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In unserem Alltag sind Polymere weit verbreitet. In Form von funktionellen Polymeren werden sie u.a. als Wirk- oder Effektstoff eingesetzt. Sie bestehen aus einem Träger, an welchen über einen Spacer eine funktionelle Gruppe gebunden ist. Die Spacergruppen beeinflussen die chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften der Polymere bzw. ermöglichen diese erst. Dadurch stellen sie in der pharmazeutischen Industrie und der medizinischen Chemie Schlüsselbausteine dar.
Auch Monoester von symmetrischen Dicarbonsäuren oder symmetrischen Diolen werden für die Einführung von Spacergruppen verwendet. Sie können durch die Hydrolyse von Diestern oder Dioldiestern chemisch synthetisiert werden. Da diese Reaktion nicht selektiv erfolgt, entstehen Nebenprodukte wie Disäuren oder Diole, die die Ausbeuten schmälern und eine aufwändige Aufarbeitung notwendig machen. Selektive enzymatische Verfahren stellen eine echte Alternative dar, denn eine Trennung des Produkts vom Nebenprodukt ist nicht notwendig. Bisher sind nur wenige Enzyme bekannt und verfügbar, die zur Synthese von Monoestern verwendet werden können.
Ziel dieser Arbeit ist die Entdeckung neuer Lipasen und Carboxylesterasen als Biokatalysatoren zur Synthese von Monoestern, die zudem in ausreichender Verfügbarkeit generiert werden sollen. Als Gendonor und Expressionssystem diente hierfür die Hefe Blastobotrys raffinosifermentans. Die nicht-konventionelle, nicht-pathogene und thermotolerante Hefe B. raffinosifermentans weist ein breites Kohlenstoff- und Stickstoff-Quellen Spektrum auf, was sie für industrielle Anwendungen interessant macht. Aufgrund einer bereits vielfach eingesetzten, effizienten Transformationsmethode wurde die Hefe bereits zur Produktion verschiedener Proteine wie humanem Serumalbumin, Interleukin-6, Phosphatasen mit Phytase-Aktivität, Tannasen und einer Lipase eingesetzt. Die exzellenten Wachstumsparameter garantieren hohe Enzymausbeuten.
Insgesamt wurden in dieser Arbeit 30 putative Lipase- und Carboxylesterase-Gene in ihrem Genom durch Annotationsanalysen identifiziert. Diese Gene wurden isoliert, amplifiziert und in der Hefe selbst überexprimiert. Die Proteinextrakte der erzeugten Stämme wurden anschließend auf Esteraseaktivität getestet, wovon sieben Kandidaten das Substrat p-Nitrophenylbutyrat (pNP-Butyrat) hydrolysierten. Anschließend wurde mittels eines Assays untersucht, ob die Enzyme die Hydrolyse der Substrate Adipinsäurediethylester (DEA), Dimethyl trans-1,4-cyclohexandicarboxylat (DMCH), Terephthalsäurediethylester (DETS) und Decandiol-dimethacrylsäureester (DDMAE) katalysieren. Vier Kandidaten hydrolysierten DEA und DMCH und ein Extrakt eignete sich zur Hydrolyse von DETS. Es folgten eine Testung auf Selektivität mittels Gaschromatographie mit gekoppeltem Flammenionisationsdetektor und eine affinitätschromatographische Reinigung der fünf Proteine. Dabei stellten sich die drei Kandidaten Alip2-6hp, 6h-Best1p und 6h-Best2p, eine putative Lipase und zwei putative Carboxylesterasen, als potenziell geeignete Kandidaten heraus.
Anschließend erfolgte die biochemische Charakterisierung der drei Proteine. Das Temperatur-Optimum der Enzyme lag zwischen 31 °C und 41 °C und das pH-Optimum zwischen 6,6 und 7,0. Die Metallionen Fe2+, Fe3+ und Cu2+ inhibierten alle drei Biokatalysatoren und auch die Zugabe verschiedener Lösungsmittel verringerte ihre Aktivität. Die Untersuchung des Substratspektrums mit p-Nitrophenylestern mit Kettenlängen von C2 bis C18 zeigte eine Präferenz von Alip2-6hp für mittelkettige pNP-Ester mit einem Maximum bei pNP-Caproat und von 6h-Best1p und 6h-Best2p für kurzkettige pNP-Ester mit einem Maximum bei pNP-Acetat. 6h-Best1p und 6h-Best2p zeigen damit das für Carboxylhydrolasen typische Substratspektrum. Da Lipasen üblicherweise langkettige Substrate bevorzugen, wurde die Klassifizierung für Alip2-6hp mittels Tween 20- und Olivenöl-Agarplattentest weiter untersucht. Das positive Ergebnis dieser Untersuchung lässt auf eine Lipase schließen.
Zur Bestimmung der Selektivität der Enzyme wurde die Hydrolyse von DEA und DMCH zeitlich per GC-FID verfolgt. Nach Derivatisierung der Carboxylgruppen war die quantitative Auswertung zum Gehalt an Monoester, Diester und Disäure möglich. Es ließ sich damit die Hydrolyse von DEA mit 6h-Best1p bestätigen. Bessere Ergebnisse wurden mit Alip2-6hp für das Substrat DMCH erzielt und mit Abstand die schnellste Hydrolyse wurde mit DEA als Substrat erreicht. In gereinigter Form hydrolysierte Alip2-6hp das Substrat DEA selektiv zu MEA, sodass bis zu 96 % Monoester synthetisiert werden konnten. Im Vergleich dazu wird MEA deutlich langsamer hydrolysiert.
Zusätzlich wurden fünf unterschiedliche Formulierungen des Enzyms Alip2-6hp mit dem Substrat DEA getestet: (1) Rohextrakt, (2) freies, gereinigtes Enzym, (3) immobilisiertes, gereinigtes Enzym (Beads) und als Ganzzellkatalysatoren (4) permeabilisierte (Triton-) Zellen und (5) permeabilisierte, immobilisierte (Triton-) Zellen. Die vielversprechendsten Ergebnisse wurden mit isoliertem gereinigtem Enzym erzielt. DEA wurde vollständig und spezifisch zu MEA umgesetzt.
Zur Gewährleistung einer ausreichenden Verfügbarkeit der Enzyme erfolgte die Kultivierung der Überexpressionsstämme im Fermenter im Fed-batch. Der Alip2-6hp produzierende Hefestamm erbrachte Aktivitäten von 674 U L-1, während der 6h-Best2p Überexpressionsstamm 2239 U L-1 produzierte.
This work investigated the enzymatic degradation of polyethylene terephthalate (PET) (ArticlesI and II) and polyvinyl alcohol (PVA) (Article III). Physical or chemical degradation of plastic polymers is often performed under extreme conditions like high temperatures or pressure. In comparison to that, recycling of plastics with enzymes can be carried out at ambient temperatures and neutral pH. Enzymes themselves are non- toxic, environmentally friendly, and have been used successfully in a variety of industrial processes.
Enzymatic degradation of polyesters is well studied. Their heteroatomic backbone, which is connecting monomers via ester bonds offers a target for an enzymatic attack. Especially PET, one of the most common polyesters, has been in the focus of research. The first enzyme capable of degrading the polymer was found in 2005. Since then, researchers discovered several enzymes with similar functions and subjected them to enzyme engineering. Improving the enzyme's substrate affinity, activity, and stability aims at making PET recycling more efficient. Article I provides an overview of limitations that enzymatic PET recycling is still facing and the research carried out to overcome them. More precisely, enzyme−substrate interactions, thermostability, catalytic efficiency, and inhibition caused by oligomeric degradation intermediates are summarized and discussed in detail.
Article II further addresses one of the above-mentioned limitations, namely product inhibition of PET hydrolyzing enzymes. We elucidated the crystal structure of TfCa, a carboxylesterase from Thermobifida fusca (T. fusca), and applied semi-rational enzyme engineering. The article discusses the structure-function relationship of TfCa based on the apo-structure as well as ligand-soaked structures. Furthermore, it compares the structures of TfCa and MHETase, another PET hydrolase helper enzyme. Lastly, we determined the substrate profile of the carboxylesterase based on terephthalate-based oligo-esters of various lengths and one ortho-phthalate ester. In a dual enzyme system, TfCa degraded intermediate products derived from the PET hydrolysis of a variant of PETase hydrolase from Ideonella sakaiensis (I. sakaiensis). The dual enzyme system utilized PET more efficiently in comparison to solely PETase due to relieved product inhibition. Since TfCa successfully degraded oligomeric intermediates, the reaction not only released terephthalic acid as the sole product but also increased the overall product yield.
While PET contains an ester bond that can be attacked and hydrolyzed by esterases or lipases, PVA consists of a homoatomic C-C-backbone with repeating 1,3-diol units. The polymer is water soluble with remarkable physical properties such as thermostability and viscosity. PVA is often described as biodegradable, but microbial degradation is slow and frequently involves cost-intensive cofactors. In this study, we present an improved PVA polymer with derivatized side chains and an enzyme cascade that can degrade not only modified but also unmodified PVA in a one-pot reaction. The enzyme cascade consists of a lipase, an alcohol dehydrogenase (ADH), and a Baeyer-Villiger monooxygenase (BVMO). In comparison to the scarcely published research on PVA degradation with free enzyme, this cascade is not only independent from the frequently required cofactor pyrroloquinoline quinone (PQQ) but, in principle, contains an in vitro cofactor recycling mechanism.
Promiscuous Dehalogenase Activity of the Epoxide Hydrolase CorEH from Corynebacterium sp. C12
(2021)
Haloalkane dehalogenases and epoxide hydrolases are phylogenetically related and structurally homologous enzymes that use nucleophilic aspartate residues for an SN2 attack on their substrates. Despite their mechanistic similarities, no enzymes are known that exhibit both epoxide hydrolase and dehalogenase activity. We screened a subset of epoxide hydrolases, closely related to dehalogenases, for dehalogenase activity and found that the epoxide hydrolase CorEH from Corynebacterium sp. C12 exhibits promiscuous dehalogenase activity. Compared to the hydrolysis of epoxides like cyclohexene oxide (1.41 μmol min–1 mg–1), the dehalogenation of haloalkanes like 1-bromobutane (0.25 nmol min–1 mg–1) is about 5000-fold lower. In addition to the activity with 1-bromobutane, dehalogenase activity was detected with other substrates like 1-bromohexane, 1,2-dibromoethane, 1-iodobutane, and 1-iodohexane. This study shows that dual epoxide hydrolase and dehalogenase activity can be present in one naturally occurring protein scaffold.
Long-chain aliphatic amines such as (S,Z)-hepta- dec-9-en-7-amine and 9-aminoheptadecane were synthesized from ricinoleic acid and oleic acid, respectively, by whole-cell cascade reactions using the combination of an alcohol dehydrogenase (ADH) from Micrococcus luteus, an engi- neered amine transaminase from Vibrio fluvialis (Vf-ATA), and a photoactivated decarboxylase from Chlorella variabilis NC64A (Cv-FAP) in a one-pot process. In addition, long chain aliphatic esters such as 10-(heptanoyloxy)dec-8-ene and octyl- nonanoate were prepared from ricinoleic acid and oleic acid, respectively, by using the combination of the ADH, a Baeyer– Villiger monooxygenase variant from Pseudomonas putida KT2440, and the Cv-FAP. The target compounds were produced at rates of up to 37 U g1 dry cells with conversions up to 90 %. Therefore, this study contributes to the preparation of industrially relevant long-chain aliphatic chiral amines and esters from renewable fatty acid resources.
Die Hälfte der globalen Primarproduktion wird in den Ozeanen realisiert und dabei wird ein großer Anteil des fixierten CO2 genutzt, um Algenpolysaccharide zu synthetisieren. Diese Kohlenhydrate dienen als wichtige Kohlenstoff- und Energiequelle für marine Nahrungsnetze, wobei sie von kohlenhydrataktiven Enzymen zu monomeren Zuckern umgesetzt werden. Da bisher wenig über den enzymatischen Abbau von Algenpolysacchariden in den Ozeanen bekannt ist, war es das Ziel dieser Arbeit, zu einem tieferen Verständnis dieser Prozesse beizutragen.
O-Methylierungen stellen stabile Modifikationen an Zuckern in marinen und terrestrischen Polysacchariden dar. Es wurde in Artikel I gezeigt, dass Cytochrom P450 Monooxygenasen eine wichtige Funktion in enzymatischen Abbausystemen aus marinen Bakterien für Agar haben, wobei diese Enzyme die oxidative Demethylierung von 6-O-Methyl-D-galaktose, einem Monomer aus Rotalgenpolysacchariden, katalysieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass es sich bei der P450-Subfamilie CYP236A um die zweite beschriebene Gruppe von kohlenhydrataktiven Monooxygenasen handelt. Die charakterisierten P450s sind hochspezifisch für 6-O-Methyl-D-galaktose und akzeptieren keine typischen P450-Substrate. Um die molekularen Faktoren für den spezifischen Umsatz dieses polaren Substrates aufzuklären, wurde Proteinkristallografie genutzt (Artikel II). Die Kristallstruktur der P450 Monooxygenase aus Z. galactanivorans mit gebundenem Substratmolekül zeigt, dass sowohl Wasserstoffbrückenbindungen als auch hydrophobe Interaktionen an der Substraterkennung beteiligt sind, was zusätzlich durch ITC sowie Mutationsstudien bestätigt wurde.
Schnellwachsende Grünalgen der Gattung Ulva führen weltweit zu gefährlichen Algenblüten. Ein Hauptbestandteil der gebildeten Biomasse stellt das anionische Polysaccharid Ulvan dar. Bisher war der enzymatische Ulvanabbau kaum verstanden, was die sinnvolle Nutzung von Ulva-Biomasse erschwerte. Die detaillierte biochemische Charakterisierung einer Ulvanlyase auf F. agariphila wird in Artikel III gezeigt. Dieses Enzym katalysiert den ersten Schritt im Ulvanabbau und die biochemischen Parameter stimmen mit den Umweltbedingungen in Küstenbereichen des gemäßigten Ozeans überein, dem Habitat, aus dem dieses Bakterium isoliert wurde. Alle nachfolgenden Schritte im kompletten enzymatischen Ulvanabbau wurden aufgeklärt und sind in Artikel IV zum ersten Mal beschrieben. Insgesamt 13 Enzyme aus den Klassen der Polysaccharidlyasen, Glykosidhydrolasen sowie Sulfatasen agieren in einer komplexen Kaskade zusammen, um schlussendlich monomere Zucker aus Ulvan bereitzustellen.
Die gezeigten Identifizierungen und Charakterisierungen von neuen kohlenhydrataktiven Enzymen tragen nicht nur zu einem besseren Verständnis der Vorgänge im marinen Kohlenstoffkreislauf bei, sondern bilden zudem die Grundlage für zukünftige biotechnologische Prozesse. Eine effiziente enzymatische Depolymerisation der Algenpolysaccharide ist nötig, um Bioraffineriekonzepte basierend auf Algenkohlenhydraten zu realisieren. Dabei können über mikrobielle Fermentation Biokraftstoffe der zweiten Generation oder andere nützliche Produkte hergestellt werden.
Biocatalytic Production of Amino Carbohydrates through Oxidoreductase and Transaminase Cascades
(2019)
Plant-derived carbohydrates are an abundant renewable re- source. Transformation of carbohydrates into new products, in- cluding amine-functionalized building blocks for biomaterials applications, can lower reliance on fossil resources. Herein, bio- catalytic production routes to amino carbohydrates, including oligosaccharides, are demonstrated. In each case, two-step bio- catalysis was performed to functionalize d-galactose-contain- ing carbohydrates by employing the galactose oxidase from Fusarium graminearum or a pyranose dehydrogenase from
Agaricus bisporus followed by the w-transaminase from Chro- mobacterium violaceum (Cvi-w-TA). Formation of 6-amino-6- deoxy-d-galactose, 2-amino-2-deoxy-d-galactose, and 2-amino- 2-deoxy-6-aldo-d-galactose was confirmed by mass spectrome- try. The activity of Cvi-w-TA was highest towards 6-aldo-d-gal- actose, for which the highest yield of 6-amino-6-deoxy-d-galac- tose (67%) was achieved in reactions permitting simultaneous oxidation of d-galactose and transamination of the resulting 6- aldo-d-galactose.
Das bisherige Wissen über den Einfluss von pharmazeutischen Hilfsstoffen auf die Funktion von Arzneistofftransportern ist insbesondere für die pharmakokinetisch bedeutsame Gruppe der Aufnahmetransporter sehr beschränkt. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten in vitro Untersuchungen liefern umfangreiche und systematische Daten zu inhibitorischen Effekten von häufig verwendeten pharmazeutischen Hilfsstoffen auf die Transportfunktion der in vielen pharmakologisch bedeutsamen Geweben exprimierten organic cation transporter (OCT) 1-3 sowie H+/peptide cotransporter (PEPT) 1/2. Für viele dieser pharmakokinetisch-relevanten Aufnahmetransporter sind es die erstmals beschriebenen Interaktionen mit pharmazeutischen Hilfsstoffen.
Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der pharmazeutische Hilfsstoff Cremophor® EL (CrEL) neben der bereits bekannten Hemmung von Phase-I-Metabolismus und Effluxtransport auch die zelluläre Aufnahme von Arzneistoffen beeinflusst, wie am klinisch relevanten Beispiel des Doxorubicin dargestellt wurde. Hierbei beeinflusste der genannte Hilfsstoff die zelluläre Akkumulation von Doxorubicin über die Aufnahmetransporter organic anion transporting polypeptide (OATP) 1A2 sowie OCT1, OCT2 und OCT3 in artifiziellen Zellmodellen und zeigte sich zudem auf funktioneller Ebene anhand einer erheblich veränderten Zytotoxizität in MDA-MB-231 Brustkrebszellen. Auf diesem Wege könnten pharmazeutische Hilfsstoffe zusammen mit Transporter-Polymorphismen wie beispielsweise für OATP1A2, deren Rolle für Doxorubicin in dieser Arbeit auch untersucht wurde, für unaufgeklärte Veränderungen sowie Variabilität der Pharmakokinetik, Effektivität und Sicherheit von Arzneistoffen verantwortlich sein.
Die spezifische Normalisierung von in vitro Transportdaten auf den Transportproteingehalt anstelle des Gesamtproteingehaltes kann dabei zur erheblichen Verbesserung der Beurteilung von Transportaktivitäten einzelner Transportproteine sowie deren Beteiligung am Transportprozess eines Arzneistoffes beitragen, wie für die Aufnahme von Doxorubicin und der damit assozierten Zytotoxizität über die OATP1A2-Varianten gezeigt werden konnte.
In der durchgeführten in vivo Studie zeigten sich durch CrEL hervorgerufene Veränderungen in der systemischen Pharmakokinetik sowie noch weit drastischere Auswirkungen auf die Akkumulation des Modellarzneistoffes Clarithromycin (CLA) am Wirkort in der Lunge. Die Hemmung des Cytochrom P450 (CYP) 3A-Metabolismus und des multidrug resistance protein 1 (ABCB1)-vermittelten Effluxtransportes in Leber, Nieren und alveolären Makrophagen konnte hierbei als möglicher Mechanismus für die erhöhte Exposition von CLA im Blutplasma und in den bronchoalveolären Lavage-Zellen identifiziert werden. Allerdings ist die Interpretation von derartigen in vivo-Befunden aufgrund des komplexen und zum Teil simultan ablaufenden Wechselspiels von zahlreichen Aufnahme- und Effluxtransportern sowie von Metabolisierungsenzymen nicht eindeutig konklusiv.
Derartiges Wissen zur Interaktion pharmazeutischer Hilfsstoffe mit pharmakologisch bedeutsamen Enzymen und Transportern kann dazu beitragen, gewünschte Wirkungen zu verstärken sowie unerwünschte Effekte zu minimieren. Das Zusammenspiel der Einflüsse von pharmazeutischen Hilfsstoffen auf Metabolismus, Efflux und Aufnahme kann somit sowohl zu synergistischen als auch zu antagonistischen Effekten auf die Absorption, Verteilung und Elimination eines Arzneistoffes führen. Weiterhin sollte berücksichtigt werden, dass viele Erkrankungsbilder sowie Polymorbidität nicht selten die Therapie mit mehreren Arzneimitteln erfordern, welches auch mit einem erhöhten Risiko für Arzneistoff-Hilfsstoff-Interaktionen verbunden ist.
Die Erkenntnisse dieser Arbeit zum Einfluss von häufig verwendeten Hilfsstoffen auf die Funktion von Arzneistofftransportern unterstreichen, dass von den zunächst als pharmakologisch inert eingestuften Substanzen in Arzneimitteln durchaus pharmakokinetische Effekte ausgehen können.
Dieses Wissen sollte insbesondere bei der präklinischen Entwicklung von Arzneistoffen berücksichtigt werden. Andernfalls drohen möglicherweise Fehlinterpretationen, wenn neue Entwicklungskandidaten in Anwesenheit von pharmazeutischen Hilfsstoffen (z.B. zur Verbesserung der Löslichkeit) auf ihre Affinität zu Metabolisierungsenzymen und Transportern geprüft werden.
Neben der etablierten Anwendung als pharmazeutischer Hilfsstoff rückt in der letzten Zeit auch vermehrt die Nutzung von beispielsweise Cyclodextrinen wie Hydroxypropyl-β-cyclodextrin als Wirkstoff zur Behandlung von Krankheiten wie Krebs oder Arteriosklerose in den Fokus der Forschung. Weitere Untersuchungen zum Einfluss von pharmazeutischen Hilfsstoffen und deren Potential zur Interaktion mit Arzneistoffen, der Optimierung bestehender Therapien sowie möglicher Anwendungen als Wirkstoff sollten im Fokus künftiger in vitro und in vivo Studien stehen.
In this work, the discovery, expression and characterization of new eukaryotic Baeyer-Villiger monooxygenases (BVMOs) from yeasts has been shown. A rational design of one of these enzymes led to the identification of key residues to alter the sulfoxidation activity of this group of enzymes. Additionally, in another rational design approach, the cofactor specificity of the BVMO cyclohexanone monooxygenase from Acinetobacter calcoaceticus could be substantially altered to accept the much cheaper and therefore industrially more relevant cofactor NADH.
In this work, the regioselectivity of different Baeyer-Villiger monooxygenases (BVMOs) for the conversion of selected substrates was reversed or improved by protein engineering. These studies highlight the importance of substrate positioning for the regioselectivity and that the position of the substrate can be efficiently influenced by introducing proper mutations. It was shown that the beneficial mutations for all BVMOs were partly in corresponding positions. Additionally, the sulfoxidation activity and the stability of BVMOs were targeted and improved by applying protein engineering.
This thesis is about the establishment and the application of novel methods and tools that are re-lated to the most widely used enzyme class: hydrolases. It covers all fields from the identification to the application of these valuable enzymes with particular focus on lactonases, acylases and proteases. The activity assay introduced in Article I substantially extends the method toolbox for studies on lactonases and acylases that interfere with the bacterial cell-cell communication system. Article II describes a fully automatized robotic platform that represents the next-level tool for the high-throughput enzyme screening in the microtiter plate format. It was used, for instance, for the screening for improved porcine aminoacylase I variants. Diverse aspects of the protease-mediated hydrolysis of non-resistant proteins for the purification of resistant target proteins are highlighted in Article III.