demonstriert. Die enzymatischeProduktion von PDO beginnt mit derGlyceroldehydratase (GDHt), welche dieUmwandlung von Glycerol zu 3-Hydroxy-

propionaldehyd (3-HPA) Coenzym B12(un-)abhängig katalysiert und durch denGDHt-Aktivator regeneriert wird. DasIntermediat 3-HPA wird von der PDO-Oxidoreduktase (PDOR) bzw. deren Iso-enzym (PDORI) zu PDO reduziert.

In dieser Studie wurden unterschied-liche Module mit verschiedenen Zielge-nen kombiniert und analysiert. Rekom-binante Escherichia-coli-Stämme mit fu-sionierten Proteinen aus PDORI undCoenzym-B12-unabhängiger GDHt so-wie separat exprimiertem GDHt-Aktiva-

tor zeigten eine 10-fach erhöhte In-vivo-PDO-Produktion im Vergleich zu Stäm-men mit simultaner Expression von Ein-zelenzymen.

Scaffold-Proteine verhindern den Ver-lust von Intermediaten aufgrund vonDiffusion zwischen den Enzymen. Da-her wurden verschiedene Fusionspro-teine mit computergestützten Simula-tionen analysiert und nachfolgendkonstruiert. Die Produktivität des In-vi-tro-Systems soll mit der In-vivo-Produk-tion von PDO verglichen werden.

V5.13

Evolution der Styrol-Monooxygenase StyA1/StyA2Baus Variovorax paradoxus EPS und seine biotechnologischeAnwendungDr. D. Tischler1) (E-Mail: dirk-tischler@email.de), A. Riedel1), R. Schwabe1), L. Siegel1), K. Friebel1), T. Heine1), A. D. Göring1),Dr. S. R. Kaschabek1), Prof. M. Schlömann1)

1) TU Bergakademie Freiberg, Interdisziplinäres Ökologisches Zentrum, AG Umweltmikrobiologie, Leipziger Straße 29, D-09599 Freiberg,Germany

DOI: 10.1002/cite.201450048

Styrol-Monooxygenasen (SMOs) sindFlavoproteine, die sich aus einer Mono-oxygenase (StyA) und einer Reduktase(StyB) zusammensetzen und die Epoxi-dierung von Styrol mittels FADH2 kata-lysieren. SMOs haben biotechnologi-sches Potenzial, da sie enantioselektiveEpoxidierung von Styrolen und Sulfoxi-dation von Arylalkylsulfiden ermögli-chen. Bisher wurden die Enzyme meistaus Pseudomonaden und Rhodococcen

beschrieben, wobei zwei Typen (E1:StyA/StyB und E2: StyA1/StyA2B) hin-sichtlich Proteinsequenz und Aktivitätunterschieden werden.

Mittels funktioneller Annotationkonnte eine E2-Typ SMO aus Variovoraxparadoxus EPS ermittelt werden. DasEnzym ist ein evolutionäres Intermediatder beiden SMO-Typen und ermöglichtdas Studium der natürlichen Fusionder StyA2B-Komponente (Abb.). Hierzu

wurden Mutanten generiert und cha-rakterisiert. Die Fusionsregion zwischenMonooxygenase (A2) und Reduktase (B)von StyA2B wurde verifiziert, wobei esdurch die natürliche Fusion zur Verkür-zung der Reduktase kam.

Die Anwendbarkeit der SMOs wurdeanhand zellfreier Biotransformation ge-zeigt. Es konnten Styrole und Sulfideenantioselektiv oxygeniert werden. ImVergleich zu anderen SMOs wurden ab-

1406 5 Neue BioproduktionssystemeChemieIngenieurTechnik