Rekombinante Biosynthese von p-Cumarylalkohol in E. coli

Jansen, Frank; Kreuzaler, Fritz

doi:3664

Rekombinante Biosynthese von p-Cumarylalkohol in E. coli = Recombinant biosynthesis of p-coumaryl alcohol in E. coli

Jansen, Frank

2011 & 2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Frank Jansen

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

Umfang139 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache. - Prüfungsjahr: 2011. - Publikationsjahr: 2012

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kreuzaler, Fritz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-03-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-36645
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51731/files/3664.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biosynthese (Genormte SW) ; Lignin (Genormte SW) ; Escherichia coli (Genormte SW) ; Bioverfahrenstechnik (Genormte SW) ; Arylaldehyde (Genormte SW) ; Arylalkohole (Genormte SW) ; Aromaten (Genormte SW) ; Biokonversion (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; biosynthesis (frei) ; p-coumaryl alcohol (frei) ; monolignols (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die Verknappung fossiler Rohstoffe erfordert die Entwicklung alternativer Strategien für eine nachhaltige Versorgung mit Energieträgern und zur Gewinnung von Synthesebausteinen. Energetische und stoffliche Biokonversionsprozesse nachwachsender Rohstoffe können dazu beitragen, die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu verringern und die künftige Versorgungslücke zu schließen. Dabei kann jedoch zum jetzigen Zeitpunkt nicht der Anspruch auf vollständigen Ersatz der fossilen Rohstoffe durch nachwachsende Rohstoffe erhoben werden. Vielmehr ist das Konzept der Nutzung nachwachsender Rohstoffe als Chance zu verstehen, etablierte Verfahren in der Petrochemie zu ergänzen oder in diese integriert zu werden. Aromatische Verbindungen sind Synthesebausteine für eine Vielzahl von chemischen Produkten. Vorwiegend werden Aromaten in Chemiefasern, in Kunststoffen, in Synthesekautschuk aber auch in Lösungsmitteln verarbeitet. Die Gewinnung von Aromaten erfolgt bislang ausschließlich durch thermische und katalytische Prozesse aus Kohle und Erdöl. Lignin ist nach Zellulose das zweithäufigste Biopolymer in der Natur, etwa 25% des organisch gebundenen Kohlenstoffs ist in diesem natürlichen Polymer enthalten. Lignin ist Bestandteil pflanzlicher Zellwände und kann als natürliche Ressource aromatischer Verbindungen gesehen werden. Derzeit wird Lignin allerdings aufgrund erheblicher technischer und biotechnologischer Hindernisse kaum stofflich verwertet. Dieses komplexe Heteropolymer inkrustiert pflanzliche Zellwände und besteht hauptsächlich aus den Monolignolen p-Cumarylalkohol, Coniferylalkohol und Sinapylalkohol. Zusätzlich zu den Monolignolen sind Derivate dieser in unterschiedlicher Weise im Lignin verknüpft, so dass der enzymatische Zugang zu aromatischen Monomeren heute noch nicht möglich ist. Es existieren weder chemische noch physikalische Methoden, um aus diesem heterogen aufgebauten Makromolekül effektiv monomere aromatische Synthesebausteine zu gewinnen. Alternativ zur enzymatischen Spaltung wurde in dieser Arbeit die umgekehrte Strategie verfolgt. Die rekombinante Biosynthese von p-Cumarylalkohol, eines der Hauptbestandteile von Lignin, wurde dabei durch die Verknüpfung einzelner Reaktionen aus Phenylpropanoid- und Ligninbiosynthese erreicht. Verschiedene Gene mikrobiellen und pflanzlichen Ursprungs wurden dazu kombiniert. E. coli als Wirt für diesen künstlich erzeugten Biosyntheseweg zu verwenden, hatte den Vorteil, dass eine effektive Ausschleusung der Reaktionsprodukte erreicht wurde. Zudem kann in bakteriellen Zellwänden keine Verholzung stattfinden, so dass die Produkte des artifiziellen Stoffwechselweges nahezu verlustfrei ins Medium ausgeschleust wurden und dort akkumulierten. Erstmals ist es damit gelungen p-Cumarylalkohol - Hauptbestandteil des Lignins - im Rahmen eines „Metabolic Engineering“ Ansatzes in E. coli herzustellen.

The increasingly scarce availability of fossil raw materials calls for the development of new strategies to ensure the sustainable supply with energy and components for synthesis. Energy and mass bioconversion processes of renewable raw materials can contribute in minimizing the dependence on fossil raw materials and close the gap in energy supply. Currently though, renewable raw materials cannot completely replace fossil raw materials. The emphasis lies more on the concept of using renewable raw materials as a complement to other established petrochemical methods, or to integrate them into these. Aromatic compounds are components used in the synthesis of many chemical products. They are mainly applied in the production of chemical fibers, plastics, synthetic rubber, as well as solvents. Until now, aromatic compounds are mainly produced through the catalytic or thermal processing of coal and petroleum. Lignin is after cellulose the second most available biopolymer in nature, incorporating around 25% of all organically bound carbon. Lignin forms a component of the plant cell wall and can be considered as a natural resource for aromatic compounds. So far though, lignin can hardly be exploited as such a resource, due to significant technical and biotechnological obstacles. This complex heteropolymer is incrusted in plant cell walls and consists mainly of the monolignols p-cumarylalcohol, coniferylalcohol and sinapylalcohol. Additionally, derivatives of these monolignols can also be found. They are linked in a variety of ways within the lignin molecule, which has, so far, made it impossible to yield aromatic monomers from lignin by enzymatic means. Up to now, there are no physical or chemical methods available to extract any aromatic monomers as compounds for synthesis from this heterogenically structured macromolecule. In this thesis, an alternative strategy is presented, by following the opposite route. The recombinant biosynthesis of p-cumarylalcohol, one of the main components of lignin, was achieved by combining single reactions from phenylpropanoid- and lignin biosynthesis pathways. Different genes from microbial and plant origin were combined for this procedure. The use of E. coli as a host in this artificial synthesis pathway provided the advantage that the reaction products could be effectively excreted and accumulated into the medium with practically no losses, as the bacterial cell wall cannot be lignified. With the presentation of this work, it is now possible for the first time to produce p-cumarylalcohol, one of the main components of lignin, by means of a "metabolic engineering".

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