Application of microorganisms towards synthesis of chiral terpene derivatives Renata Kuriata-Adamusiak & Daniel Strub & Stanisław Lochyński Appl. Microbiol Biotechnol (2012)

Seminar Biotechnologie

Ammar Abdulmughni

Betreuer: Benjamen Stenger

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Inhalt

Terpene: Struktur, Eigenschaften, Anwendungen und Biosynthese

Chemie vs. Biotechnolgoie: Taxol als Beispiel

Biotransformationen der Terpene in Mirkoorganismen:

- Hydroxylierung - Epoxidierung - Baeyer-Villiger-Oxidation - Reduktion von Ketonen

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Terpene

Isopren

-Aromatisch riechende Substanzen- Flüchtig-Hohe Lipophilie-Geringe Wasserlöslichkeit-Geringe Anzahl an funktionelle Gruppen

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Anwendungen der Terpene

Phytoalexine

Phytohormone

Photosynthese, Zellwandsynthese

Pharmazeutika: Entzündungshemmer, Vitamine

Tumortherapie: Zerumbone, Taxol

Reinigungsmittel : Pinene, Limonene

Geschmakstoffe: Menthol

Duftstoffe: Geraniol

Terpenbiosynthese

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Mevalonatweg Methylerythritol Phosphate (MEP)

IPP DMAPP

IPP DMAPP

In Plastiden der Pflanzen , Verschiedene Bakterien und Algen

In Eukaryoten und manchen Bakterien

Isopentenylpyrophosphat Dimethylallylpyrophosphat

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Terpenbiosynthese

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Taxane

Vorkommen in der pazifischen Eibe (Taxus brevifolia)

Taxol (Paclitaxel) in Tumortherapie

2 bis 4 ausgewachsene Eiben sind nötig für eine Dosierung.

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Taxol in der chemischen Synthese

Probleme:

Über 350 Taxoide sind bekannt Sehr Komplexe Struktur: 35 bis 51 Schritte nötig Ausbeute von 0,4 %

Nebenreaktionen

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Taxol Biosynthese

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Biotechnologische Produktion von Taxol

In E. colie mit einer Ausbeute von 1 g/L

MEP Terpenoidweg

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Selektive Biotransformation in Mikroorganismen

Hydroxylierung

Epoxidierung

Baeyer-Villiger Oxidation

Reduktion von Ketonen

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1. (Stereoselektive) Hydroxylierung

Oxygenasen sind Biokatalysatoren für die Hydroxylierung Molekular Sauerstoff als Oxidationsmittel Cytochromes P450

Rhizoctonia solani ist ein weit verbreiteter Bodenpilz

(-) Menthol

Snow blight Krankheit

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2. Epoxidierung

Oxidation der C-C Doppelbindung

Biokatalysatoren sind Oxygenase und Peroxidasen

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2. Epoxidierung

(R)-Limonene Biotransformation

(R)- limonene

α- terpineol γ- terpinene

cis-limonen oxide trans-limonen oxide

Parfümindustrie

Entzündungshemmend

Insektenabstoßend

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3. Baeyer-Villiger-Oxidation

(Baeyer- Villiger) Monooxygenase können Ketone mit hoher regio- und stereoselektivität oxidieren.

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3. Baeyer-Villiger-Oxidation

Dihydrocarveol Biotransformation: Regio- und enantioselektivität

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4. Reduktion von Ketonen

Alkoholdehydrogenasen (ADH)

Biotransformation von Carvon in Gongronella butleri

(R)- carvon

(S)- carvon

Lebensmittelindustrie

Kosmetikindustrie

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Zusammenfassung

Terpene sind Naturstoffe mit vielen Anwendungen

Mevalonatweg oder Methylerythritol-Phosphate-Weg (MEP) liefern die Bausteine für Terpenbiosynthese

Durch Metabolic Engineering können gewünschte Biosynthesewege rekonstruiert

Verschiedene Enzyme können Terpene selektiv umsetzten

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Literatur

Application of microorganisms towards synthesis of chiral terpenoid derivatives Renata; Kuriata-Adamusiak & Daniel Strub & Stanisław Lochyński

Historical and Recent Achievements in the Field of Microbial Degradation of Natural and Synthetic Rubber

Taxol: biosynthesis, molecular genetics, and biotechnological applications; S. Jennewein · R. Croteau,

Terpenbiosynthese in Bakterien und Pflanzen; Werner Knoss , Phawnazte in unserer Zeit / 28. Jahrg. 1999

Escherichia coli Isoprenoid Pathway Optimization for Taxol Precursor Overproduction; Parayil Kumaran Ajikumar et al.; Science 330, 70 (2010);

Metabolic engineering of taxadiene biosynthesis in yeast as a first step towards Taxol (Paclitaxel) production; Benedikt Engels a,1, Pia Dahmb,1, Stefan Jennewein; Metabolic Engineering 10 (2008) 201– 206

Vielen Dank