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This thesis deals with the characterisation and engineering of new thermophilic PET hydrolases as potential candidates for an eco-friendly biocatalytic recycling approach for the upcycling or downcycling of polyethylene terephthalate (PET) on industrial scale. Furthermore, high-throughput screening methods are described that detect the products of PET hydrolysis. The high demand of PET in the packaging and textile industries with a global production of 82 million metric tons per year has significantly contributed to the global solid waste stream and environmental plastic pollution after its end-of-life. Although PET hydrolases have been identified in various microorganisms, only a handful of benchmark enzymes have been engineered for industrial applications. Therefore, the identification of new PET hydrolases from metagenomes or via protein engineering approaches, especially thermophilic PET hydrolases with optimal operating temperatures (i.e., increased thermostability and activity) near the glass transition temperature of the polymer PET, is a crucial step towards a bio-based circular plastic economy. Article I demonstrates that metagenome-derived thermophilic PET hydrolases can be significantly improved using different engineering approaches to achieve a similar activity level as the well-established leaf-branch-compost cutinase (LCC) F243I/D238C/S283C/Y127G variant (LCC ICCG). In Article II, thermostable variants of a mesophilic enzyme (PETase from Ideonella sakaiensis) were identified from a mutant library and characterised against PET substrates in various forms. Articles III and IV describe the application of high-throughput methods for the identification of novel PET hydrolases by directly assaying terephthalic acid (TPA), one of the monomeric building blocks of PET. Furthermore, Article IV describes the possibility of a one-pot conversion of the TPA-based aldehydes produced to their diamines as example for an open-loop upcycling method.
This thesis focuses on the establishment of biocatalytic cascade reactions for the production and detection of industrially relevant flavor and fragrance compounds for food and cosmetic products. To meet the consumer’s demand for those products to be natural, environmentally friendly biocatalytic manufacturing processes that operate GMO-free must be established. Thus, this thesis presents such pathways for the production of an industrially relevant long-chain hydroxy fatty acid and the important flavor and aroma compound raspberry ketone. Furthermore, a biosensor for aldehyde detection was implemented to facilitate screening for suitable biocatalysts that produce industrially relevant aldehydes that are widely applied in the flavor and fragrance industry.
Entdeckung und Design promiskuitiver Acyltransferase‐Aktivität in Carboxylesterasen der Familie VIII
(2021)
Promiscuous acyltransferases enable transesterification reactions in bulk water by preferentially catalyzing acyl transfer over hydrolysis. Until recently, only a small number of promiscuous acyltransferases have been described in the literature, exhibiting several limitations in terms of acyltransferase efficiency and applicability. This work focuses on the discovery of novel promiscuous acyltransferases and the engineering of promiscuous acyltransferases via rational design. Several promiscuous acyltransferases in the bacterial hormone-sensitive lipase family and family VIII carboxylesterases have been identified, demonstrating that promiscuous acyltransferase activity is not a rare phenomenon. Moreover, the efficiency and applicability of the enzymes could be improved via protein engineering in terms of acyltransferase activity, enantioselectivity, and substrate scope.
Unter promiskuitiver Acyltransferase-Aktivität versteht man die Eigenschaft bestimmter Hydrolasen, in wässriger Lösung bevorzugt Acyltransfer statt Hydrolyse zu katalysieren. Bis vor Kurzem waren nur wenige promiskuitive Acyltransferasen literaturbekannt. Dies führte zu der allgemeinen Annahme, dass diese Aktivität ein seltenes Phänomen in Hydrolasen ist. Diese Arbeit zeigt jedoch, dass promiskuitive Acyltransferase-Aktivität in der Familie der bakteriellen hormonsensitiven Lipasen und Carboxylesterasen der Familie VIII weit verbreitet ist. Detaillierte Struktur-Funktions-Analysen ermöglichen die sequenzbasierte Vorhersage und Optimierung der Acyltransferase-Aktivität in beiden Enzymfamilien. Insbesondere die Carboxylesterasen der Familie VIII überschreiten die Grenzen des bisher für möglich Gehaltenen, indem sie gute Enantioselektivität bei der kinetischen Racematspaltung sekundärer Alkohole zeigen und darüber hinaus die irreversible Bildung von Amiden und Carbamaten in Wasser katalysieren können. Die biokatalytische Acylierung von Zuckern in Wasser galt lange Zeit als unerreichtes Ziel der Biokatalyse. In dieser Arbeit wurde jedoch gezeigt, dass natürlich vorkommende und modifizierte Carboxylesterasen der Familie VIII die regioselektive Acetylierung von Glucose, Maltose und Maltotriose in Wasser mit hoher Effizienz katalysieren können.
In 2010, the identification of 17 novel (R)-ATAs represented a breakthrough for the biocatalytic asymmetric synthesis of chiral amines, because only one (R)-ATA was described before. These novel ATAs were identified in a bioinformatic approach by studying the substrate acceptance of BCATs and DATAs to deduce the unknown substrate coordination of (R)-ATAs. Article I describes an alternative approach for the identification of (R)-ATA activity by reengineering the substrate- recognition site of α-AATs. While the engineering of the eBCAT led to the formation of an initial (R)-amine acceptance only, the (R)-ATA activity was successfully introduced in the DATA scaffold. These results demonstrate the transformation of an α-AAT in a moderately active (R)-ATA for the first time and highlight the evolutionary relationship between α-AATs and ATAs. Despite the availability of different ATAs nowadays, their substrate spectrum is limited due to the natural composition of their active sites. Several protein-engineering studies showed the widening of the substrate spectrum and the acceptance of bulky substrates by screening large mutant libraries to identify beneficial variants. In Article II, we developed an in silico engineering approach for amine transaminases to improve the conversion of bulky substrates and to reduce the number of variants to be tested in the laboratory. The resulting double-mutants of the (S)-ATA from C. violaceum displayed a >200-fold improved activity towards the bulky benchmark substrate. These variants expand the available biocatalytic toolbox for the synthesis of bulky amines, and the developed framework paves the way for rational protein-engineering protocols.
By studying unconventional transaminase substrates, we explored the potential of the available in- house transaminase toolbox in Articles III, IV, V, and VI. In Article III, we showed the transamination of a β-keto ester, leading to the synthesis of β-phenylalanine. The described cascade in Article IV enables the synthesis of amino carbohydrates. In addition, Article V describes an enzymatic cascade for the synthesis of amino fatty acids, which was extended in Article VI to obtain fatty amines.
The findings of this thesis clearly contribute to the understanding of the substrate scope and specificity of amine transaminases and expand the application of this versatile biocatalyst beyond classical ketone substrates.
Über 40% der derzeit verwendeten Arzneimittel beinhalten Amine als Wirkstoff. Vor allem die Chiralität dieser Moleküle stellt eine immer größere Bedeutung dar. Chirale Moleküle unterscheiden sich in der räumlichen Anordnung der Atome um das chirale Zentrum. Nicht selten besitzen Naturstoffe ein solches chirales Zentrum und sind asymmetrisch aufgebaut. In diesem Zusammenhang ist es nicht verwunderlich, dass die in der Medizin eingesetzten Wirkstoffe einen unterschiedlichen Wirkungsgrad je nach chiraler Konfiguration aufweisen.
Ziel dieser Arbeit war es neue Methoden zur stereoselektiven Synthese chiraler Amine zu untersuchen. Im Gegensatz zu herkömmlichen chemischen Synthesen, die beispielsweise auf Übergangsmetalle als Katalysatoren setzen, stellen Enzyme als Katalysatoren eine interessente Alternative dar. Stereo-, Regio- und Chemoselektivität ist Enzymen oft von Natur aus gegeben. Im Mittelpunkt der enzymatischen asymmetrischen Synthese optisch aktiver Amine standen bisher Amintransaminasen (ATA), die eine Aminogruppe von einem Amin (Aminodonor) auf ein Keton (Aminoakzeptor) transferieren. Diese Enzyme sind jedoch auf die Synthese primärer Amine beschränkt, sekundäre und tertiäre Amine sind nicht zugänglich. Eine Alternative hierzu stellen Iminreduktasen (IREDs) dar. Dabei handelt es sich um NADPH-abhängige Enzyme, die eine Reduktion von Iminsubstraten zu optisch aktiven Aminen katalysieren. Vor allem die IRED-katalysierte reduktive Aminierung steigerte das Interesse dieser Enzymklasse. In einer reduktiven Aminierung wird nicht das Imin selbst als Substrat eingesetzt, sondern eine prochirales Keton. Dieses formt mit einem Aminsubstrat (Nukleophil) ein Imin und wird anschließend reduziert. Durch diesen Reaktionsweg sind IREDs nicht nur auf zyklische Substrate beschränkt, auch instabile azyklische Imine werden zugänglich.
Die reduktive Aminierung mittels Iminreduktase wurde erstmalig im Jahr 2014 beschrieben und war zu Beginn dieser Arbeit nur als "Proof of Concept" gezeigt worden. Im Rahmen dieser Promotionsarbeit konnte gezeigt werden, dass diese Enzyme die Möglichkeit bieten, optisch aktive Amine mit hohen Umsätzen und Enantiomeren- bzw. Diastereomerenüberschüssen zu synthetisieren.
β-chirale Amine, wie zum Beispiel Pregabalin und Baclofen, sind Verbindungen von großem Interesse insbesondere für die pharmazeutische Industrie. Biokatalytische Herstellungsverfahren, vor allem Aminierungsreaktionen, sind bisher nur geringfügig untersucht worden und werden nach aktuellem Wissenstand bis auf die Synthese von Niraparib noch nicht in großtechnischem Maßstab eingesetzt. Wünschenswert ist die Etablierung einer Synthese, welche (S)-Pregabalin bzw. (R)-Baclofen in hohen Ausbeuten liefert, da diese beiden Enantiomere jeweils die höhere biologische Wirksamkeit aufweisen.
Ziel dieser Arbeit war die Synthese von Pregabalin und Baclofen als Modellverbindungen für β-chirale Amine mit Hilfe einer selektiven Amintransaminase oder Amindehydrogenase.
Zunächst wurde erfolgreich mit Hilfe der Gaschromatographie bzw. HPLC jeweils eine chirale Analytik für die beiden Reaktionsprodukte sowie die Baclofen-Derivate etabliert, die stabil reproduzierbar und auch zur Quantifizierung geeignet war. Auch für 3-(4-Chlorphenyl)-4-oxo-buttersäure-t-butylester konnte eine GC-Methode entwickelt werden, die Aufschluss über die Konzentration und den Enantiomerenüberschuss gab.
Die vier zur Verfügung gestellten Amindehydrogenasen konnten erfolgreich exprimiert und mittels IMAC-Methode gereinigt werden. Trotz geringer Aktivitäten in einem photometrischen NADH-Assay konnte jedoch keine Produktbildung nachgewiesen werden. Eine Kollektion von ca. 150 Amintransaminasen wurde bezüglich der Desaminierung von Pregabalin und Baclofen mittels Dünnschichtchromatographie untersucht. In Richtung der Aminierung wurde ein photometrischer Acetophenon-Assay verwendet. Dabei wurden für Pregabalin sechs und für Baclofen 17 potenzielle Kandidaten ermittelt. Besonders vielversprechend war die Variante 3FCR 59W 87L 231A 382M 429A (3FCR_5M), welche 3-(4-Chlorphenyl)-4-oxo-buttersäure-t-butylester als Substrat akzeptierte. Nach der Ermittlung eines geeigneten Aminodonors und Optimierung der Reaktionsbedingungen konnten Umsätze bis zu 90% bei 99%ee (R) mit IMAC-gereinigter 3FCR_5M erzielt werden.
Um Kosten für ein späteres großtechnisches Verfahren einzusparen, sollte die Reaktion ebenfalls für den Einsatz von Zellextrakt optimiert werden. Dabei wurde beobachtet, dass geringere Enantiomerenüberschüsse erzielt wurden als mit dem gereinigten Enzym und der Substratverbrauch höher als die Produktbildung war. Als mögliche Ursachen wurden der Umsatz des Substrats durch ein E. coli eigenes Enzym, beispielsweise eine Aldehydreduktase oder Aldehyddehydrogenase, sowie eine Beeinflussung der Enantioselektivität durch die veränderte chemische Umgebung oder den selektiven Entzug des gewünschten Substrat-Enantiomers durch eine selektive Nebenreaktion hypothetisiert. Dieses Phänomen konnte durch eine vorgeschaltete Reinigung mittels fraktionierender Ammoniumsulfat-Fällung jedoch erfolgreich umgangen werden. Mit dieser Methode konnten vergleichbar hohe Umsätze und Enantiomerenüberschüsse wie mit dem IMAC-gereinigten Enzym erreicht werden.
Bei ersten Vorversuchen zum Up-Scaling der Reaktion wurde festgestellt, dass eine höhere Substratkonzentration nicht einen proportional höheren Umsatz zur Folge hatte, jedoch konnte der Umsatz durch eine versetzte Zugabe der Enzymlösung gesteigert werden, sodass ein Prozess mit diesem Biokatalysator in seiner aktuellen Form eine kontinuierliche Zugabe erfordern würde. Praktikabel wäre einer Verminderung der Substrat-Inhibierung und Erhöhung der Enzymstabilität durch weiteres Protein-Engineering. Auch zur Produktion von 3FCR_5M im größeren Maßstab wurden Experimente vorgenommen. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine vielversprechende Expression im Bioreaktor bei einer kontinuierlichen Temperatur von 30°C und einer Expressionsdauer von sieben Stunden. Nach einigen Optimierungsschritten konnte im Bioreaktor die zwanzigfache volumetrische Aktivität im Vergleich zur Expression im Schüttelkolben erzeugt werden.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass in der vorliegenden Arbeit, trotz weiterem Optimierungsbedarf, eine sehr gute Grundlage für die Transaminase-vermittelte Synthese von (R)-Baclofen geschaffen wurde. In zukünftigen Arbeiten sollte die Optimierung der Reaktion in großem Maßstab im Fokus stehen.
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.
Chiral amines represent high-value fine chemicals serving as key intermediate products in pharmaceutical, chemical and agrochemical industries. In the past decades, application of amine transaminases (ATAs) for stereoselective amination of prochiral ketones emerged to an environmentally benign and economically attractive alternative to transition metal-catalyzed asymmetric synthesis to afford optically pure amines at industrial scale. However, the restricted substrate scope of wild-type transaminases prohibited the conversion of particularly sterically demanding substrates, making protein engineering indispensable. The following thesis covers elaboration of a novel assay for transaminases (Article I) and identification and development of transaminase variants in order to achieve biocatalytic preparation of a set of pharmaceutically relevant model amines, ideally in optically pure form for both stereoisomers, preferentially using asymmetric synthesis and most preferably using isopropylamine as cost-efficient amine donor co-substrate (Article II-IV). The aforementioned target amines and the corresponding precursor ketones (see Scheme 4.1) were conceived and provided by the company F. Hoffmann-La Roche to attain suitable biocatalysts for a variety of potential intermediates for active pharmaceutical ingredients. Protein engineering of the transaminase scaffolds investigated in this thesis comprised: Initial screening for suitable starting enzyme scaffolds, structure-guided rational design of these scaffolds to enable bulky planar substrate acceptance, elaboration of a sequence motif, verification of the motif and preparative-scale asymmetric synthesis reactions (Article II). For non-planar and structurally different target substrates, namely spatially bulky or bi-cyclic bridged substrates, the transaminase variants were specifically refined and a different evolutionary route had to be pursued (Article III and Article IV). These results (Article II) represent not only the first successful endeavor to engineer a PLP-fold type I amine transaminase (commonly denoted as (S)-selective) for the conversion of highly sterically demanding substrates, but also generally expanded the scope of available fold type I amine transaminases by enzymes having a novel and exceptionally broad substrate spectrum. Aside from structure-guided rational protein engineering, as well non-rational methods, such as site-specific saturation mutagenesis or directed evolution, were applied for protein-engineering. In order to do so for all of the target compounds, a novel high-throughput solid phase activity assay for transaminases that was actually developed during the master thesis, was refined and published (Article I). In the context of this thesis, the same assay principle was as well adapted for quantification of specific activities in liquid phase (Article III). A comparison of different methodologies for developing agar plate assays and a detailed step by step protocol of our transaminase assay are illustrated in a book chapter.