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Im Rahmen dieser Dissertation wurden Gene von Baeyer-Villiger-Monooxygenasen (BVMOs) aus Cylindrocarpon radicicola ATCC 11011 identifiziert und die Enzyme im Vergleich mit prokaryotischen BVMOs charakterisiert. Ziel dabei war es, das enzymatische Potenzial dieses filamentösen Pilzes bezüglich der biokatalytischen Baeyer-Villiger-Oxidation zu evaluieren.
Da das Genom von C. radicicola nicht sequenziert war, wurden zur Auffindung neuer BVMO-Sequenzen Methoden der Proteinaufreinigung sowie eine Identifizierung über molekularbiologische Ansätze angestrebt. Die BVMO konnte jedoch nicht über eine Aufreinigung aus dem Zellextrakt von C. radicicola, unter Anwendung eines dreistufigen Reinigungsprotokolls, in der für nachgelagerte Untersuchungen erforderlichen Reinheit gewonnen werden. Aus diesem Grund erfolgte die Identifizierung von BVMO-Sequenzen mit Hilfe molekularbiologischer Methoden. Mit degenerierten Primern, welche konservierte Sequenzbereiche bekannter BVMOs enthielten und über die CODEHOP-Strategie abgeleitet wurden, konnten drei zu BVMOs homologe Sequenzfragmente amplifiziert und identifiziert werden. Zwei der Sequenzen waren homolog zu putativen pilzlichen Steroidmonooxygenasen (STMOs). Durch Sequenzvergleiche konnte gezeigt werden, dass diese Sequenzen vermutlich kryptische Gene darstellen. Aus diesem Grund erfolgten keine weiteren Untersuchungen zu diesen zwei Sequenzen. Es gelang jedoch, eine der aus C. radicicola neu identifizierten Sequenzen funktionell in E. coli überzuexprimieren, wobei diese in weiteren Untersuchungen als Cycloalkanonmonooxygenase (CAMO) identifiziert werden konnte. Die Primärstruktur dieser BVMO besteht aus 531 Aminosäureresten, welche ca. 45% Sequenzidentität zu bekannten Cyclohexanonmonooxygenasen (CHMOs) aufweisen. Die Expression des mit aminoterminalem Hexahistidintag fusionierten Proteins wurde erfolgreich auf einen 20-Liter-Maßstab vergrößert und die CAMO nachfolgend aufgereinigt. Die CAMO weist ein breites Substratspektrum auf, wobei ein Umsatz vieler cycloaliphatischer und bicycloaliphatischer Ketone ermittelt werden konnte. Dabei ist die hohe katalytische Effizienz gegenüber Cyclobutanon als eine besondere Eigenschaft dieser BVMO hervorzuheben. Für die CAMO konnte kein Umsatz von Steroiden ermittelt werden. Neben der Oxygenierung von Cycloalkanonen konnte für das Enzym eine Aktivität gegenüber offenkettigen Ketonen wie Cyclobutyl-, Cyclopentyl- und Cyclohexylmethylketon nachgewiesen werden. Die neu beschriebene eukaryotische BVMO katalysiert folglich Reaktionen, die bisher für viele prokaryotische BVMOs - so insbesondere CHMOs - nicht beschrieben wurden. Die nachgewiesene Fähigkeit von C. radicicola, mit Cyclohexanon als einziger Kohlenstoff- und Energiequelle zu wachsen, deutet auf eine katabole Funktion der Umsetzung von Cycloalkanonen hin. Diese Eigenschaft ist für Sanierungsverfahren mineralölbelasteter Umweltkompartimente von Bedeutung und war bisher nur für wenige Pilze bekannt. Da bisher keine BVMOs aus eukaryotischen Organismen rekombinant hergestellt wurden, stellt die im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich durchgeführte rekombinante Expression der CAMO aus C. radicicola das erste Beispiel für ein derartiges Enzym dar.
Für einen Großteil der für C. radicicola beschriebenen biokatalytischen Fähigkeiten ist eine Steroidmonooxygenase (STMO) von besonderer Bedeutung. Daher wurde zu Vergleichszwecken das Substratspektrum einer STMO aus Rhodococcus rhodochrous DSM 43269 analysiert. Hierbei konnte erstmals gezeigt werden, dass dieses Enzym neben Steroiden auch weitere offenkettige Ketone wie Cyclopentyl- und Cyclohexylmethylketon umsetzt. Besonders interessant war dabei die nachgewiesene STMO-katalysierte Oxygenierung von Cyclobutanonderivaten, da das Enzym mit Ausnahme dieser Substratgruppe nur lineare Ketone umsetzt.
Da sowohl für die CAMO aus C. radicicola als auch für die STMO aus R. rhodochrous ein Umsatz von Cyclobutanonderivaten nachgewiesen werden konnte, wurde deren Enantioselektivität in Biokatalysen mit dem Substrat 3-Phenylcyclobutanon untersucht und mit der CHMO aus Acinetobacter calcoaceticus verglichen. Die CAMO zeigte dabei eine höhere Enantioselektivität als die CHMO. Dagegen ist die STMO enantiodivergent zur CHMO und weist eine höhere Enantioselektivität als bisher bekannte (S)-selektive BVMOs auf. Die untersuchten BVMOs bieten somit ein hohes Potenzial im Bereich der Herstellung chiraler Butyrolactonderivate, welche wertvolle Bausteine für die Naturstoffsynthese darstellen.
Ein weiterer Aspekt lag in der Erweiterung des Substratspektrums der STMO aus R. rhodochrous über rationales Protein-Design, um so ein tieferes Verständnis der Sequenz-Aktivitäts-Beziehungen zu gewinnen. Basierend auf Ergebnissen der Literatur bezüglich Mutanten der zu dieser STMO homologen Phenylacetonmonooxygenase aus Thermobifida fusca wurden Varianten der STMO aus R. rhodochrous erzeugt. Für diese konnte jedoch kein erweitertes Substratspektrum ermittelt werden.
Metalloendopeptidase AsaP1 Die extrazelluläre Metalloendopeptidase AsaP1 wird als Zymogen exprimiert. Sie ist hoch immunogen und hauptsächlicher Virulenzfaktor von einigen atypischen Aeromonas salmonicida Stämmen, die als Krankheitserreger bei einer Vielzahl von Fischarten atypische Furunkulose auslösen. Die Krankheit besitzt das Potential für eine schnelle Ausbreitung und verläuft oftmals tödlich. Der Ausbruch in Aquakulturen kann zur völligen Ausmerzung der Fischbestände führen. In dieser Arbeit wurden inaktive Mutanten von AsaP1, die noch in der Lage sind eine Immunantwort hervorzurufen, exprimiert, gereinigt, kristallisiert und mittels Röntgenkristallographie strukturell charakterisiert. Erstmalig kann die Struktur der Propeptid-Domäne von M35-Deuterolysin oder Aspzinkin-Proteasen gezeigt werden, deren Prozessierungsmechanismus – im Gegensatz zu anderen Proteasefamilien – bisher noch nicht aufgeklärt werden konnte. Die Interaktion von Propeptid und Protease erlaubt Rückschlüsse auf die Substratspezifität. Spezifische Wechselwirkungen in der S1strich-Bindetasche sprechen für eine Lysinspezifität der Protease. Aufgrund von Inaktivität der kristallisierten Mutanten konnte höchst wahrscheinlich ein Intermediat der autoproteolytischen Prozessierung der Protease erfasst werden. Strukturell weist das AsaP1-Propeptid Ähnlichkeit zu einem Protease-Inhibitor aus B. subtilis, dem FixG-related Protein und ApaG-Proteinen auf, deren Funktion noch nicht ermittelt werden konnte. Inwiefern die Ähnlichkeiten in der Struktur auf eine gemeinsame Funktion deuten, kann zurzeit nicht beantwortet werden. DppA Haloalkan Dehalogenase Haloalkan Dehalogenasen (HDs) spalten die Kohlenstoff-Halogen-Bindung halogenierter aliphatischer Kohlenwasserstoffe. Als einziges Co-Substrat wird Wasser benötigt. Bisher charakterisierte Haloalkan Dehalogenasen (HDs) gehören strukturell zur Familie der alpha/beta-Hydrolasen und werden weiterhin unterteilt aufgrund der Position und Identität funktionell wichtiger Aminosäurereste. Enzyme mit Asp–His–Asp (katalytische Triade) und Trp–Trp (Halogenid-stabilisierende Aminosäuren) zählen zu HDs-I, mit Asp–His–Glu und Asn–Trp zu HDs-II oder mit Asp–His–Asp und Asn–Trp zu HDs-III. Die Substratspezifität von HDs wird hauptsächlich durch die Cap-Struktur gegeben, die die Beschaffenheit des Ein- und Ausgangstunnels und die des aktiven Zentrums bestimmt. Zurzeit sind fünf HDs strukturell beschrieben und weitere Information zu Struktur-Funktionsbeziehungen von Haloalkan Dehalogenase bieten zusätzliche Möglichkeiten zur Optimierung und Umsetzung gewünschter Reaktionsschritte durch gerichtetes Proteindesign der Cap-Struktur.
Alpha/Beta-Hydrolasefaltungsenzyme wie Esterasen, Dehalogenasen oder Epoxidhydrolasen sind Enzyme, die unter anderem zur Detoxifizierung von Umweltschadstoffen und der Synthese von Feinchemikalien eingesetzt werden. In dieser Arbeit wurden die Alpha/Beta-Hydrolasefaltungsenzyme untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine Dehalogenaseaktivität in der Esterase PFE I und der Epoxidhydrolase EchA erzeugt. Dabei wurden die katalytischen Loops und die Cap-Domäne ausgetauscht, sowie ein rationales Design durchgeführt. Mit dem Computerprogramm 3DM wurde des Weiteren die Konsensussequenz von Haloalkandehalogenasen ermittelt und diese in die Esterase PFE I integriert. Zur Untersuchung der geringen promiskuitiven Aktivitäten wurden sensitive Aktivitätsassays mit isothermaler Titrationskalorimetrie entwickelt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden zwei kontinuierlich gerichtete Evolutionen durchgeführt. Die benötigten in vivo Mutagenesemethoden und Selektionsassays wurden in dieser Arbeit etabliert. Im Anschluss wurden die Methoden eingesetzt um zum Ersten die Enantioselektivität von Esterasen zu verbessern und zum Zweiten eine Dehalogenaseaktivität in Esterasen und Epoxidhydrolasen zu generieren.
Einige Oberflächenstrukturen, die sogenannten aktiven Zentren, sind Katalysatoren für heterogene Reaktionen. Ihre Beständigkeit ist von Art und Zusammensetzung der Phasengrenze abhängig. Eine Wechselwirkung mit reaktiven Molekülen ändert die Oberfläche durch Auflösung, Adsorption oder Oberflächendiffusion. In dieser Arbeit werden die Änderungen der Oberflächenaktivität und –struktur von Gold und Platin nach der Behandlung mit den Hydroxyl-Radikalen aufgezeigt.
Die elektrochemische Aktivität von Platin gegenüber Hydrochinon, K3Fe(CN)6 und [Ru(NH3)6]Cl2 wurde durch die Behandlung mit Hydroxyl-Radikalen nicht beeinflusst. Die Oberfläche wurde allerdings, durch die Bildung einer Oxidschicht, rauer. Die Oxidschichtbildung konnte zyklovoltammetrisch und potentiometrisch nachgewiesen werden. Im Verlauf der Wechselwirkung von H2O2 mit Platin ging Platin in Lösung (ICP-AES).
Bei Gold wurden im letzten Jahrzehnt Oberflächenstrukturen mit vielfach erhöhter Aktivität nachgewiesen. Die Experimente zeigten, dass Hydroxyl-Radikale die reaktiven Goldstrukturen (aktiven Zentren) selektiv beeinflussen. Die elektrokatalytische Sauerstoffreduktionsreaktion und die defektorientierte Platinabscheidung wurden durch die vorherige Behandlung mit Hydroxyl-Radikalen inaktiver. Der Keimbildungsmechanismus blieb hingegen unverändert (instantaneous). Dies wurde mit Hilfe der Zyklovoltammetrie und der Chronoamperometrie nachgewiesen. Topographische Experimente mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) zeigten ein Platinwachstum auf den oberen Teilen der polykristallinen polierten Goldelektrode. Verschiedene Politurmethoden (fein und grob) wiesen zudem eine komplett unterschiedliche Aktivität und Reproduzierbarkeit auf. Mit einer groben Politur konnte eine deutlich bessere Reproduzierbarkeit erreicht werden.
Die Identifizierung chemisch aktiver Zentren ist sehr reizvoll. Mit Hilfe von AFM Experimenten konnte die Auflösung von Gold direkt verfolgt werden und damit die aktiven Zentren charakterisiert werden. Morphologische Untersuchungen mit dem Rasterkraftmikroskop belegen eine selektive Änderung der Kristallite und Korngrenzen nach der Wechselwirkung einer ausgeheilten Goldoberfläche mit Hydroxyl-Radikalen (in- und ex-situ). Es kann angenommen werden, dass die selektive Oberflächenänderung bei Gold durch die inhomogene Verteilung der Elektronendichte und verschiedene Bindungszustände der Oberflächengoldatome beeinflusst ist. Herausstehende Kristallstrukturen sind nach der Wechselwirkung mit den Hydroxyl-Radikalen kleiner und die Korngrenzen zwischen den Goldkristallen tiefer. Die nach der einmaligen elektrochemischen Zyklisierung auftretenden Oberflächenänderungen sind den Änderungen nach Behandlung mit Hydroxyl-Radikalen ähnlich. Ein mehrmaliges Zyklisieren führt hingegen zu ein er deutlich veränderten Oberflächenstruktur.
Der Einsatz von Enzymen ist inzwischen für viele Bereiche der chemischen und pharmazeutischen Industrie beschrieben. Dabei ermöglichen die Enzyme als Biokatalysatoren in vielen Fällen Syntheserouten, die umweltverträglichere Wege zum gewünschten Produkt darstellen als die vergleichbaren etablierten chemischen Routen. Insbesondere ihre oft stereo-, regio- und chemoselektiven Umsätze eröffnen Zugang zu wichtigen pharmazeutisch relevanten Produkten und Zwischenprodukten. Nach wie vor gibt es aber in vielen Enzymklassen Bedarf nach neuen oder verbesserten Enzymen. Insbesondere bei den oxidativen Enzymen erfüllen die zur Zeit vorhandenen Biokatalysatoren oftmals nicht die Anforderungen hinsichtlich Aktivität, Stabilität oder Selektivität. Das Auffinden neuer Biokatalysatoren, die eine Transformation von chemokatalysierten zu enzymatischen Prozessen ermöglichen, stellt die Motivation für die vorliegende Arbeit dar. Um Zugang zu neuen Enzymen zu erlangen, bestehen die klassischen Wege in einer Anreicherungskultur aus einer Umweltprobe und der nachfolgenden Isolierung von Organismen mit der gewünschten Enzymaktivität, oder in der Suche in einer bereits angelegten Stammsammlung. Die meisten Mikroorganismen können jedoch unter Laborbedingungen nicht kultiviert werden. Der Metagenom-Ansatz öffnet den Zugang zu eben diesen Enzymen. Dazu wird der Kultivierungsschritt umgangen und die DNA der Umweltprobe direkt isoliert. Diese metagenomische DNA kann anschließend entweder über ein Aktivitäts-basiertes oder über ein Sequenz-basiertes Screening auf bestimmte Enzyme hin untersucht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde der Aktivitäts-basierte Ansatz gewählt, da auf diese Weise völlig neue Enzyme gefunden werden können, die keine Homologie zu bereits beschriebenen aufweisen. Als Grundlage für das Screening wurden metagenomische Bibliotheken aus verschiedenen Umweltproben angelegt. Um die Zahl der zu durchmusternden Klone gering zu halten, wurde ein Großteil der DNA in Cosmide kloniert. Als mikrobieller Wirt für die rekombinante Expression der Proteine wurde Escherichia coli gewählt. Der Prozess des Screenings stellte den wesentlichen Teil der Arbeit dar. Dazu wurden verschiedene Enzymassays adaptiert, um die enzymatisch gebildeten Produkte zu detektieren. In vielen Fällen wurde dies durch die Bildung farbiger Produkte ermöglicht, die spektrophotometrisch detektiert werden konnten. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag dabei auf den oxidativen Enzymen, insbesondere den Monooxygenasen. Verschiedene Gruppen von Monooxygenasen wurden dabei betrachtet: Styrol-Monooxygenasen, P450-Monooxygenasen sowie Baeyer-Villiger-Monooxygenasen. Außerdem wurden die metagenomischen Bibliotheken auf Oxidasen durchmustert. Neben oxidativen Enzymen wurde nach Transaminasen, Esterasen, Proteasen und Phosphatasen gescreent. Zwei metagenomische Esterasen und drei Phosphatasen konnten auf diese Weise gefunden werden. In einem weiteren Teil der Arbeit wurden die unterschiedlichen Wege, über den Aktivitäts-basierten Metagenom-Ansatz zu neuen oxidativen Enzymen zu gelangen, ausführlich diskutiert. Der Fokus lag dabei auf der Wahl der Biotope für das Anlegen der metagenomischen Bibiotheken, den DNA-Isolierungsmethoden sowie der Nachweisempfindlichkeit und Hochdurchsatz-Fähigkeit der verwendeten Assays. Des Weiteren wurde der Zusammenhang zwischen der erwarteten Größe der Gene und der durchmusterten Bibliothek diskutiert. Dabei wurde die Schlussfolgerung gezogen, dass der Metagenom-Ansatz grundsätzlich ein großes Potential zur Identifizierung neuer Enzyme für die Biotechnologie birgt, aber Grenzen beim Auffinden großer, komplexer oder seltener Enzyme aufweist.