Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Der Bedarf f\u00fcr nat\u00fcrliche Kosmetikwirk- und zusatzstoffe ist schon heute betr\u00e4chtlich und wird in den n\u00e4chsten Jahren deutlich zunehmen. Er leitet sich zum einen aus dem weltweit zunehmenden Trend des freiwilligen Verzichts auf chemische Konservierungsmittel ab, zum anderen resultiert er aber auch aus umwelt- und gesundheitsrelevanten Richtlinien. Besonders Aspekte des Verbraucherschutzes sind hier die treibende Kraft. Die Zielverbindungen des Forschungsvorhabens, insbesondere die R-(+)- Perillas\u00e4ure, besitzen aufgrund ihres antibakteriellen und antifungalen Wirkspektrums sowohl in der Natur- und High-Tech-Kosmetik als auch der pharmazeutischen Industrie gro\u00dfes Potenzial als nat\u00fcrliche Konservierungsmittel. Trotz der gro\u00dfen Nachfrage nach alternativen Konservierungsmitteln scheitert eine industrielle Umsetzung mikrobieller Monoterpens\u00e4ure-Synthesen noch an verfahrenstechnischen Schranken; aktuell existiert kein biotechnologisches Verfahren. Technische Hindernisse sollen mit der geplanten Prozessentwicklung \u00fcberwunden und die \u00f6konomische Bereitstellung eines den neuen und zuk\u00fcnftigen Anforderungen gen\u00fcgenden Produkts, der R-(+)-Perillas\u00e4ure, erm\u00f6glicht werden. Das Verfahren wird sich auch f\u00fcr andere Terpens\u00e4uren eignen und besitzt somit Modellcharakter.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenBiologische Basis des Projekts ist die Biokonversion von Limonen zu Perillas\u00e4ure mit Pseudomonas. Das Projektziel soll durch die Entwicklung eines Terpen-spezifischen Bioprozesses erreicht werden, wobei dem Downstream-Processing besondere Bedeutung zukommt; hinzu kommt die systematische Optimierung diverser Prozessparameter, wie Medienzusammensetzung und Einbindung einer Technik zur in situ Produktentfernung. Begleitet wird die Bioprozessentwicklung, bei der die beiden Projektpartner komple-ment\u00e4re Arbeiten ausf\u00fchren, durch eine gemeinsame \u00f6konomische und \u00f6kologische Evaluation des neuen Verfahrens sowie durch Untersuchungen zur Produktqualit\u00e4t (Reinheit, Wirkspektrum) beim beteiligten Unternehmen. Die Forschungsergebnisse er\u00f6ffnen erstmalig den Transfer einer mikrobiellen Monoterpen-Oxyfunktionalisierung in die industrielle Nutzung. Die neuartige Technologie erm\u00f6glicht die Substitution umwelt- und personengef\u00e4hrdender Konservierungsmittel.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Zahlreiche antimikrobielle Wirkstoffe weisen ein auf bestimmte Mikroorganismen beschr\u00e4nktes Wirkspektrum auf. Erfreulicherweise zeigte R-Perillas\u00e4ure deutliche inhibitorische Aktivit\u00e4ten sowohl gegen gram-positive und gram-negative Bakterien als auch gegen Hefen und Schimmelpilze. Angesichts der extrem niedrigen notwendigen Dosierung (0,1 – 0,2 %) untermauern diese Ergebnisse, dass die Zielverbin-dung aufgrund sehr guter Daten zur antimikrobiellen Wirkung sowohl in der Natur- und High-Tech-Kosmetik als auch der pharmazeutischen Industrie als Konservierungsmittel Verwendung finden wird. Mit P. putida DSM 12264 konnte R-(+)-Limonen effizient zu R-(+)-Perillas\u00e4ure umgesetzt werden. Durch eine Intensivierung der Precursor- und N\u00e4hrstoffzufuhr konnte im Fed-batch-Prozess mit wachsenden Zellen eine Produktivit\u00e4t von 27 mmol L-1 d-1 (= 4,5 g L-1 d-1) erreicht werden; 48 h nach dem Animpfzeitpunkt wurden damit mehr als 53 mM Perillas\u00e4ure (9 g\/L) gebildet. Nach 5 d betrug die Produktkonzentration bis zu 65 mM (11 g\/L). Mit ruhenden Zellen betrug die Produktivit\u00e4t \u00fcber einen Zeitraum von einem Tag 31 mmol L-1 d-1 (= 5,2 g L-1 d-1), entsprechend ca. 1,75 g Perillas\u00e4ure g-1 Biotrockenmasse (BTM). P. putida DSM 12264 konnte im Fed-batch (ohne Limonen) zu hohen Zelldichten kultiviert werden (> 45 g L-1), wodurch eine Zweistufen-Prozessf\u00fchrung (1. Biomassebildung, 2. Biotransformation mit ruhenden Zellen) zu einer interessanten Alternative wird. F\u00fcr eine weitere Steigerung des Prozesses ist eine in situ Produktabtrennung (ISPR) essentiell, da Wachstum und Perillas\u00e4urebildung von P. putida bei h\u00f6heren Pro-duktkonzentrationen (> 8 g L 1) deutlich inhibiert werden. Erfreulicherweise wurde die als Zielgr\u00f6\u00dfe definierte Endkonzentration und Produktivit\u00e4t = 15 g L-1 nach maximal 6 Tagen unter Einsatz einer geeig-neten in situ Produktabtrennungsmethode in Fed-Batch-Reaktor erreicht (14,5 g L-1 nach 5,5 Tagen). Die Herausforderung an den entwickelten Biotransformationsprozess – und der Grund, warum es einen solchen Prozess bisher nicht gab – lag darin, dass sowohl Ausgangsstoffe als auch Produkte giftig sind – auch f\u00fcr die Bakterien, welche die Perillas\u00e4ure herstellen; der Ausgangsstoff ist zudem auch noch fl\u00fcchtig. Diese Hindernisse wurden durch die technische Ausgestaltung des entwickelten Bioprozesses \u00fcberwunden, wie beispielsweise durch sequentielles Limonen-Feeding und in situ Produktabtrennung. Die \u00f6kologischen Vorteile des entwickelten Biotransformationsprozesses bestehen insbesondere in einem ressourcenschonenden Umgang mit Reagenzien durch die Etablierung eines hochproduktiven Produktionssystems sowie eines effizienten Downstream-Processing; durch Einsatz der in situ Produktabtrennung wird die Ressourcenproduktivit\u00e4t weiter gesteigert. Letzteres verringert noch einmal den Prozessbedarf an Wasser, Energie und Reaktorvolumen. Das sonst als Abfall betrachtete Limonen ist das prim\u00e4re Substrat f\u00fcr den hier beschriebenen Bioprozess und wird nun einer stofflichen Wiederverwertung zugef\u00fchrt. Chemische Herstellungsprozesse, bei Oxidationen \u00fcblicherweise unter Einsatz umwelt- und personengef\u00e4hrdender Substanzen, werden vermieden. Das Zielprodukt, die Perillas\u00e4ure, er\u00f6ffnet den Ein-stieg in die Substitution konventioneller, z. T. gesundheitsgef\u00e4hrdender Konservierungsmittel durch nat\u00fcrliche Wirkstoffe.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Es sind Publikationen in biotechnologischen Fachzeitschriften in Vorbereitung. Au\u00dferdem sollen die Ergebnisse auf Messen sowie Fachtagungen einem breiten Publikum vorgestellt werden.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Projektpartner rechnen damit, dass auf Basis des vorliegenden Verfahrenskonzepts zur biotechnologischen Herstellung von R-(+)-Perillas\u00e4ure im Rahmen einer sich anschlie\u00dfenden technischen Transferphase beim Industriepartner der nach eigenem Kenntnisstand vermutlich erste industrielle Bioprozess einer mikrobiellen Oxyfunktionalisierung von Monoterpenen etabliert werden wird. Die von den beteiligten Partner f\u00fcr die Bearbeitung der Fragestellung gew\u00e4hlten Schwerpunkte, die Entwicklung einer Methode zur in situ Produktabtrennung sowie das Downstream-Processing, haben sich als wesentliche Ma\u00dfnahmen f\u00fcr den Erfolg des Projekts herausgestellt.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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