DE102006017760A1

DE102006017760A1 - Verfahren zur enzymatischen Herstellung von 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren

Info

Publication number: DE102006017760A1
Application number: DE102006017760A
Authority: DE
Inventors: Roland H. Dr. Müller; Thore Dr. Rohwerder
Original assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Current assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2007-09-27
Also published as: RU2459871C2; DE502007003734D1; JP2009538118A; EP1999264A2; WO2007110394A2; MX2008012233A; US20100035314A1; WO2007110394A3; US7923225B2; NO20084416L; BRPI0709142B1; CA2653028A1; BRPI0709142A2; KR20090005052A; RU2008142188A; AU2007229522A1; EP1999264B1; US8349596B2; CA2653028C; US20110165640A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur enzymatischen Herstellung von 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren aus 3-Hydroxycarbonsäuren, wobei eine 3-Hydroxycarbonsäure in einer wässrigen Reaktionslösung produziert und/oder zu dieser Reaktionslösung gegeben und inkubiert wird. Die wässrige Reaktionslösung enthält eine 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität aufweisende Einheit, welche sowohl 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester produzierende als auch 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester isomerisierende Aktivität besitzt und die Umwandlung der 3-Hydroxycarbonsäure in die entsprechende 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure bewirkt, welche als Säure oder in Form ihrer Salze gewonnen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität aufweisende Einheit eine Einheit, die eine isolierte cobalaminabhängige Mutase umfasst und ggf. ein 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester produzierendes Enzym oder Enzymsystem oder ein sie umfassender Mikroorganismus. Vorzugsweise betrifft die Erfindung einen biotechnologischen Prozess zur Produktion von 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren, wobei Mikroorganismen, die die gewünschten Aktivitäten besitzen, in einem wässrigen System mit Hilfe einfacher Naturstoffe kultiviert werden und intrazellulär entstehende 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester zu den entsprechenden 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren umwandeln. Die Erfindung umfasst ebenfalls die Produktion von ungesättigten 2-Methylcarbonsäuren, wobei die gewonnenen 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur enzymatischen Herstellung von 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren aus 3-Hydroxycarbonsäuren, wobei eine 3-Hydroxycarbonsäure in einer wässrigen Reaktionslösung produziert und/oder zu dieser Reaktionslösung gegeben und inkubiert wird. Die wässrige Reaktionslösung enthält eine 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität aufweisende Einheit, welche sowohl 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester produzierende als auch 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester isomerisierende Aktivität besitzt und die Umwandlung der 3-Hydroxycarbonsäure in die entsprechende 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure bewirkt, welche als Säure oder in Form ihrer Salze gewonnen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität aufweisende Einheit eine isolierte cobalaminabhängige Mutase und ggf. ein 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester produzierendes Enzym oder Enzymsystem oder ist ein sie enthaltender Mikroorganismus. Vorzugsweise betrifft die Erfindung einen biotechnologischen Prozess zur Produktion von 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren, wobei Mikroorganismen, die die gewünschte Mutase-Aktivität besitzen, in einem wässrigen System mit Hilfe einfacher Naturstoffe kultiviert werden und intrazellulär entstehende 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester zu den entsprechenden 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren umgewandelt werden. Die Erfindung umfasst ebenfalls die Produktion von ungesättigten 2-Methylcarbonsäuren, wobei die gewonnenen 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren durch Dehydratisierung in die korrespondierenden ungesättigten 2-Methylcarbonsäuren (Methacrylsäure und höhere Homologe) umgewandelt werden.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird als 3-Hydroxycarbonyl-CoA-thioester produzierender und 3-Hydroxycarbonyl-CoA-thioester isomerisierender Mikroorganismus der Stamm HCM-10 (DSM 18028) eingesetzt.

Methacrylsäure sowie homologe ungesättigte 2-Methylcarbonsäuren finden breite Anwendung bei der Produktion von Acrylglasscheiben, Spritzgussformprodukten, Beschichtungen und vielen anderen Produkten.

Mehrere Prozesse zur Herstellung von Methacrylsäure und deren Homologen sind bekannt. Allerdings basiert der weltweit größte Teil der kommerziellen Produktion auf einem Verfahren zur Hydrolyse der Amid-Sulfate von Methacrylsäure und deren Homologe, die aus den entsprechenden 2-Hydroxynitrilen produziert werden (W. Bauer, "Methacrylic acid and derivatives", in: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5. Auflage, Herausgeber: B. Elvers, S. Hawkins, G. Schulz, VCH, New York, 1990, Bd. A16, S. 441–452; A. W. Gross, J. C. Dobson, "Methacrylic acid and derivatives", in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 4. Auflage, Herausgeber: J. I. Kroschwitz, M. Howe-Grant, John Wiley & Sons, New York, 1995, Bd. 16, S. 474–506). Bei dieser Methode werden beispielsweise etwa 1,6 kg Schwefelsäure zur Produktion von 1 kg Methacrylsäure benötigt. Aus diesem Grunde wären alternative Verfahren für die kommerzielle Produktion von Methacrylsäure vorteilhaft, die ohne eine Wiedergewinnung der Schwefelsäure (und dem damit verbundenen hohen Energieaufwand) auskommt.

Die chemische Umwandlung von 2-Hydroxyisobuttersäure in Methacrylsäure ist durch die Patente US 3,666,805 and US 5,225,594 bekannt gemacht worden. Hier wird 2-Hydroxyisobuttersäure durch Einsatz von Metalloxiden, Metallhydroxiden, Ionenaustauscherharzen, Tonerde, Siliziumdioxid, Amine, Phosphine, Alkalimetallalkoxide und -carboxylate dehydratisiert. Übliche Reaktionstemperaturen liegen zwischen 160°C und 250°C. Mit diesem Verfahren konnten Methacrylsäure-Ausbeuten von bis zu 96% erzielt werden.

Ein alternatives Verfahren zur Produktion von Methacrylsäure und deren Homologe ergibt sich durch Hydrolyse von 2-Hydroxynitrilen zu den korrespondierenden 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren unter Nutzung von Nitril-hydrolysierenden Enzymen. Dabei handelt es sich um Nitrilase oder eine Kombination aus Nitril-Hydratase und Amidase (A. Banerjee, R. Sharma, U. C. Banerjee, 2002, "The nitrite-degrading enzymes: current status and future prospects", Appl. Microbiol. Biotechnol., 60:33–44). Dieses Verfahren ist durch mehrere Patente geschützt ( US 6,582,943 B1 ). Ein schwerwiegender Nachteil dieser Methode ist die Instabilität der Nitrile im für eine effiziente Nitril-hydrolisierende Enzymaktivität benötigten neutralen pH-Bereich. Der Zerfall der Nitrile im Reaktionsgemisch führt zu einer Akkumulation von Ketonen und Cyanid, die beide die Nitril-hydrolisierenden Enzymaktivitäten hemmen.

Ein genereller Nachteil beider Verfahren, d.h. des zurzeit dominierenden Verfahrens auf Basis der Amid-Sulfate und des enzymatischen Nitril-hydrolysierenden Verfahrens, ist der Bedarf an 2-Hydroxynitrilen. Diese müssen erst aus umweltschädlichen Edukten, namentlich Ketone und Cyanid, hergestellt werden.

Deshalb wären Verfahren zur Produktion von Methacrylsäure und deren Homologe, die auf einfachen umweltunschädlichen Edukten basieren, von Vorteil.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, nach alternativen Möglichkeiten zur Produktion von 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren zu suchen und Mittel und Verfahren bereitzustellen, die möglichst auf der Anwendung einfacher, umweltunschädlicher Edukte basieren, wenig Energie verbrauchen und wenig Abfallstoffe produzieren.

Die Aufgabe wird durch ein enzymatisches Verfahren zur Herstellung von 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren aus 3-Hydroxycarbonsäuren gelöst. Erfindungsgemäß wird die 3-Hydroxycarbonsäure in einer wässrigen Reaktionslösung, welche eine 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität aufweisende Einheit besitzt, produziert und/oder zu einer solchen Reaktionslösung gegeben. Unter einer 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität aufweisenden Einheit versteht man im Sinne der Erfindung eine Einheit umfassend eine cobalaminabhängige Mutase und ggf. ein 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester produzierendes Enzym oder Enzymsystem bzw. ein sie umfassendes oder produzierendes biologisches System, welche 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität besitzen und sowohl 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester produzierende als auch 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester isomerisierende Aktivität zeigen. Nach Inkubation wird anschließend die entsprechend umgewandelte 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure als Säure oder in Form ihrer Salze gewonnen.

Vorzugsweise betrifft die Erfindung einen biotechnologischen Prozess zur Produktion von 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren unter Verwendung von Mikroorganismen. Diese Mikroorganismen besitzen i.d.R. 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester synthetisierende Aktivität und sind in der Lage, eine solche cobalaminabhängige Mutase zu produzieren bzw. umfassen eine solche Mutase und sind durch die 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität in der Lage, intrazellulär aus einfachen Naturstoffen (aus Edukten, wie z.B. Zucker und/oder Alkoholen und/oder organischen Säuren und deren Derivaten) gebildete 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester in die korrespondierenden 2-Hydroxy-2-methylcarbonyl-CoA-Ester umzuwandeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass man Mikroorganismen, die die cobalaminabhängige Mutase produzieren bzw. umfassen und 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität besitzen, in wässrigen Systemen zur Umwandlung von 3-Hydroxycarbonsäuren in die entsprechende 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure einsetzt.

In einer bevorzugten Verfahrensvariante werden Mikroorganismen, die 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität umfassen und sowohl 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Thioester produzierende als auch 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Thioester isomerisierende Aktivität besitzen in einem wässrigen System mit nachwachsenden Rohstoffen oder aus der Verwertung nachwachsender Rohstoffe anfallender Abfallprodukte als Kohlenstoff- und Energiequelle kultiviert. Dabei werden die intrazellulär gebildeten 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Thioester zu den korrespondierenden 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren umgewandelt. Vorzugsweise erfolgt die Reaktion unter Zugabe externer 3-Hydroxycarbonsäure. Anschließend wird die entsprechende 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure als Säure oder in Form ihrer Salze isoliert.

Dieses neuartige biotechnologische Verfahren, das die Produktion von 3-Hydroxycarbonsäuren aus einfachen Naturstoffen und deren Isomerisierung zu 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren nutzt, ist in der Lage das oben genannte Problem zu lösen.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden Schritte

(a) in einem geeigneten biologischen System, das 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester synthetisierende Aktivität und Mutase-Aktivität besitzt, erfolgt die Produktion von 3-Hydroxycarbonsäuren aus einfachen Naturstoffen und die anschließende Umwandlung in 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren und
(b) Isolierung der 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren als freie Säuren oder als deren korrespondierende Salze.

Die so gewonnenen 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren können vorteilhaft zur Herstellung von C2-C3-ungesättigten Isoalkensäuren (Methacrylsäure und deren Homologe) eingesetzt werden, was durch Dehydratisierung der in (a) und (b) hergestellten Säuren oder deren korrespondierenden Salzen erfolgen kann. Diese Reaktionen sind im Folgenden dargestellt:

– einfache Naturstoffe (z. B. nachwachsende Rohstoffe oder aus der Verwertung nachwachsender Rohstoffe anfallende Abfallprodukte, wie z.B. Zucker, organische Säuren oder Alkohole) → 3-Hydroxycarbonsäuren → 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren (z. B. durch Stamm HCM-10)
– 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren → Methacrylsäure und Homologe (z.B. in Gegenwart von NaOH und einer Temperatur von 185°C)

Die Reaktionsbedingungen (pH-Wert, Ionenkonzentration, Sauerstoff/Kohlendioxidbedarf, Spurenelemente, Temperaturen und ähnliches) werden dabei selbstverständlich so gewählt, dass die Mikroorganismen zu einer optimalen Umsetzung von 3-Hydroxycarbonsäuren zu 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren befähigt sind. Unter diesen Verfahrensbedingungen kann die cobalaminabhängige Mutase im natürlichen Mikro-Milieu, also innerhalb der Zelle, eine höhere Stabilität und Effektivität aufweisen als das isolierte Enzym. Darüber hinaus kann unter geeigneten Bedingungen eine Zellvermehrung und somit eine Erhöhung der Mutase-Konzentration möglich sein. Somit bedeutet die enzymatische Umsetzung mittels Mikroorganismen ggf. einen bedeutenden Vorteil, was Zuverlässigkeit, Automatisierung und Einfachheit sowie Qualität und Ausbeute des Endproduktes des Verfahrens angeht.

Für die erfindungsgemäße enzymatische Umsetzung von 3-Hydroxycarbonsäuren in 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren ist es auch möglich, die 3-Hydroxycarbonsäure- CoA-Mutase-Aktivität besitzende Einheit, also eine cobalaminabhängige Mutase vorzugsweise in Kombination mit einer CoA-Ester synthetisierenden Aktivität, in gereinigter, angereicherter und/oder isolierter Form in die Reaktionslösung einzubringen, wobei die Enzyme z.B. natürlichen Ursprungs sein können. Selbstverständlich können die Enzyme rekombinant hergestellte Enzyme aus einem gentechnisch veränderten Organismus sein.

Die Enzyme werden im erfindungsgemäßen Verfahren im Sinne der Erfindung als Katalysatoren sowohl in Form von intakten mikrobiellen Zellen als auch in Form von permeabilisierten mikrobiellen Zellen eingesetzt. Weitere Einsatzmöglichkeiten bestehen in Form von Komponenten (eine oder mehrere) aus mikrobiellen Zellextrakten, aber auch in partiell gereinigter oder gereinigter Form. Gegebenenfalls werden weitere CoA-Ester synthetisierende Enzyme, z.B. CoA-Transferase oder CoA-Synthetasen, erfindungsgemäß eingesetzt. Die enzymatischen Katalysatoren können immobilisiert sein oder an ein gelöstes oder ungelöstes Trägermaterial angeheftet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante werden bestimmte Zellkompartimente oder Teile davon voneinander getrennt oder vereinigt, das heißt, Kohlenhydratstrukturen, Lipide oder Proteine und/oder Peptide sowie Nukleinsäuren, die in der Lage sind, die Mutase-Aktivität aufweisende Einheit positiv oder negativ zu beeinflussen, können kombiniert oder getrennt werden. Um eine solche Beeinflussung bewusst zu nutzen, werden aus den Mikroorganismen z.B. fachgemäß Rohextrakte hergestellt, welche ggf. zentrifugiert werden um eine erfindungsgemäße Umsetzung mit dem Sediment oder dem Überstand durchführen zu können.

3-Hydroxycarbonsäuren (wie z. B. 3-Hydroxybuttersäure) oder genauer gesagt deren intrazellulärer CoA-Thioester 3-Hydroxycarbonyl-CoA können leicht durch eine große Zahl von Bakterienstämmen aus einfachen Naturstoffen hergestellt werden. Diese Säuren stellen die Grundbausteine/Monomere für den weit verbreiteten bakteriellen Kohlenstoff- und Energiespeicherstoff Poly-3-hydroxyalkanoat dar. Umlagerungen des Kohlenstoffs innerhalb des Skelettes von Carbonsäuren sind in bakteriellen als auch in anderen biologischen Systemen ebenfalls weit verbreitet. Bisher konnte allerdings kein biologisches System zur Umwandlung von 3-Hydroxycarbonyl-CoA- Ester in die korrespondierenden 2-Hydroxy-2-methylcarbonyl-CoA-Ester nachgewiesen werden. Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass Systeme mit cobalaminabhängiger Mutase-Aktivität beide Eigenschaften besitzen.

Cobalaminabhängige Mutasen enthaltende Mikroorganismen sind z.B. Methylibium petroleiphilum PM1, Methylibium sp. R8 (Stammsammlung UFZ Leipzig), der β-proteobakterielle Stamm HCM-10, Xanthobacter autotrophicus Py2 oder Rhodobacter sphaeroides (ATCC17029).

Ein bevorzugt geeignetes biologisches System wurde mit dem Stamm HCM-10 gefunden. Er wurde gemäß Budapester Vertrag über die Hinterlegung von Mikroorganismen für die Zwecke von Patentverfahren bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Braunschweig, DE unter der Nr. DSM 18028 am 13.03.2006 hinterlegt.

Unter Verwendung dieses bevorzugten biologischen Systems konnte eine besonders gute Ausbeute an 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren, insbesondere von 2-Hydroxyisobuttersäure, erzielt werden. Jedoch ist die enzymatische Umsetzung durch Mikroorganismen keinesfalls auf diesen Stamm beschränkt. Sämtliche Organismen, die in der Lage sind, 3-Hydroxycarbonsäuren zu 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren umzuwandeln, können erfindungsgemäß eingesetzt werden.

Dabei kann es sich um Mikroorganismen handeln, die zum einen über das gleiche Gen bzw. Genprodukt verfügen oder zum anderen ein analoges Gen besitzen, welches zu Genprodukten mit ähnlicher oder analoger Aktivität führt. D.h. 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Mutase-Aktivitäten anderer Herkunft sind durch die Erfindung ebenfalls abgedeckt. Ebenso schließt die Erfindung transformierte Systeme, die eine oder eine ähnliche 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Mutase-Aktivität wie Stamm HCM-10 oder die anderer Herkunft besitzen, mit ein.

Dazu können Mutanten, gentechnisch geänderte sowie isolierte Abwandlungen der Mikroorganismen zählen, z.B. Organismen, die aufgrund des Einführens einer Mutase-codierenden Nukleotidsequenz die gewünschte cobalaminabhängige Mutase-Aktivität aufweisen.

Das bevorzugt eingesetzte biologische System (Stamm HCM-10-DSM 18028) stellt 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester als Thioester, aus einfachen Naturstoffen wie Zucker und/oder organischen Säuren und/oder Alkoholen und deren Derivaten her. Im hier verwendeten bevorzugten System werden die 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester durch die cobalaminabhängige Kohlenstoffskelett-umgestaltende Mutase in 2-Hydroxy-2-methylcarbonyl-CoA-Ester umgewandelt, wie in Gleichung 1 beispielhaft für den Fall des (R)-3-Hydroxybutyryl-CoA gezeigt ist. Der CoA-Thioester wird im System hydrolysiert und die Säure ins Kulturmedium ausgeschieden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung werden die Enzym-Katalysatoren, insbesondere Mikroorganismen, Rohextrakte, Teile davon und/oder die angereicherten oder isolierten Enzyme immobilisiert eingesetzt. Durch die Immobilisierung werden Enzyme, Zellorganellen und Zellen in einen unlöslichen und reaktionsraumbegrenzten Zustand versetzt. So können sie z.B. in einer Polymer-Matrix immobilisiert werden (z. B. Alginat-, Polyvinylalkohol- oder Polyacrylamid-Gele). Eine Immobilisierung kann auch auf gelösten oder ungelösten Trägermaterialien (z. B. Celit) zur Erleichterung der Katalysator-Wiedergewinnung und -benutzung erfolgen. Methoden zur Zell-Immobilisierung in einer Polymer-Matrix oder auf einem gelösten oder ungelösten Träger sind dem Fachmann bekannt und bereits ausführlich beschrieben worden. Die Enzymaktivitäten können ebenfalls aus den mikrobiellen Zellen isoliert werden. Diese können dann direkt als Katalysator oder in einer Polymer-Matrix oder auf einem gelösten oder ungelösten Träger immobilisiert eingesetzt werden. Die dazu nötigen Methoden sind dem Fachmann bekannt und beschrieben z.B. in Methods in Biotechnology, Bd. 1: Immobilization of enzymes and cells, Herausgeber: G. F. Bickerstaff, Humana Press, Totowa, New Jersey, 1997.

Die Umwandlung von 3-Hydroxycarbonsäuren in 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren erfolgt bevorzugt im Rahmen eines kontinuierlichen Verfahrens, welches in einem durchströmten Reaktor durchgeführt werden kann, in dem mikrobielles Wachstum und somit die Produktbildung stattfindet. Unter einem kontinuierlichen Verfahren kann jedoch auch jedes System wachsender Zellen und katalysierender Enzyme verstanden werden, dem einerseits Nährlösung zugeführt wird und aus dem andererseits Kulturlösung, einschließlich enzymatisch gebildeter 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure abgezogen wird. Erfindungsgemäß kann das Verfahren auch als semikontinuierliches oder Batch-Verfahren durchgeführt werden.

Wie bereits ausgeführt wird die 3-Hydroxycarbonsäure, die der Ausgangstoff für die 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure ist, bevorzugt durch enzymatische Umwandlung von Kohlenhydraten und/oder organischen Säuren und/oder Alkoholen bzw. deren Derivaten hergestellt. Im Zusammenhang mit der Erfindung kommen neben der cobalaminabhängigen Mutase gegebenenfalls weiterhin CoA-Ester synthetisierende Enzyme zum Einsatz, welche im Mikroorganismus vorhanden sind oder zugegeben werden. Dabei erfolgt die Umwandlung von Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenhydraten und/oder organischen Säuren und/oder Alkoholen bzw. dessen Derivaten in die 3-Hydroxycarbonsäure und von der 3-Hydroxycarbonsäure in die 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure in einem einzigen Verfahrensschritt, d.h. die Umwandlung der Ausgangssubstrate bis hin zu der 3-Hydroxycarbonsäure und die enzymatischen Umwandlungsreaktionen der 3-Hydroxycarbonsäure in die korrespondierende 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure laufen gleichzeitig oder leicht zeitversetzt in ein und derselben Reaktionslösung ab.

In einer ganz besonderen Ausführung der Erfindung wird zur Kultivierung ein Substrat mit einem tert. Butylrest als Kohlenstoff- und Energiequelle eingesetzt, vorzugsweise dient tert. Butylalkohol als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle in einem Basalmedium.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Herstellung von 2-Hydroxy-2-methylpropansäure (2-Hydroxyisobuttersäure) einsetzbar. Die bevorzugte Herstellung von 2-Hydroxyisobuttersäure ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass extern 3-Hydroxybuttersäure zugegeben wird.

Das Verfahren kann aerob, vorzugsweise beim Einsatz ganzer Zellen, durchgeführt werden oder auch anaerob, z.B. unter Stickstoffbegasung, vorzugsweise wenn Extrakte oder gereinigte Enzyme verwendet werden.

Die Erfindung betrifft auch Nukleinsäuremoleküle, codierend ein Enzym mit der Aktivität einer cobalaminabhängigen Mutase, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus

a) Nukleinsäuremolekülen, die ein Protein codieren, das die unter Seq. Nr. 2 und/oder Seq. Nr. 4 angegebene Aminosäuresequenzen umfasst;
b) Nukleinsäuremolekülen, die die unter Seq. Nr. 1 und/oder Seq. Nr. 3 dargestellte Nukleotidsequenz umfassen;
c) Nukleinsäuremolekülen, die mit einem der unter a) oder b) genannten Nukleinmoleküle hybridisieren und
d) Nukleinsäuremolekülen, deren Nukleotidsequenz aufgrund der Degeneration des genetischen Codes von der Sequenz der unter b) oder c) genannten Nukleinsäuremoleküle abweicht.

Es hat sich gezeigt, dass ein erfindungsgemäßes Enzym bevorzugt ein heterodimeres Protein darstellt, welches die unter Seq. Nr. 2 und Seq. Nr. 4 beschriebenen Untereinheiten umfasst und so eine hervorragende Enzymaktivität besitzt.

Ein Nukleinsäuremolekül kann ein DNA-Molekül, vorzugsweise cDNA oder genomische DNA und/oder ein RNA-Molekül sein. Sowohl Nukleinsäuren als auch Proteine können aus natürlichen Quellen isoliert werden, vorzugsweise aus DSM 18028, aber z.B. auch aus Methylibium petroleiphilum PM1, Methylibium sp. R8 (Stammsammlung UFZ Leipzig), Xanthobacterautotrophicus Py2 oder Rhodobacter sphaeroides (ATCC17029) oder sie können nach bekannten Verfahren synthetisiert werden.

In den erfindungsgemäßen Nukleinsäuremolekülen können mittels an sich bekannter molekularbiologischer Techniken Mutationen erzeugt werden, was ermöglicht, dass weitere Enzyme mit analogen oder ähnlichen Eigenschaften synthetisiert werden können, die ebenfalls Gegenstand der Erfindung sind. Mutationen können Deletionsmutationen sein, die zu verkürzten Enzymen führen. Durch andere molekulare Mechanismen wie z.B. Insertionen, Duplikationen, Transpositionen, Genfusion, Nukleotidaustausch oder auch Gentransfer zwischen verschiedenen Mikroorganismenstämmen können ebenfalls modifizierte Enzyme mit ähnlichen oder analogen Eigenschaften erzeugt werden.

Die Identifizierung und Isolierung derartiger Nukleinsäuremoleküle kann unter Verwendung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuremoleküle oder Teilen davon erfolgen. Die mit den erfindungemäßen Nukleinsäuremolekülen hybridisierenden Moleküle umfassen auch Fragmente, Derivate und allelische Varianten der oben beschriebenen Nukleinsäuremoleküle, die ein erindungsgemäßes Enzym codieren. Unter Fragmente werden dabei Teile der Nukleinsäuremoleküle verstanden, die lang genug sind, um das beschriebene Enzym zu codieren. Unter Derivat werden Sequenzen dieser Moleküle verstanden, die sich von den Sequenzen der oben beschriebenen Nukleinsäuremoleküle an einer oder mehreren Positionen unterscheiden, aber einen hohen Grad an Homologie zu diesen Sequenzen aufweisen. Homologie bedeutet dabei eine Sequenzidentität von mindestens 40%, insbesondere eine Identität von mindestens 60%, vorzugsweise über 80% und besonders bevorzugt über 90%, 95%, 97% oder 99% auf Nukleinsäureebene. Dabei weisen die codierten Enzyme eine Sequenzidentität zu den in den Seq. Nr. 2 und 4 angegebenen Aminosäuresequenzen von mindestens 60%, vorzugsweise von mindestens 80%, besonders bevorzugt von mindestens 95% auf Aminosäureebene auf. Die Abweichungen können dabei durch Deletion, Substitution, Insertion oder Rekombination entstanden sein. Es kann sich dabei um natürlich auftretende Variationen handeln, beispielsweise um Sequenzen aus anderen Organismen, oder um Mutationen, wobei diese Mutationen auf natürliche Weise auftreten können oder durch gezielte Mutagenese (UV-Strahlen, Röntgenstrahlen, chemische Mittel oder weitere). Ferner kann es sich bei den Varianten um synthetisch hergestellte Sequenzen handeln. Diese Varianten weisen bestimmte gemeinsame Charakteristika auf, wie z.B. Enzymaktivität, aktive Enzymkonzentration, Untereinheiten, funktionelle Gruppen, immunologische Reaktivität, Konformation und/oder physikalische Eigenschaften, wie das Laufverhalten in Gelelektrophorese, chromatographisches Verhalten, Löslichkeit, Sedimentationskoeffizienten, pH-Wert-Optimum, Temperatur-Optimum, spektroskopische Eigenschaften, Stabilität und/oder andere.

Gegenstand der Erfindung sind weiterhin auch die Proteine mit der Sequenz Nr. 2 und 4 sowie ein heterodimeres Protein umfassend die Seq. Nr. 2 und Seq. Nr. 4 sowie deren zu mindestens 60% Homologen, bzw. zu ihre zu mindestens 80%, besonders bevorzugt ihre zu mindestens 95% Homologen.

Seq. Nr. 1 zeigt die 1644 bp umfassende Nukleotidsequenz für die große Untereinheit der cobalaminabhängigen Mutase aus DSM 18028.

Seq. Nr. 2 zeigt die 548 AS umfassende Aminosäuresequenz der großen Untereinheit der cobalaminabhängigen Mutase aus DSM 18028.

Seq. Nr. 3 zeigt 369 bp der partiellen Nukleotidsequenz für die kleine Untereinheit der cobalaminabhängigen Mutase aus DSM 18028.

Seq. Nr. 4 zeigt die 123 AS umfassende partielle Sequenz der Untereinheit der cobalaminabhängigen Mutase aus DSM 18028.

Die erfindungsgemäß hergestellten 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren können durch Behandlung des Kulturmediums (nach Entfernung von ungelösten Bestandteilen wie mikrobiellen Zellen) mit bereits bekannten Methoden isoliert werden. Solche Verfahren sind neben weiteren z. B. Konzentrierung, Ionenaustausch, Destillation, Elektrodialyse, Extraktion und Kristallisation. Das Produkt kann als Salz oder (nach Ansäuerung) als protonierte 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure isoliert werden.

2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren (oder deren korrespondierende Salze) können durch eine Vielzahl von Verfahren zu den entsprechenden ungesättigten 2-Methylcarbonsäuren dehydratisiert werden. Zur Herstellung von C2-C3 ungesättigten Isoalkensäuren werden die hergestellten 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure nach den bekannten Verfahren des Standes der Technik dehydratisiert. Die Dehydratisierung der 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren kann durch Einsatz von Metalloxiden, Metallhydroxiden, Ionenaustauscherharzen, Tonerde, Siliziumdioxid, Aminen, Phosphinen, Alkalimetallalkoxiden und -carboxylaten erfolgen. Übliche Reaktionstemperaturen liegen zwischen 160°C und 250°C. So erfolgt z.B. die Herstellung von Methacrylsäure durch Dehydratisierung der 2-Hydroxyisobuttersäure in Gegenwart von NaOH, bei Temperaturen von ca. 185°C.

Die durch diesen Prozess hergestellte Methacrylsäure und deren Homologe finden zweckdienliche Anwendung in einer ganzen Reihe von Industriezweigen, z. B. als Zusatzstoffe und in Beschichtungen. Die Methode vereinigt im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren die gewünschten Vorteile eines Niedrigtemperatur-Prozesses, des Einsatzes von umweltunschädlichen Edukten und von geringer Abfallentstehung.

Anschließend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher beschrieben, auf die sie jedoch nicht beschränkt werden soll.

Material und Methoden

Mikrobieller Enzym-Katalysator

Mikrobielle Zellen aus Stamm HCM-10 (DSM 18028), die durch eine 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester produzierende und 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester isomerisierende Aktivität charakterisiert sind oder die daraus isolierten Proteinuntereinheiten mit der Sequenz Nr. 2 und Nr. 4.

Wachstum des mikrobiellen Enzym-Katalysators

Der für die Herstellung von 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren eingesetzte mikrobielle Stamm wurde wie unten beschrieben isoliert. Stammkulturen werden in 20%iger Glyzerin-Lösung in flüssigem Stickstoff gelagert.

Stamm HCM-10 wurde aus Grundwasser auf einem Basalmedium (Tab. 1) mit tert.-Butylalkohol als alleiniger Kohlenstoff- und Energiequelle angereichert. Phylogenetisch gehört der Stamm zur Rubrivivax-Leptothrix-Gruppe. Tabelle 1

Stamm HCM-10 wurde aerob unter den folgenden Bedingungen (Tab. 2) zum Testen der 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Mutase-Aktivität angezogen. Tabelle 2

Zellen wurden unmittelbar nach der Ernte eingesetzt. Intakte Zellen können ohne weitere Vorbehandlung, wie z. B. Permeabilisierung, eingesetzt werden. Außerdem können die Zellen permeabilisiert verwendet werden (z. B. durch Behandlung mit Toluen, Detergenzien oder durch Gefrier-Auftau-Zyklen), um die Diffusionsraten von Stoffen in die Zellen hinein und aus den Zellen hinaus zu verbessern.

Die Konzentration der 2-Hydroxyisobuttersäure und 3-Hydroxybuttersäure in der Kulturflüssigkeit bzw. im Reaktionsansatz wurden durch Gaschromatographie nach saurer Methanolyse unter Nutzung einer FFAP Säule und eines FID Detektors bestimmt.

Beispiel 1:
Konversion von 3-Hydroxybuttersäure in 2-Hydroxyisobuttersäure durch Stamm HCM-10
Eine Suspension von 1 g (Trockengewicht) Zellen von Stamm HCM-10 in 100 mL Basalmedium wurde in 120-mL-Serumflaschen gefüllt. Zu dieser Suspension wurden 50 mg 3-Hydroxybuttersäure gegeben und die Suspension auf einem rotierenden Schüttler bei 30°C inkubiert. Nach 0,3 h aerober Inkubation wurde die Suspension mit Stickstoff begast und weitere 4,4 h bei 30°C unter Schütteln inkubiert. Zu verschiedenen Zeiten wurden Proben genommen und der Gehalt an 2-Hydroxyisobuttersäure und 3-Hydroxybuttersäure im zellfreien Überstand nach Zentrifugation der Suspension bestimmt. 2-Hydroxyisobuttersäure wurde als alleiniges Produkt festgestellt, das in der anaeroben Phase freigesetzt wurde. In der aeroben initialen Phase wurde 3-Hydroxybuttersäure dagegen offensichtlich komplett abgebaut (1). Die Ausbeute an 2-Hydroxyisobuttersäure war in diesem Fall 5,1%, ca. 80% der 3-Hydroxybuttersäure verblieben in der Reaktionsflüssigkeit.
Beispiel 2:
Konversion von 3-Hydroxybuttersäure in 2-Hydroxyisobuttersäure durch Rohextrakt von Stamm HCM-10
Zellfreier Rohextrakt von Stamm HCM-10 wurde durch Desintegration der Zellen in einer Kugelmühle hergestellt, Zellbruchstücke wurden nachfolgend durch Zentrifugation abgetrennt. Zellfreier Rohextrakt in einer Konzentration von 10 mg Protein in 5 mL 50-mM-Kaliumphosphatpuffer (enthält 1 mM MgCl₂ bei pH 7,2) wurde in verschließbare 10-mL-Glasgefäße gegeben. Diesem Extrakt wurde im Weiteren 0,01 mM Coenzym B12, 1 mM CoenzymA, 1 mM ATP und 4,25 mg 3-Hydroxybuttersäure zugesetzt. Die Reaktionsflüssigkeit wurde mit Stickstoff begast, das Reaktionsgefäß dicht verschlossen und unter Schütteln 2 h bei 30°C inkubiert. Die Reaktionsprodukte wurden wie oben gezeigt analysiert. Die Ausbeute an 2- Hydroxyisobuttersäure war in diesem Fall 9%, ca. 88% der 3-Hydroxybuttersäure verblieben in der Reaktionsflüssigkeit (2).
Beispiel 3:
Dehydratisierung von 2-Hydroxyisobuttersäure zu Methacrylat
Eine Lösung von 2-Hydroxyisobuttersäure (1 mg/5 mL), produziert entspr. der in Beispiel 2 ausgeführten Prozedur wurde unter Rühren mit NaOH (0.06 mg) versetzt. Die Lösung wurde unter Rührung und Rückflusskühlung bei 185–195°C unter Vakuum (300 torr) inkubiert. Über einen Zeitraum von 5 h wurden stündlich weitere Aliquote von 0.5 mg 2-Hydroxyisobuttersäure pro 5 mL zugesetzt, diese enthielten zusätzlich 0.4 Gewichtsprozent p-Methoxyphenol, um ein Polymerisieren von Methacrylat zu verhindern. Nach 24 h Inkubation wurde die Reaktion beendet. Der Umsatz an 2-Hydroxyisobuttersäure zu Methacrylat belief sich auf 97%. Die Abtrennung von Methacrylsäure aus dem Reaktionsansatz erfolgte durch Destillation.

Es folgt ein Sequenzprotokoll nach WIPO St. 25. Dieses kann von der amtlichen Veröffentlichungsplattform des DPMA heruntergeladen werden.

Claims

Verfahren zur enzymatischen Herstellung von 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren aus 3-Hydroxycarbonsäuren, dadurch gekennzeichnet, dass eine 3-Hydroxycarbonsäure in einer wässrigen Reaktionslösung, die eine 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität aufweisende Einheit enthält, welche sowohl 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester produzierende als auch 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester isomerisierende Aktivität besitzt, produziert und/oder zu dieser Reaktionslösung gegeben wird, inkubiert und anschließend die entsprechend umgewandelte 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure als Säure oder in Form ihrer Salze gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität aufweisende Einheit eine isolierte cobalaminabhängige Mutase umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität aufweisende Einheit ein 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester produzierendes Enzym oder Enzymsystem umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität aufweisende Einheit ein Mikroorganismus oder ein Rohextrakt davon ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass man Mikroorganismen, die eine cobalaminabhängige Mutase produzieren bzw. umfassen, 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität besitzen und sowohl 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester produzierende als auch 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester isomerisierende Aktivität aufweisen, in wässrigen Systemen zur Umwandlung von 3-Hydroxycarbonsäuren in die entsprechende 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass a) Mikroorganismen mit 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase-Aktivität, die sowohl 3-Hydroxycarbonyl-CoA-Thioester produzierende Aktivität als auch 3- Hydroxycarbonyl-CoA-Thioester isomerisierende Aktivität besitzen in einem wässrigen System mit nachwachsenden Rohstoffen oder aus der Verwertung nachwachsender Rohstoffe anfallender Abfallprodukte als Kohlenstoff- und Energiequelle kultiviert werden, wodurch intrazellulär 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Thioester synthetisiert und zu den korrespondierenden 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren umgewandelt werden, und b) die entsprechende 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure als Säure oder in Form ihrer Salze isoliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion unter Zugabe externer 3-Hydroxycarbonsäure erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mikroorganismus Bakterienstamm HCM-10 DSM 18028 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ganze Zellen der Mikroorganismen, unverändert, permeabilisiert oder trägerfixiert eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Zellextrakte und/oder die cobalaminabhängige Mutase, und ggf. die weiteren Enzyme, wie z.B. CoA-Ester synthetisierende Enzyme nach teilweiser oder vollständiger Isolierung aus den Mikroorganismen, ggf. in gereinigter Form, eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zellfreie Rohextrakte der Mikroorganismen eingesetzt werden, vorzugsweise zellfreie Rohextrakte des Mikroorganismus HCM-10.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur enzymatischen Umsetzung während der Kultivierung ein Zucker und/oder ein Alkohol und/oder eine organische Säure und/oder ein Kohlenwasserstoff oder deren Derivate als Kohlenstoff- und Energiequelle eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kultivierung ein Substrat mit einem tert. Butylrest als Kohlenstoff- und Energiequelle eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kultivierung tert. Butylalkohol als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle in einem Basalmedium eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die enzymatische Umsetzung von einem Zucker und/oder einem Alkohol und/oder einer organische Säure und/oder einem Kohlenwasserstoff oder deren Derivaten zur 3-Hydroxycarbonsäure und von der 3-Hydroxycarbonsäure zur 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure in einem einzigen Verfahrensschritt erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass unter Zugabe von externer 3-Hydroxybuttersäure die Herstellung von 2-Hydroxyisobuttersäure erfolgt.
Verfahren zur Herstellung von C2-C3 ungesättigten Isoalkensäuren, dadurch gekennzeichnet, dass eine nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellte 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäure dehydratisiert wird.
Verfahren zur Herstellung von Methacrylsäure, dadurch gekennzeichnet, dass eine nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellte 2-Hydroxyisobuttersäure dehydratisiert wird.
Mikroorganismenstamm HCM-10-DSM 18028.
Nukleinsäuremolekül codierend ein Enzym mit der Aktivität einer cobalaminabhängigen Mutase, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus a) Nukleinsäuremolekülen, die ein Protein codieren, das die unter Seq. Nr. 2 und/oder Seq. Nr. 4 angegebenen Aminosäuresequenzen umfasst; b) Nukleinsäuremolekülen, die die unter Seq. Nr. 1 und/oder Seq. Nr. 3 dargestellte Nukleotidsequenz umfassen; c) Nukleinsäuremolekülen, die mit einem der unter a) oder b) genannten Nukleinmoleküle hybridisieren und d) Nukleinsäuremolekülen, deren Nukleotidsequenz aufgrund der Degeneration des genetischen Codes von der Sequenz der unter b) oder c) genannten Nukleinsäuremoleküle abweicht.
Nukleinsäuremolekül nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Protein codiert, das als oligomeres Enzym zusammengesetzt aus zwei verschiedenen Untereinheiten die unter Seq. Nr. 2 und Seq. Nr. 4 angegebenen Aminosäuresequenzen umfasst.
Nukleinsäuremolekül nach Anspruch 20 oder 21, das ein DNA-Molekül ist.
Nukleinsäuremolekül nach Anspruch 22, das eine cDNA oder genomische DNA ist.
Nukleinsäuremolekül nach Anspruch 20 oder 21, das ein RNA-Molekül ist.
Protein mit der Aktivität einer cobalaminabhängigen Mutase codiert von einem Nukleinsäuremolekül gemäß Anspruch 20 bis 24.
Protein mit der Sequenz Nr. 2 und seine zu mindestens 60% Homologen.
Protein mit der Sequenz Nr. 4, und seine zu mindestens 60% Homologen.
Protein als heterodimeres Enzym umfassend Sequenz Nr. 2 und Sequenz Nr. 4.