Process engineering and heterologous enzyme production for hydrogen peroxide driven biocatalysis

Unspezifische Peroxygenasen (UPOs) sind Häm-Thiolat Peroxidasen, welche in der Lage sind, die Oxygenierung nicht-aktivierter C—H Bindungen sowie Heteroatom-Oxygenierungen wie Sulfoxidationen, zu katalysieren. Hierbei benötigen sie ausschließlich Wasserstoffperoxid als Kosubstrat. Aufgrund des hohen Interesses an regio- und stereospezifischen Oxygenierungskatalysatoren für die Synthesechemie und der ökonomischen und ökologischen Vorteile von Wasserstoffperoxid als Kosubstrat besteht großes Potential für den Einsatz von UPOs für biokatalytische Anwendungen. Diese Arbeit widmet sich einigen der Herausforderungen, die auf dem Weg zur industriellen Anwendbarkeit der Enzyme auftreten können. Die Anwendbarkeit von UPOs in präparativen Prozessen wurde Anhand der Oxygenierung von Butan zu 2-Butanol in einem 2 L Blasensäulenreaktor demonstriert. Durch Optimierung der Wasserstoffperoxid-Dosierung und Einsatz eines in situ Produktabtrennungssystems konnten Produktkonzentrationen von ≥80 mM erreicht werden. Die Biokompatibilität eines auf einer Kohlenstoffnanotube-beschichteten Gasdiffusionselektrode basierenden elektrochemischen Wasserstoffperoxid-Produktionssystems konnte demonstriert und eine Erhöhung der Energieeffizienz des bioelektrochemischen Prozesses ermittelt werden. Eine metallaffinitätsbasierte Immobiliserungsmethode für hexa-Histidin-markierte UPOs wurde etabliert und die Wiederverwendbarkeit des Immobilisats gezeigt. Am Beispiel eines elektrobiokatalytischen UPO-Prozesses wurde ein Prozessmodell entwickelt und die Vorhersagekraft des Modells für neue Prozessbedingungen dargelegt. Die heterologe Exprimierbarkeit diverser putativer UPO-Gene wurde in Hefe untersucht. Drei neue UPOs wurden produziert, aufgereinigt und charakterisiert.