Systems biotechnology for sustainable biocatalytic production of (S)-styrene oxide

Die Ganzzellbiokatalyse bietet ein enormes Potenzial die wachsende Nachfrage nach neuen ökologisch und ökonomisch effizienten Produkten und Prozessen zu decken. Zur Ausschöpfung dieses Potenzials sind allerdings effiziente Entwicklungs-strategien notwendig. In der vorliegenden Arbeit wurde ein systembiotechnologischer Ansatz vorgeschlagen, der sich sowohl mit der Reaktions- als auch mit der Biokatalysatorebene befasst. Dieses Konzept wurde für die Entwicklung der asymmetrischen Styrolepoxidierung mittels rekombinanten Escherichia coli verfolgt. Die entsprechende Zweiphasenbiotransformation wurde optimiert und der erhaltene (S)-Styroloxidtiter wurde mit 72.6 g Lorg -1 annähernd verdoppelt. Eine ökologische und ökonomische Analyse ergab, dass der Bioprozess im Vergleich zu drei chemischen Prozessalternativen die geringsten Produktionskosten (10.2 $ kg-1 ) aufwies. Von einem ökologischen Standpunkt aus gesehen, wurde die eingesetzte organische Trägerphase als sehr kritisch beurteilt (40.2% des totalen Environmental Index). Wird die bisherige Trägerphase Bis(2-ethylhexyl)phthalat durch die Biodieselkomponente Ethyloleat ersetzt, kann die Umweltbelastung des Gesamtprozesses um 13% reduziert werden. Des Weiteren erwies sich Glyzerin als Energie- und Kohlenstoffquelle bei den derzeitigen Marktpreisen als wenig attraktiv, was sich bei Glyzerinpreisschwankungen aber ändern könnte. Ruhende Zellen als Biokatalysator wiesen eine hohe Produktausbeute auf Glukose und hohe Aktivitäten auf, sind jedoch aufgrund der geringen Stabilität noch nicht interessant. Der lösungsmitteltolerante Pseudomonas sp. Stamm VLB120 zeigte gegenüber E. coli zwar eine erhöhte Resistenz gegenüber toxischem Styroloxid, jedoch auch niedrigere Aktivitäten und einen höheren Energiebedarf. Eine metabolische Flussanalyse ergab, dass eine Konkurrenz um NAD(P)H zwischen der Redoxbiokatalyse und dem Energiestoffwechsel zu NADHlimitierten Epoxidierungsraten in wachsenden Zellen führte. Es wurde nachgewiesen, dass die suboptimale Nutzung des Stoffwechselnetzwerks und der wachsende Energiebedarf auf die zunehmende Styroloxidkonzentration zurückzuführen sind. Genetische Manipulation der Zitratzyklusregulation erhöhte den NAD(P)H-Ertrag und die Stoffwechseleffizienz, und könnte in Zukunft genügend Energie für den zellulären Unterhalt und die Redoxbiokatalyse zur Verfügung stellen. Der systembiotechnologische Ansatz ermöglichte generelle Entwicklungsstrategien sowohl auf Biokatalysator- als auch Prozessebene und erlaubte eine Verbesserung der Ökoeffizienz.