Nachhaltige Biokatalytische Oxidationsprozesse


Aktenzeichen:   13234

Projektleitung

 

Prof. Dr. Bornscheuer 
Universität Greifswald
Institut für Biochemie
Abt. Biotechnologie und Enzymkatalyse

Felix-Hausdorff-Str. 4
17487 Greifswald
Tel.:  03834 - 86 4367
E-Mail: uwe.bornscheuer(at)uni-greifswald.de

 

Kooperationspartner


Projektbeschreibung und  -zielsetzung

Enzymatische Prozesse gewinnen in der modernen Feinchemie ständig an Bedeutung. Diese Reaktionen können im Vergleich zur chemischen Katalyse häufig unter milderen Bedingungen bezüglich der Verwendung von organischen Lösungsmitteln und Prozessparametern wie Temperatur, Druck und pH-Wert durchgeführt werden. Ein weiterer ökologischer Vorteil von Biokatalysatoren beruht auf der Eigenschaft der Enzyme, eine Vielzahl von Reaktionen chemo-, regio- und stereoselektiv zu katalysieren. Zusätzlich können Biokatalysen mit weniger Reaktionsschritten im Vergleich zu chemischen Synthesen verlaufen, Ausbeuten gesteigert und Nebenprodukte minimiert werden. Biokatalytische Prozesse haben also ein erhebliches Potential zur Ressourcenschonung und Umweltentlastung.
Den größten Anteil an in der Feinchemie genutzten Biokatalysatoren haben derzeit Lipasen aus der Enzymklasse der Hydrolasen und Alkoholdehydrogenasen bzw. Ketoreduktasen aus der Enzymklasse der Oxidoreduktasen. Darüber hinaus finden einige wenige Lyasen (Hydroxynitrillyasen, Aldolasen, Nitrilhydratasen) und Transaminasen Verwendung. Aus synthetischer Sicht stellen oxidative Enzyme sehr interessante Biokatalysatoren dar, da diese es erlauben molekularen Sauerstoff direkt als Cosubstrat zu verwenden und so die Bildung von für nachfolgende Reaktionen hochinteressanten funktionalisierten Zwischenstufen bzw. Endprodukten zu erlauben. Zusätzlich können nicht-aktivierte Ausgangsverbindungen verwendet werden und direkt unter milden Reaktionsbedingungen in die gewünschten Produkte überführt werden, ohne das toxische Oxidationsmittel (z.B. Kaliumdichromat) bzw. gefährliche Chemikalien (z.B. Persäuren oder hochkonzentriertes Wasserstoffperoxid) eingesetzt werden müssen. Zu diesen in der Feinchemie bislang kaum genutzten Oxidoreduktasen gehören insbesondere Baeyer-Villiger Monooxygenasen (BVMO), P450-Monooxygenasen und Nicht-Häm-Oxygenasen.

Der geringe Einsatz dieser Enzyme ist vor allem auf folgende Gründe zurück zu führen:
• Mangelnde Zahl an Enzymen mit gewünschter Substratspezifität (Chemo-, Regio- und
Stereoselektivität)
• Problematische Expression der Enzyme in rekombinanter Form bzw. geringe Produktivität
der Wildstämme; u.a. dadurch bedingt:
• Geringe Verfügbarkeit der Enzyme im technischen Maßstab
• Oftmals zu niedrige spezifische Aktivität der Enzyme
• Notwendigkeit von Coenzymen, z.B. bei P450-Monooxygenasen
• Mangel an verfahrenstechnischer Realisierung oxidativer Reaktionen
• Nichtverfügbarkeit effizienter Aufarbeitungsstrategien

Die Überführung der Anwendung oxidativer Enzyme in die Herstellung von Chemikalien ist daher nur durch einen interdisziplinären Ansatz möglich, da Expertisen aus einer ganzen Reihe von Fachgebieten (Mikrobiologie, Molekularbiologie (insbesondere Expressionssysteme), Protein- Engineering, Organische Chemie, Fermentationstechnik, Technische Chemie) zur Lösung dieser Problematik notwendig sind. In diesem Vorhaben sollen daher diese Disziplinen durch Einbeziehung aller zu bearbeitenden Fachgebiete gebündelt werden und so die Entwicklung von Verfahren unter Einsatz dieser oxidativen Biokatalysatoren mit besonderem Schwerpunkt auf der Lösung der verschiedenen Bottlenecks durch Grundlagenforschung bis hin zur Produktion realisiert werden.

 

Projektkosten

Gesamtkosten:      2.678.808,00 €

Fördermittel:          1.222.444,00 €  (46%)

 



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