Engineering of enzymatic redox cascades involving oxygenases

Cascade reactions are not only of interest to chemists and biotechnologists, but also to life in general, because every metabolic reaction resembles a cascade reaction. This principle of substrate/intermediate channeling was only adapted by scientists. That way especially one-pot reactions became very attractive as for this no isolation of intermediates is necessary. Furthermore, unstable or toxic intermediates are only produced in low amounts and directly transformed in situ. In this PhD thesis two previously established cascade reactions were subject of further optimization. In the first part, a cascade reaction established in a DFG-funded project (Bo1862/6-1)in cooperation with the Vienna Technical University (Austria) for the production of chiral lactones was further optimized and extended. Therefore, on the one hand the genes encoding the needed enzymes were cloned for co-expression into a single plasmid in different arrangements to be expressed in pseudo-operon mode, with the aim to lower the metabolic burden of the cascade host cell. One out of the welve created constructs showed a reasonable activity of 15.3 ± 1.2 U · gCDW-1. On the other hand, this cascade reaction was aimed to be extended by the use of a hydroxylating enzyme to enable the use of limonene as renewable and chiral precursor for the proposed production of chiral polymers. Therefore, the feasibility of cytochrome P450-monooxygenases was studied. These turned out to be not applicable due to their bad regioselectivity for the hydroxylation of limonene or due to the difficulties of activity reconstitution. As alternative system for an initial hydroxylation step the use of a Rhodococcus equi strain, which was isolated from Cellulosimicrobium cellulans EB-8-4 and which is capable of very regioselective limonene-hydroxylation, was investigated. Therefore, the dioxygenase cluster responsible for the desired reaction was identified and especially the recombinant expression in a suitable host (Pseudomonas putida S12) was further studied. The results from these experiments revealed that the recombinant expression needs to be further optimized to enable the use of the recombinant dioxygenase in combination with the other enzymes for cascade reactions. The third part of this PhD thesis dealt with the immobilization of an established cascade reaction for the synthesis of poly-[caprolactone] precursors. Therefore, the use of a rotating bed reactor (RBR) was investigated. Preliminary studies using single enzymes involved in the desired cascade reaction demonstrated the general feasibility of this reactor concept. Especially the reusability of the catalysts was highly improved, because the catalytic particles were protected very effectively from mechanical forces within the voids of the reactor. For further work-flow optimization the immobilization was transformed into an in situ process by the application of a gas-shear device, which leads to decreased capsule size and thereby to increased mass transfer inside the particles. The developed methods were applied for encapsulation of the cells containing the enzymes needed for the reaction. After additional improvement of the reaction parameters a conversion of 93% (based on substrate depletion) was reached using catalysts produced by the established encapsulation procedure. In summary, the described cascade reactions were successfully optimized by either co-expression, extension applying a dioxygenase or immobilization. Furthermore, the general feasibility of an RBR was demonstrated.Kaskadenreaktionen sind nicht nur für Chemiker und Biotechnologen von großem Interesse, sondern auch für Lebensprozesse im allgemeinen, da jede metabolische Reaktion auch eine Reaktionskaskade ist. Dieses Prinzip der Substrat-/Intermediatweiterleitung wurde nun von Wissenschaftlern adaptiert. Auf diese Weise wurden besonders sog. ‚Eintopfreaktionen‘ sehr attraktiv, da hierfür keine Reinigung der Zwischenprodukte mehr notwendig ist. Darüberhinaus werden instabile und/oder toxische Zwischenprodukte nur in geringen Mengen gebildet und in situ direkt umgewandelt. In dieser Doktorarbeit wurden zwei bereits entwickelte Enzymkaskaden einer weiteren Optimierung unterzogen. Im ersten Teil wurde eine Redoxkaskade für die Synthese von chiralen Laktonen, die im Rahmen eines DFG-geförderten Projekts (Bo1862/6-1) in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Wien (Österreich) entwickelt wurde, optimiert und erweitert. Hierfür wurden einerseits die Gene, die die benötigten Enzyme kodieren, zusammen in allen möglichen Anordnungen auf ein Plasmid kloniert, um diese anschließend im Pseudo-Operon Modus zu exprimieren. Hiermit sollte der metabolische Stress für die Wirtszelle verringert werden. Eines der zwölf erstellten Konstrukte zeigte eine angemessene Aktivität von 15,3 U · gCDW-1. Andererseits sollte dieselbe Kaskade um eine initiale und enzymatische Hydroxylierung erweitert werden, um Limonen als nachwachsendes und chirales Substratmolekül zu verwenden. Dafür wurde zum einen die Anwendbarkeit von Cytochrom P450-Monooxygenasen untersucht. Diese erwiesen sich allerdings als schlecht nutzbar, da sie entweder nur eine schlechte Regioselektivität für die gewünschte Reaktion zeigten oder sich die Aktivität nicht rekonstituieren ließ. Als alternatives System für die initiale Hydroxylierung wurde dann ein Rhodococcus equi Stamm verwendet, der aus einer Cellulosimicrobium cellulans EB-8-4 Kultur isoliert wurde und in der Lage ist Limonen an der gewünschten Position höchst regioselektiv zu hydroxylieren. Der für die Reaktion verantwortliche Dioxygenase-Cluster konnte identifiziert werden und insbesondere die rekombinante Expression in einem geeigneten Wirt (Pseudomonas putida S12) wurde weiter untersucht. Die Ergebnisse aus diesen Versuchen zeigten, dass die Expression allerdings weiter optimiert werden muss, damit die rekombinante Dioxygenase in Kombination mit den anderen Enzymenm für eine Kaskadenreaktion engesetzt werden kann. Der dritte Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Immobilisierung einer anderen bereits entwickelten Kaskadenreaktion für die Synthese von Polycaprolacton Vorstufen. Für diese Reaktion wurde insbesondere die Anwendung eines sog. rotating bed reactors (RBR) untersucht. Für diesen konnte in anfänglichen Experimenten gezeigt werden, dass enzymatische Reaktionen in diesem Reaktor prinzipiell möglich sind. Speziell wurde hierbei beobachtet, dass besonders die Wiederverwendbarkeit der Immobilisate stark erhöht wurde, da die katalytischen Partikel in den Hohlräumen des RBR vor jeglichem mechanischen Einfluss geschützt waren. Weiterhin wurde der Arbeitsablauf optimiert, indem das Einschlussverfahren durch die Anwendung einer Gas-Scher Vorrichtung in einen in situ Prozess umgewandelt wurde. Dies führte vor allem auch zu einer erhöhten Aktivität der eingeschlossenen Zellen, da die verringerte Kapselgröße den Massentransfer positiv beeinflusste. Abschließend wurden die entwickelten Verfahren für die zweite Kaskadenreaktion angewendet. Nach weiteren Optimierungen der Reaktionen konnte so ein Umsatz von 93% (bezogen auf Substratabnahme) erzielt werden. Zusammengefasst konnten die beschriebenen Kaskadenreaktionen entweder mittels Etablierung eines Co-Expressionssystems, der Erweiterung einer Kaskade durch eine Dioxygenase oder die Immobiliserung der benötigten Enzyme erfolgreich optimiert werden. Weiterhin wurde die allgemeine Anwendbarkeit von enzymatischen Reaktionen in einem neuartigen RBR demonstriert