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Esterasen und Lipasen finden große Anwendung für die organische Synthese, da sie ein breites Substratspektrum besitzen, in organischen Lösungsmitteln oftmals stabil sind und hohe Enantioselektivitäten auch gegenüber nicht-natürlichen Substraten erreichen können. Die Schweineleberesterase (PLE) ist die bedeutenste Esterase für die Feinchemie. Für die biotechnologische Anwendung ist jedoch der Extrakt aus Schweinelebergeweben, aufgrund des tierischen Ursprungs und der Heterogenität (Vorkommen von verschiedenen Isoenzymen), eher ungeeignet. In dieser Arbeit wird die erfolgreiche rekombinante Expression der PLE in E. coli, die Optimierung der Kultivierung und die Etablierung eines Fermentationsprozesses beschrieben. Weitere Isoenzyme wurden ebenfalls identifiziert, charakterisiert und biokatalytische Umsetzungen von pharmazeutisch relevanten Substraten, wobei neben den PLE-Varianten auch Enzyme aus dem Metagenom verwendet wurden, durchgeführt.
Untersuchungen zum Aufbau eines Assays zur in vitro Selektion eines Cytidindesaminase-Ribozyms
(2009)
In dieser Arbeit wurden Untersuchungen zur Funktionalisierung von RNAs im Hinblick auf die Selektion eines Ribozyms, das die Desaminierung von Cytidin zu Uridin katalysieren kann, durchgeführt. Die Desaminierung von Cytidin verläuft proteinkatalysiert. Cytidindesaminasen (CDAs) sind im Nukleotidmetabolismus aller Lebewesen zu finden. In höheren Eukaryoten spielen CDAs beim RNA editing eine Rolle. In Säugetieren sind sie bedeutsam für die Immunabwehr. Ein Cytidindesaminase-Ribozym wäre in der Lage die gezielte Veränderung einer RNA-Sequenz zu katalysieren. Diese Eigenschaft wäre ein weiteres Indiz für eine präbiotische RNA-Welt und könnte auch in der Gentherapie nützlich sein. Bei der in vitro Selektion ist die Funktionalisierung der RNA-Bibliothek ein zentraler Punkt. 5’-Transkriptionspriming ist dafür besonders gut geeignet, da es kotranskriptionell, während der Transkription der RNA, stattfindet. Während der Transkription kann die T7 RNA Polymerase ein 5’-modifiziertes Guanosinmonophosphat am 5’-Ende, also am Anfang einer RNA-Sequenz, einbauen. Cytidin, das zu prozessierende Substrat der Selektion, wurde mit einem Guanosinmonophosphat verbunden. Solche modifizierten Guanosinmonophosphat-Verbindungen werden Initiatormoleküle genannt, da sie nur zu Beginn einer RNA-Transkription am 5’-Ende einer RNA eingebaut werden können. Um eine Selektion zu ermöglichen, wurde das Cytidin mit einer Markierung versehen. Es wurden zwei verschiedene Initiatormoleküle synthetisiert. Der eine Initiator bestand aus einer Guanosinmonophosphateinheit und einer Cytidineinheit, die eine Biotinmarkierung trug. Die Biotinmarkierung ermöglicht eine Selektion an der festen Phase durch die starke Wechselwirkung von Biotin und Streptavidin. Bei erfolgreicher Reaktion der RNA wird diese von der Festphase getrennt und kann durch Waschen der Festphase isoliert werden. Der andere Initiator trug statt der Biotinmarkierung eine Fluoreszeinmarkierung. Die Selektion mit diesem Initiator würde in Lösung stattfinden. Fluoreszein-markierte RNAs besitzen eine andere gelektrophoretische Mobilität als unmarkierte RNAs. Bei der Selektion spalten aktive RNAs die Fluoreszeinmarkierung ab. Durch Gelaufreinigung der Selektionsansätze könnten sie so auf Grund ihrer veränderten gelelektrophoretischen Mobilität isoliert werden. Zur Synthese der Moleküle wurden zwei unterschiedliche Synthesestrategien entwickelt und angewandt. Die erste Synthesestrategie bediente sich der Phosphoramiditchemie an der festen Phase und lieferte den Biotin-markierten Initiator in nanomolaren Mengen. Die zweite Strategie führt zur Synthese des Fluoreszein-markierten Initiators und beinhaltete eine 18-stufige Synthese in Lösung, die eine Ausbeute des Initiators im µ-molaren Bereich ermöglichte. Die Funktionalisierung von RNA mit dem Biotin-markierten Initiator wurde qualitativ nachgewiesen mit Hilfe einer auf Northern Blotting und Chemilumineszenzdetektion aufbauenden Methode. Dabei wurden die Transkriptionsprodukte auf einer Nylonmembran immobilisiert und mit einem Fusionsprotein aus Alkalischer Phosphatase und Streptavidin zur spezifischen Bindungen an die Biotinmarkierung inkubiert. Durch Zugabe eines Substrats der Alkalischen Phosphatase wird ein Chemiluminszenzsignal induziert, welches mit einem empfindlichen Photosystem detektiert und dokumentiert werden kann. Der erfolgreiche Einbau der Fluoreszein-markierten Initiatormoleküle wurde qualitativ mit Hilfe denaturierender Gelelektrophorese und Fluoreszenzanregung bei einer Wellenlänge von 365 nm nachgewiesen. Zur quantitativen Bestimmung des Einbaus wurde eine auf fluoreszenzspektroskopischen Anwendungen basierende Methode etabliert und erfolgreich angewendet. Dazu wurde eine zu 100% 5’-Fluoreszein-markierte RNA mit Hilfe des Phosphoramiditverfahrens synthetisiert. Zur Erstellung einer Eichgerade mit dieser Referenz-RNA wurden Proben mit bekannten Konzentrationen mit Hilfe eines Fluoreszenzspektrophotometers vermessen. Die jeweiligen gemessenen Fluoreszenzintensitäten der Fluoreszenzemissionsmaxima der Proben wurden in einem Diagramm über der dazugehörigen Konzentration aufgetragen. Die so erstellte Eichgerade ermöglichte es anhand der gemessenen Fluoreszenzintensität einer Probe markierter RNAs die Konzentration der Probe zu ermitteln. Zur Bestimmung und Optimierung der Einbaueffizienz des Fluoreszein-markierten Initiators wurden Transkriptionspriming-reaktionen unter Variation der Transkriptionsbedingungen durchgeführt. Nach Optimierung der Reaktionsbedingungen wurde so eine Einbaurate von 18% erreicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit dokumentieren, dass grundsätzlich beide Inititatormoleküle zur Funktionalisierung einer RNA-Bibliothek und den damit verbundenen Selektionsstrategien, Festphase oder Selektion in Lösung, angewendet werden können. Die Fluoreszein-basierende Selektionsstrategie hätte den Vorteil einer direkteren Identifizierung und spezifischeren Quantifizierung der funktionalisierten RNA-Bibliothek.
Twinribozyme vermitteln den Austausch eines internen Teilfragments gegen ein extern hinzugefügtes Reparaturoligonukleotid abweichender Sequenz innerhalb einer RNA Sequenz durch ortsspezifische Katalyse zweier Spalt- und Ligationsereignisse. Eine twinribozymvermittelte RNA Sequenzmanipulation kann deshalb zur spezifischen Reparatur genetischer Dispositionen auf mRNA-Ebene verwendet werden. Das Potential von Twinribozymen zur Reparatur kurzer Deletionsmutationen wurde bereits an Modellsystemen erfolgreich demonstriert. Zur Erweiterung der Twinribozym-Strategie hinsichtlich therapeutischer Applikationen wurde ein Twinribozym durch rationales Design mit kombinierter Mutagenese entwickelt, welches die Reparatur einer in frame Deletion eines UCU343-345 Codons innerhalb der onkogenen CTNNB1 mRNA Zielsequenz vermittelt. Mehr als 23% der mutierten CTNNB1 mRNA Zielsequenz konnten in die entsprechende Wildtyp-Sequenz in vitro überführt werden. Eine Twinribozym-vermittelte Reparatur der β-Catenin kodierenden CTNNB1-mRNA könnte deshalb eine Wnt-Liganden abhängige Regulation der Proliferation, Mobilität und Differenzierung von Zellen wiederherstellen.
Im Rahmen dieser Arbeit konnte die funktionelle Expression der 4-Hydroxyacetophenon-Monooxygenase (HAPMO) aus Ps. putida JD1 etabliert werden. Die im Kolbenmaßstab entwickelte Expressionsstrategie konnte auf einen Kultivierungsmaßstab von bis zu vier Litern übertragen werden. Außerdem konnten die Reaktionsbedingungen für die enantioselektive enzymatische Baeyer- Villiger-Oxidation von 3-Phenyl-2-butanon durch die HAPMO optimiert werden, auch hier war die Übertragung auf einen größeren Maßstab möglich. Durch die Verwendung von Lewatit® VP OC 1064 MD PH, einem hydrophoben Adsorbens, als zweiter Phase konnte in einem in situ SFPR-System (substrate feed and product removal) die Inhibierung der HAPMO auch bei höheren Substratmengen umgangen werden. Auf diese Weise war es möglich, in Biokatalysen das Substrat in einer Konzentration von 40 mM einzusetzen. Im Verlauf dieser Biokatalysen konnte im Schüttelkolben ein Umsatz von annähernd 50% erreicht werden. Auch in Ganzzellbiotransformationen im 500 mL-Maßstab konnte ein Umsatz von 30% erreicht werden. Mit p-Nitroacetophenon, α-Acetonaphthon und 3-Acetylindol konnten im Rahmen dieser Arbeit Substrate mit der HAPMO umgesetzt werden, die für den colorimetrischen Nachweis von Baeyer-Villiger-Monooxygenase-Aktivität verwendet werden können. In einem weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit wurde nach einer Möglichkeit gesucht, den Ausgangsstoff für die Biokatalysen, 3-Phenyl-2-butanon, in ausreichendem Umfang zu synthetisieren. Die bisher für die Synthese verwendete Umsetzung von 2-Phenylpropionsäure mit Methyllithium ist durch das Gefahrenpotential von Methyllithium nur bedingt in größerem Maßstab durchführbar. In einer alternativen Syntheseroute wurde 1-Phenyl-2-propanol oxidiert und das entstehende Keton mit Methyliodid methyliert. Beide Reaktionsschritte konnten mit nahezu vollständigem Umsatz durchgeführt werden. Durch die Verwendung der Vakuumdestillation zur Aufreinigung des Produktes konnten Ausbeuten von über 90% erreicht werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige alpha-Phosphanylaminosäuren untersucht. Die Verbindungen wurden durch eine Dreikomponenten-Eintopfreaktion bei Raumtemperatur aus Diphenylphosphan, einem primären Amin und Glyoxylsäure hergestellt. Alle Verbindungen sind luftempfindlich und bilden in Lösung langsam Zersetzungsprodukte. Es wurden P-Sulfide, P-Oxide und P-Pentacarbonylmetall(0)komplexe hergestellt, Versuche zur Synthese von BH3-Addukten in Molverhältnis 1:1 und 1:3 durchgeführt. Das enantiomerenreine 1-(p-methoxyphenyl)ethyl-substituierte Phosphanylglycin wurde als Ligand auf Eignung in enantioselektiven, katalytischen Hydrierungen verschiedener alpha-, beta-ungesättigter Ketoverbindungen untersucht. Sieben Verbindungen aus verschiedenen Gruppen N-substituierter Phosphanylglycine wurden als Liganden mit Ni(COD)2 zu in situ in Katalysatoren umgesetzt und damit die Poly/Oligomerisation von Ethylen untersucht. Die meisten untersuchten Liganden bewirkten hohe katalytische Umsätze von Ethylen und zeigten somit gute Eignung als Liganden zur Stabilisierung aktiver Ni-Oligomerisationskatalysatoren.
Discovery of novel Baeyer-Villiger monooxygenases and their application in organic synthesis.
(2009)
The application of BVMOs in kinetic resolution is a versatile alternative for the synthesis of optically pure esters. Within this thesis BVMOs proved to be highly active against a broad range of linear and aryl aliphatic ketones yielding a variety of enantiopure products. Among the beta-hydroxy ketones several CHMOs and BVMOPsfl showed the best results (E > 100), whereas the application of the latter enzyme also allowed access to the abnormal esters (regioisomeric excess > 40%). Interestingly, some enzymes showed a reduced activity and selectivity with a growing chain length of the ketone, suggesting that middle-chain ketones (C8-C10) might be preferred. Moreover, the production of optically pure 1,2-diols was observed (yields 8-50%), resulting from an in vivo hydrolysis of the 2-hydroxy alkyl acetates. Regarding the N-protected beta-amino ketones, results were different. While the majority of CHMOs catalyzed linear substrates showing high enantioselectivities (for CHMOBrevi1 and CHMOBrachy E > 100, c = 40-50%), BVMOPsfl did not convert nitrogen bearing linear ketones, although this might also be justified with the methylcarbamate protecting group. Interestingly, the number of BVMOs catalyzing oxidation of spatially more demanding linear branched beta-amino ketones was greatly reduced, indicating steric hindrance that was also combined with a decrease in selectivity. Similar to the observation for beta-hydroxy ketones, also the 2 amino alkyl acetates hydrolyzed furnishing 2-amino alcohols (yields 9-52%). Moreover, hydrolysis of the “abnormal“ esters allowed an alternative access to valuable native and non-native β-amino acids. In a two step process, using CDMO from R. ruber and CAL-B, it was possible to generate N-protected (+)-beta-leucine. During kinetic resolutions of aryl aliphatic ketones it was observed that the highest enantio¬selectivities could be achieved utilizing HAPMOJD1, HAPMOACB and PAMO, enzymes typically preferring aromatic substrates. Biotransformation with 3-phenyl-2-butanone revealed an E-value > 100 for HAPMOJD1 (S-selective). Nevertheless, also BVMOPsfl converted this sub¬strate (E = 43), and also CHMOAcineto and CPMO oxidized it, although selectivity was rather low (E < 5). Interestingly, BVMOKT2440 was the only examined enzyme showing R selectivity (E = 13). Additionally, increasing the scale and performing biotransformation in a baffled flask could increase enantioselectivity of BVMOPsfl from E = 43 to 82. The discovery of novel enzymes with diverse properties is still a main goal of the biotechnological industry. Within these studies, two BVMOs (BVMOKT2440 and HAPMOJD1) could be successfully amplified from genomic DNA using different PCR-methods. Then, expression in E. coli was optimized, revealing that the reduction of expression temperature, implementation of E. coli JM109 or RosettaTM (DE3), possessing the pRARE plasmid to facilitate translation of rare codons in the latter case, and/or co-expression of chaperones (pGro7: GroEL/ES-familiy) could increase the amount of soluble and active protein. Both enzymes were subjected to biocatalysis and it was found that BVMOKT2440 preferentially oxidized linear ketones, while HAPMOJD1 dominantly converted aryl aliphatic ketones. The latter enzyme could be purified by anion exchange and affinity chromatography allowing examination of kinetic parameters. Thereby, HAPMOJD1 displayed lowest KM-values for acetophenone derivatives bearing their substituent in para-position (KM < 320 µM). Moreover, also aldehydes and heteroaromatic compounds were oxidized and also sulfoxidation was observed. Interestingly it was found, that both BVMO genes are located in the direct neighborhood of a dehydrogenase and a hydrolase. This led to the suggestion that these enzymes may be metabolically connected in the degradation of their natural substrate.
Rekombinante Expression und Design der Aminoacylase 1 für die Synthese von N-Acyl-Aminosäuren
(2009)
Im Rahmen der Dissertation wurde die Möglichkeit der enzymatischen N Acylierung von Aminosäuren über eine thermodynamisch kontrollierte Reaktion im wässrigen Medium untersucht. Eine Auswahl von Biokatalysatoren wurde auf ihre Eignung hin untersucht und die Aminoacylase 1 aus der Schweineniere (pAcy1) als Wildtyp-Enzym ausgewählt. Es konnte gezeigt werden, dass das primäre Problem bei der pAcy1-katalysierten Synthese der Modellkomponente N-Lauroyl-L-Glutamat (NLLG) in einem sehr ungünstigen thermodynamischen Gleichgewicht liegt. Dieses konnte zwar durch den pH-Wert zugunsten der Synthese verschoben werden, lieferte aber auch unter optimierten Bedingungen nur unzureichende Umsätze. Als primäre Probleme auf Seiten des Biokatalysators wurde ein niedriges Verhältnis zwischen der Synthese und Hydrolyse des Produktes (S/H-Verhältnis) neben einer vergleichsweise schlechten Akzeptanz langkettiger Acyldonoren identifiziert. Um für eine Optimierung des Enzyms die Methoden des rationalen Protein Designs und der gerichteten Evolution zu nutzen, wurde ein rekombinantes Expressionssystem über ein synthetisches Gen der pAcy1 auf dem Vektor pET52(b) realisiert. Durch die Anpassung des Expressionsmediums, der Temperatur sowie der Co-Expression molekularer Chaperone konnten etwa 80 mg aufgereinigtes Enzym pro Liter Fermentationslösung erhalten werden. Das rekombinante Protein wurde biochemisch charakterisiert und die Aktivität gegenüber dem bevorzugten Substrat der pAcy1 N-Acetyl-L-Methionin (NAM) mit 94 U/mg quantifiziert. Die Optimierung des S/H-Verhältnisses der pAcy1 fokussierte sich auf das Potential der katalytischen Base (E146) zur Protonenaufnahme. Als Basis für ein rationales Design wurde ein Strukturmodell erstellt und ein Aspartat an der Position 346 identifiziert, welches den pKa-Wert von E146 maßgeblich beeinflusst. Durch Modellierungen der Elektrostatik im aktiven Zentrum wurde die Substitution von D346 zu Alanin, Asparaginsäure, Glutamat und Glutamin vorgeschlagen und weiterhin die Mutation der katalytischen Base selbst untersucht. Versuche zur Beschreibung des S/H-Verhältnisses von erstellten Varianten der pAcy1 wurden anschließend mit NAM als Modellkomponente durchgeführt. Bei allen Mutanten war ein starker Rückgang der Gesamtaktivität zu verzeichnen, wobei die Restaktivitäten der 146X-Varianten maximal 0,5% und die der 346X-Varianten maximal 9% bei der Hydrolyse betrugen. Durch die parallele Quantifizierung der Synthesereaktion konnte gezeigt werden, dass sich das S/H-Verhältnis durch die Substitution des Asp346 in beide Richtungen verschieben lässt, wobei die gewünschte Erhöhung des Verhältnisses mit einer stark verminderten Gesamtaktivität einhergeht. Die Mutante D346A wies z.B. eine Erhöhung des S/H-Verhältnisses von 0.02 auf 0.18 auf, wobei allerdings die Restaktivität im Vergleich zum Wildtyp-Enzym bei der Synthese 0.2% und die in der Hydrolyse 0.05% betrug. Zur Erklärung dieser Beobachtungen wurde die pH-Abhängigkeit der pAcy1-Varianten für die Hydrolyse des artifiziellen Substrats Furyl-Acyl-M ethionin (FAM) bestimmt. Eine Verschiebung des pH-Optimums ins Saure bzw. ins Basische korrelierte bei D346A bzw. D346E mit der zuvor bestimmten Verschiebung des S/H-Verhältnisses. Weiterhin sollte die Affinität der pAcy1 gegenüber langkettiger Acyldonoren durch gerichtete Evolution erhöht werden. Da aus der Literatur bekannt ist, dass die Reste I177, T345, L370 die Acylbindetasche des Enzyms definieren, wurden diese über iterative Sättigungsmutagenese randomisiert und so etwa 32.000 Varianten der pAcy1 erzeugt. Zur Charakterisierung einer Mutantenbibliothek wurde ein hochdurchsatzfähiges Expressions- und Screeningsystem etabliert, wofür das bereits realisierte Expressionssystem auf den Mikrolitermaßstab übertragen und auf die besonderen Ansprüche hin optimiert wurde. Zur Charakterisierung der Enzyme wurde eine modifizierte Form eines bereits beschriebenen Proteaseassays verwendet, welcher eine kontinuierliche Messung der entstehenden Aminosäure als Produkt der Hydrolysereaktion erlaubte. Eine vorhergehende Selektion aktiver Varianten auf Minimalmedium erlaubt ein effizientes Screening der Mutantenbibliothek. Das Screening- und Selektionssystem wurde bisher mit der Wildtyp-pAcy1 und einer inaktiven Mutante erfolgreich getestet und zeigte Schwankungen von lediglich ±10%. Das noch ausstehende Screening der Mutantenbibliothek wird in laufenden Arbeiten durchgeführt.