Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
(S,S)-2,5-Hexandiol (HDO) ist ein essentielles chirales Synthon f\u00fcr chirale \u00dcbergangsmetallkatalysatoren sowie f\u00fcr die Wirkstoffsynthese. Gegenw\u00e4rtige Synthesekonzepte leiden durchweg unter einer geringen Atom\u00f6konomie. Der derzeit leistungsf\u00e4higste, ganzzellbiokatalytische Zugang zur Zielverbindung soll optimiert werden. Daf\u00fcr muss die partielle Hemmung der Bisreduktion von Acetonylaceton durch das intermedi\u00e4re Hydroxyketon gel\u00f6st werden. Hierzu werden Methoden ben\u00f6tigt, die sowohl das Hydroxyketon als auch das Diol hochselektiv liefern. Es werden enzymatische und mikrobielle Ans\u00e4tze getestet.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Biotransformation von Acetonylaceton mit S. cerevisiae soll biochemisch optimiert werden, wobei xenobiotischer Zellstress als Ursache f\u00fcr die bislang beobachtete partielle Inhibierung der mikrobiellen Reduktion untersucht wird. Diese Hemmung betrifft die Reduktion des Zwischenprodukts (S)-2-Hydroxy-5-hexanon (HH) zu HDO.
\nErstmals dient xenobiotischer Zellstress als Target f\u00fcr die Optimierung einer Ganzzell-Biotransformation. Ziel ist die Identifikation der zellstressausl\u00f6senden Faktoren und der stressinduzierten Enzyme mit Dehydrogenase-Aktivit\u00e4t. Auf Basis dieser Erkenntnisse soll die Ganzzell-Biotransformation durch gezielte Manipulation der Stressphysiologie der Zelle reproduzierbar bei sehr hohen Stereoselektivit\u00e4ten und hohen Ausbeuten (>90%) gezielt zum HDO bzw. HH gef\u00fchrt werden.
\nAlternativ zum Ganzzellansatz sollen die an der Reduktion beteiligten Dehydrogenasen und Stressenzyme aus S. cerevisiae isoliert, charakterisiert und kloniert werden, so dass eine rein enzymkatalysierte zellfreie Synthese von HH bzw. HDO m\u00f6glich ist.
\nDas neuartige Zellstress-Konzept soll auf die Biotransformation von Diketonen erweitert werden, f\u00fcr die vergleichbare Problematiken existieren. Abschlie\u00dfend werden die isolierten Dehydrogenasen auf ihre F\u00e4higkeit zur in vitro-Biotransformation von Diketonen getestet.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Ganzzell-Biotransformation von 2,5-Hexandion zu (2S,5S)-Hexandiol wurde optimiert, um das Produkt im industriellen Ma\u00dfstab kommerziell verf\u00fcgbar zu machen. Der Zugang zum (2S,5S)-Hexandiol l\u00e4sst sich \u00fcber die Ganzzell-Variante mit Saccharomyces cerevisiae realisieren oder in einem wirtschaftlich und, wie die \u00d6koeffizienzanalyse belegt, \u00f6kologisch vorteilhaften Verfahren enzymatisch mit der Alkoholdyhrogenase ADH-T aus Thermoanaerobacter spec. Der optische Antipode ist \u00fcber die ADH aus Lactobacillus kefir zug\u00e4nglich. Damit lassen sich das (S,S)- wie das (R,R)-Stereoisomer erstmals gezielt und effizient generieren.
\nFerner konnte aus Saccharomyces cerevisiae eine Hexandiolreduktase gereinigt werden. Im GanzzellProzess zeigten sich ausgesprochen vielf\u00e4ltige und komplexe Wechselwirkungen zwischen Edukt 2,5-Hexandion und Ganzzell-Biokatalysator, die einen kommerziellen Einsatz der Ganzzell-Variante nicht zulassen. Dagegen konnte gezeigt werden, dass sich Hefereduktasen eignen, selektiv das intermedi\u00e4re (2S)-Hydroxy-5-hexanon zu bilden. Damit steht erstmals ein selektiver Zugang zu stereoisomerenreinen Verbindungen dieser Substanzklasse offen.
\nEbenfalls sehr erfolgreich lie\u00df sich die Synthese des (2S,5S)-Hexandiols realisieren, indem keine Hefeenzyme, sondern bakterielle Enzyme eingesetzt wurden (s.o). Sie erlauben den vollst\u00e4ndigen Umsatz von 2,5-Hexandion in hoher Chemo- und Stereoselektivit\u00e4t. Der Erfolg dieser Variante lag im kontinuierlichen Entfernen des Oxidationsprodukts Aceton aus der Reaktionsmischung, das aus dem zur Cofaktor-Regenerierung verwendeten Isopropanol stammt. Bakterielle Enzyme wurden erforderlich, da allein diese in der Lage sind, sowohl das Dion zu reduzieren als auch Isopropanol zu oxidieren.
\nDamit wurde das Projekt in jeder Hinsicht sehr erfolgreich durchgef\u00fchrt. Es existiert eine selektive Synthesemethode f\u00fcr das (2S)-Hydroxy5-hexanon sowie f\u00fcr (2S,5S)-Hexandiol. Die Ergebnisse lassen sich auf andere Dione \u00fcbertragen, womit das Ziel einer neuen Syntheseplattform f\u00fcr chirale Hydroxyketone und chirale Diole erreicht wurde. Die \u00d6koeffizienzanalyse zeigt deutlich die St\u00e4rken des hier entwickelten Verfahrens auf und belegt dessen \u00f6kologische und \u00f6konomische Leistungsf\u00e4higkeit verglichen mit dem konventionellen Referenzverfahren.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Stohrer, J., Peschko, C. (2006): Verfahren zur Herstellung von Dihydroxy-Verbindungen aus Diketo-Verbindungen durch enzymkatalysierte enantioselektive Reduktion. Deutsche Patentanmeldung.
\nKatzberg, M., Wechler, K., M\u00fcller, M., Hummel, W., D\u00fcnkelmann, P., Stohrer, J., Bertau, M. (2008): Biocatalytical production of (5S)-Hydroxy-2-hexanone. In Vorbereitung.
\nKatzberg, M., Wechler, K., M\u00fcller, M., Dau\u00dfmann, T., Hummel, W., Bertau, M. (2008): Whole-cell biocatalytic synthesis of -diols and -hydroxy ketones. In Vorbereitung.
\nKatzberg, M., Wechler, K., M\u00fcller, M., Hummel, W., D\u00fcnkelmann, P., Stohrer, J., Bertau, M. (2008): A novel diketone reductase from Saccharomyces cerevisiae. In Vorbereitung.
\nKatzberg, M., Hummel, W., Dau\u00dfmann, T., Stohrer, J., Bertau, M. (2006): Biokatalytische Synthese von (S,S)-2,5-Hexandiol. Chem. Ing. Tech. 78, 1437.
\nAuf Einladung der DECHEMA wurden die Ergebnisse dieser Arbeiten vorgestellt:
\nBertau, M., Katzberg, M., Hummel, W., Dau\u00dfmann, T., Stohrer, J. (2006): Biokatalytische Synthese chiraler -Diole und -Hydroxyketone. DECHEMA-Jahrestagung 2006, Wiesbaden, 27.09.2006.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die angestrebte biokatalytische Synthese chiraler Diole und Hydroxyketone konnte erfolgreich realisiert werden. Die generelle Induzierbarkeit von Stressenzymen wurde belegt, gleichzeitig konnte das Anwendungspotenzial f\u00fcr diese Enzyme aufgezeigt werden. Mit ihrer Eigenschaft, Dione selektiv zum Hydroxyketon zu reduzieren, ist die Hefe Saccharomyces cerevisiae ein unverzichtbare Biokatalysator f\u00fcr den kommerziellen Zugang zu dieser Substanzklasse, der als Ergebnis dieses Projekts neu er\u00f6ffnet wurde.
\nMit der Kommerzialisierung der Verfahren wurde begonnen. Im laufenden Jahr sind bereits 20 kg verkauft und weitere 10 kg kundenseitig reserviert worden. Die Ergebnisse der \u00d6koeffizienzanalyse zeigen unzweifelhaft die \u00f6kologische und \u00f6konomische \u00dcberlegenheit dieses Verfahrens.
\nDie Meilensteine wurden fristgerecht erreicht.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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