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Biohybrid-Katalysatoren in Ganzzell-Systemen für selektive chemische Umsetzungen


Kurzfassung

Wissenschaftler der RWTH Aachen haben ein neuartiges Ganzzell-basiertes Biohybrid-Katalysator-System entwickelt.
Das System ermöglicht auch den Einsatz in organischen Lösungsmitteln oder in der Natur nicht verwendeter Metalle wie Ruthenium (Metathese-Reaktion) und bietet so neuartige, kostengünstige Alternativen.


Hintergrund

Im Gegensatz zu isolierten Biohybrid-Katalysatoren sind Ganzzell-Biohybrid-Katalysatoren kostengünstig herzustellen, da aufwendige Reinigungsschritte wegfallen. Ganze Zellen können zudem den Schutz der Proteinstruktur vor denaturierenden Bedingungen ermöglichen.


Bilder & Videos


Problemstellung

Das „protein engineering“ von Biohybrid-Katalysatoren in ganzen Zellen beschränkte sich bisher auf lösliche Proteine im Cyto- und Periplasma. Diese Ansätze sind limitiert durch die begrenzte Aufnahme von Metallkomplexen und Substraten in die Zellen. Zusätzlich sind die meisten Übergangsmetall-Komplexe sehr empfindlich gegenüber nukleophilen Angriffen durch Plasmakomponenten.
Die Lokalisierung von z. B. FhuA und Nitrobindin an der äußeren Zellmembran umgeht das Problem der Membran als Diffusionsbarriere und hält gleichzeitig deaktivierende Nukleophile (im Inneren der Zellen) fern von den an sie gebundenen Katalysatoren.
FhuA und Nitrobindin ermöglichen durch ihre verhältnismäßig großen Kavitäten eine Positionierung der katalyti-schen Komplexe in ihrer β-Fassstruktur. Das führt zu einer umfassenden Kontrolle der Umgebung des Metallkomplexes durch spezifisch austauschbare Aminosäuren und damit zur Steuerung von Selektivität und Aktivität.


Lösung

Wissenschaftler der RWTH Aachen haben ein neuartiges Ganzzell-basiertes Biohybrid-Katalysator-System entwickelt, mit dem synthetische Stoffumwandlungen selektiv durchgeführt werden können. Die Biohybrid-Katalysatoren bestehen aus einem Proteingerüst und einer angebundenen katalytischen Komponente. Als Gerüst fungieren z. B. Proteine mit β-Fassstruktur, an diese gebundene katalytische Komponenten (z. B. organometallische Verbindungen wie Ruthenium enthaltende Grubbs-Hoveyda-Katalysatoren) oder Organokatalysatoren.
Die Biohybrid-Katalysatoren befinden sich z. B. in bzw. an der äußeren E. coli-Membran. Dadurch können chemische Umsetzungen in der industriellen Stoffproduktion realisiert werden, die mit isolierten Katalysatoren – insbesondere aus Kostengründen – nicht attraktiv waren.


Vorteile

  • Neue kostengünstige, selektive Synthesen
  • Erhöhtes Synthesepotential durch in der Natur nicht verwendete Metalle, wie z. B. Ruthenium-katalysierte Metathesereaktion
  • „Protein Engineering“ der Reaktionsumgebung
  • Gute sterische Kontrolle
  • Hohe Selektivität und Aktivität
  • Einsatz von Hochdurchsatz-Durchmusterungsmethoden möglich
  • Einfache Reinigung & leichte Entfernung der Metallkomplexe
  • Maximale Zugänglichkeit der Substrate zum Biohybrid-Katalysator

Anwendungsbereiche

Biohybrid-Katalysatoren ermöglichen eine Vielzahl neuer selektiver Reaktionen durch die Kombination erfolgreicher Prinzipien der Biokatalyse mit denen der homogenen chemischen Katalyse. Sie können z. B. die in der Natur nicht biokatalytisch verwendeten Metalle mit der spezifischen Umgebung von Proteinen vereinen, um selektive chemische Reaktionen zu ermöglichen. Biohybrid-Katalysatoren in Ganzzell-Systemen sind auch in organischen Lösungsmitteln einsetzbar und erlauben kostengünstige und effiziente Methoden der „gelenkten Evolution“ zur Optimierung der Biohybrid-Katalysatoren.


Service

Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwer­tung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.


Technologie-Lizenz-Büro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH

Dr. Frank Schlotter
+ 49 721 790 040
fschlotter@tlb.de
www.tlb.de
Adresse
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe



Entwicklungsstand

Machbarkeit


Patentsituation

  • EP anhängig

Stichworte

Biohybridkatalysator, Ganzzellkatalysator, Übergangsmetalle, Selektivität, maßgeschneidert

Kontakt | Geschäftsstelle

TechnologieAllianz e. V.
Christiane Bach-Kaienburg
(Geschäftsstellenleiterin)

c/o PROvendis GmbH
Schloßstr. 11-15
D-45468 Mülheim an der Ruhr