DE102014218121A1 - Process for the enzymatic preparation of 2-hydroxycarboxylic acids - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur enzymatischen Herstellung von 2-Hydroxycarbonsäuren. Zur Herstellung von 2-Hydroxycarbonsäuren werden Formyl-CoA und eine Carbonylverbindung ausgewählt aus Keton oder Aldehyd in einer wässrigen Reaktionslösung inkubiert. Die Lösung enthält und/oder produziert ein Enzymsystem, das mindestens eine 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase zur Bildung eines 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Esters aufweist. Über den entsprechenden 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester wird die 2-Hydroxycarbonsäure als freie Säure oder in Form ihrer Salze gewonnen.The present invention relates to a process for the enzymatic preparation of 2-hydroxycarboxylic acids. To prepare 2-hydroxycarboxylic acids, formyl-CoA and a carbonyl compound selected from ketone or aldehyde are incubated in an aqueous reaction solution. The solution contains and / or produces an enzyme system which has at least one 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase to form a 2-hydroxycarbonyl-CoA ester. About the corresponding 2-hydroxycarbonyl-CoA ester, the 2-hydroxycarboxylic acid is obtained as the free acid or in the form of their salts.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur enzymatischen Herstellung von 2-Hydroxycarbonsäuren.The present invention relates to a process for the enzymatic preparation of 2-hydroxycarboxylic acids.
2-Hydroxycarbonsäuren, insbesondere die 2-Hydroxy-2-alkylcarbonsäuren und die nach Dehydratisierung entstehenden ungesättigten 2-Alkylcarbonsäuren, namentlich die C4-Säuren 2-Hydroxyisobuttersäure und Methacrylsäure und deren Alkyl- bzw. speziell Methyl-Ester sind wichtige Bausteine für die Synthese einer Vielzahl von chemischen Produkten, wie z. B. von Polymeren und Beschichtungen.2-hydroxycarboxylic acids, especially the 2-hydroxy-2-alkylcarboxylic acids and the resulting after dehydration unsaturated 2-alkylcarboxylic acids, namely the C 4 acids 2-hydroxyisobutyric acid and methacrylic acid and their alkyl or especially methyl esters are important building blocks for the synthesis a variety of chemical products, such as. B. of polymers and coatings.
Da die industrielle Herstellung zurzeit nur durch nicht-enzymatische Prozesse erfolgt und mit großem Energieaufwand und erheblicher Umweltbelastung verbunden ist, sind biotechnologische Prozesse gefragt, die es ermöglichen, 2-Hydroxycarbonsäuren ressourcenschonender und umweltfreundlicher zu produzieren.Since industrial production is currently only carried out by non-enzymatic processes and requires a great deal of energy and considerable environmental pollution, biotechnological processes are required that make it possible to produce 2-hydroxycarboxylic acids in a more resource-efficient and environmentally friendly manner.
Die biotechnologische Herstellung von 2-Hydroxy-2-methylcarbonsäuren über 3-Hydroxycarbonsäuren auf der Basis von der in den Bakterienstämmen Aquincola tertiaricarbonis HCM-10 (DSM 18028) und Kyrpidia tusciae DSM 2912 gefundenen Cobalamin-abhängigen 3-Hydroxycarbonyl- bzw. 2-Hydroxy-2-methylcarbonyl-CoA-Mutase-Aktivitäten ist zwar bereits bekannt (
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, biotechnologische Verfahren zu finden, die einen oder mehrere Nachteile des Standes der Technik vermeiden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung Enzymsysteme bereitzustellen, die befähigt sind, die Herstellung von 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Estern aus einfachen Ausgangsverbindungen zu bewirken, aus denen im weiteren die 2-Hydroxycarbonsäuren hergestellt werden können, wobei die nachteilige Cobalamin-Abhängigkeit, die bei der Verwendung von Mutasen vorliegt, vermieden werden soll.The object of the present invention is therefore to find biotechnological methods which avoid one or more disadvantages of the prior art. In particular, it is an object of the invention to provide enzyme systems which are capable of effecting the preparation of 2-hydroxycarbonyl-CoA esters from simple starting compounds from which the 2-hydroxycarboxylic acids can be further prepared, the disadvantage being the cobalamin dependence when using mutases, should be avoided.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass mithilfe von 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase-Aktivität aufweisenden Enzymsystemen 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester aus Carbonylverbindungen und Formyl-Coenzym A (Formyl-CoA) hergestellt werden können, die dann in entsprechende 2-Hydroxycarbonsäuren umgewandelt werden können.Surprisingly, it has been found that 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase activity enzyme systems can produce 2-hydroxycarbonyl-CoA esters from carbonyl compounds and formyl-coenzyme A (formyl-CoA), which are then converted to corresponding 2-hydroxycarboxylic acids can.
Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe durch ein enzymatischen Verfahren zur Herstellung von 2-Hydroxycarbonsäuren, wobei Formyl-CoA und eine Carbonylverbindung ausgewählt aus Keton oder Aldehyd in einer wässrigen Reaktionslösung in Gegenwart eines mindestens eine 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase aufweisenden Enzymsystems inkubiert werden. Das 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase aufweisende Enzymsystem ist zur Bildung eines 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Esters befähigt. Nach Inkubation wird über den 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester die entsprechend umgewandelte 2-Hydroxycarbonsäure als freie Säure oder in Form ihrer Salze gewonnen.The present invention solves the problem by an enzymatic process for the preparation of 2-hydroxycarboxylic acids, wherein formyl-CoA and a carbonyl compound selected from ketone or aldehyde are incubated in an aqueous reaction solution in the presence of an enzyme system having at least one 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase. The 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase enzyme system is capable of forming a 2-hydroxycarbonyl-CoA ester. After incubation, the correspondingly converted 2-hydroxycarboxylic acid is obtained via the 2-hydroxycarbonyl-CoA ester as free acid or in the form of its salts.
Soweit nachfolgend der Kontext nicht eindeutig etwas anderes ergibt, ist bei der Verwendung von Singular-Formen bzw. Plural-Formen stets sowohl die Mehr- als auch die Einzahl umfasst. Unless the context clearly indicates otherwise, the use of singular forms or plural forms always includes both the multiple and the singular.
Der Begriff „2-Hydroxycarbonsäuren” bezeichnet Hydroxycarbonsäuren mit der allgemeinen Struktur der Formel (I):
Die produzierte 2-Hydroxycarbonsäure kann z. B. eine Alkylhydroxycarbonsäure bzw. 2-Hydroxy-2-alkylcarbonsäure sein, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 2-Hydroxyessigsäure (Glycolsäure), 2-Hydroxypropansäure (Milchsäure), 2-Methyl-2-hydroxypropansäure (2-Hydroxyisobuttersäure), 2-Hydroxybutansäure, 2-Methyl-2-hydroxybutansäure, 2-Ethyl-2-hydroxybutansäure, 2-Hydroxypentansäure, 2-Hydroxyhexansäure, 2-Hydroxyheptansäure, 2-Hydroxyoctansäure, 2-Hydroxynonansäure, 2-Hydroxydecansäure, 2-Hydroxyundecansäure, 2-Hydroxydodecansäure (alpha-Hydroxylaurinsäure), 2-Hydroxytetradecansäure (alpha-Hydroxymyristinsäure), 2-Hydroxyhexadecansäure (alpha-Hydroxypalmitinsäure), 2-Hydroxyoctadecansäure (alpha-Hydroxystearinsäure), 2-Hydroxyeicosansäure (alpha-Hydroxyarachidonsäure), 2-Hydroxytetraeicosansäure (Cerebronsäure) und 2-Hydroxytetraeicosensäure (alpha-Hydroxynervonsäure).The produced 2-hydroxycarboxylic acid may, for. Example, be an alkylhydroxycarboxylic acid or 2-hydroxy-2-alkylcarboxylic acid, preferably selected from the group consisting of 2-hydroxyacetic acid (glycolic acid), 2-hydroxypropanoic acid (lactic acid), 2-methyl-2-hydroxypropanoic acid (2-hydroxyisobutyric acid), 2 -Hydroxybutanoic acid, 2-methyl-2-hydroxybutanoic acid, 2-ethyl-2-hydroxybutanoic acid, 2-hydroxypentanoic acid, 2-hydroxyhexanoic acid, 2-hydroxyheptanoic acid, 2-hydroxyoctanoic acid, 2-hydroxynonanoic acid, 2-hydroxydecanoic acid, 2-hydroxyundecanoic acid, 2-hydroxydodecanoic acid (alpha-hydroxylauric acid), 2-hydroxytetradecanoic acid (alpha-hydroxymyristic acid), 2-hydroxyhexadecanoic acid (alpha-hydroxypalmitic acid), 2-hydroxyoctadecanoic acid (alpha-hydroxystearic acid), 2-hydroxyeicosanoic acid (alpha-hydroxyarachidonic acid), 2-hydroxytetraeicosanoic acid (cerebronic acid) and 2 -Hydroxytetraeicosenoic acid (alpha-hydroxynvonic acid).
Die 2-Hydroxycarbonsäure kann weiterhin eine Aralkyl- oder Aryl-2-hydroxycarbonsäure sein, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 2-Phenyl-2-hydroxyessigsäure (Mandelsäure), 2,2-Diphenyl-2-hydroxyessigsäure (Benzilsäure), 2-Phenyl-2-methyl-2-hydroxyessigsäure (Atrolactinsäure), 2-(4'-Hydroxyphenyl)-2-hydroxyessigsäure, 2-(4'-Chlorophenyl)-2-hydroxyessigsäure, 2-(3'-Hydroxy-4'-methoxyphenyl)-2-hydroxyessigsäure, 2-(4'-Hydroxy-3-methoxyphenyl)-2-hydroxyessigsäure, und 2-(3',4'-Dihydroxyphenyl)-2-hydroxyessigsäure.The 2-hydroxycarboxylic acid may furthermore be an aralkyl or aryl-2-hydroxycarboxylic acid, preferably selected from the group consisting of 2-phenyl-2-hydroxyacetic acid (mandelic acid), 2,2-diphenyl-2-hydroxyacetic acid (benzilic acid), 2-hydroxycarboxylic acid, Phenyl-2-methyl-2-hydroxyacetic acid (atrolactic acid), 2- (4'-hydroxyphenyl) -2-hydroxyacetic acid, 2- (4'-chlorophenyl) -2-hydroxyacetic acid, 2- (3'-hydroxy-4'-methyl) methoxyphenyl) -2-hydroxyacetic acid, 2- (4'-hydroxy-3-methoxyphenyl) -2-hydroxyacetic acid, and 2- (3 ', 4'-dihydroxyphenyl) -2-hydroxyacetic acid.
Die 2-Hydroxycarbonsäure kann ebenfalls auch eine Polyhydroxycarbonsäure oder Hydroxypolycarbonsäure sein, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 2,3-Dihydroxypropansäure (Glycerinsäure), 2,3,4-Trihydroxybutansäure (isomere; Erythronsäure, Threonsäure), 2,3,4,5-Tetrahydroxypentansure (isomere; Ribonsäure, Arabinsäure, Xylonsäure, Lyxonsäure), 2,3,4,5,6-Pentahydroxyhexansäure (isomere; Allonsäure, Altronsäure, Gluconsäure, Mannonsäure, Gulonsäure, Idonsäure, Galactonsäure, Talonsäure), 2,3,4,5,6,7-Hexahydroxyheptansäure (Isomere; Glucoheptonsäure, Galactoheptonsäure etc.) und Hydroxypropan-1,3-disäure (Tartronsäure), 2-Hydroxybutan-1,4-disäure (Äpfelsäure), 2,3-Dihydroxybutan-1,4-disäure (Weinsäure), 2-Hydroxy-2-carboxypentan-1,5-disäure (Citronensäure), 2,3,4,5-Tetrahydroxyhexan-1,6-disäure (Isomere; Saccharinsäure, Schleimsäure etc.).The 2-hydroxycarboxylic acid may also be a polyhydroxycarboxylic acid or hydroxypolycarboxylic acid, preferably selected from the group consisting of 2,3-dihydroxypropanoic acid (glyceric acid), 2,3,4-trihydroxybutanoic acid (isomers, erythronic acid, threonic acid), 2,3,4, 5-Tetrahydroxypentansure (isomers; ribonic acid, arabic acid, xylonic acid, lyxonic acid), 2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanoic acid (isomers, allonic acid, altronic acid, gluconic acid, mannonic acid, gulonic acid, idonic acid, galactonic acid, talc acid), 2,3, 4,5,6,7-hexahydroxyheptanoic acid (isomers; glucoheptonic acid, galactoheptonic acid, etc.) and hydroxypropane-1,3-diacid (tartronic acid), 2-hydroxybutane-1,4-diacid (malic acid), 2,3-dihydroxybutane-1 , 4-diacid (tartaric acid), 2-hydroxy-2-carboxypentane-1,5-diacid (citric acid), 2,3,4,5-tetrahydroxyhexane-1,6-diacid (isomers, saccharic acid, mucic acid, etc.).
2-Hydroxycarbonsäuren, die in Salz- oder Lactonform vorliegen, sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gluconolacton, Galactonolacton, Glucuronlacton, Galacturonlacton, Gulonlacton, Ribonolacton, Saccharinsäurelacton, Pantoyllacton, Glucoheptonlacton, Mannonlacton und Galactoheptonlacton.2-Hydroxycarboxylic acids present in salt or lactone form are preferably selected from the group consisting of gluconolactone, galactonolactone, glucuronlactone, galacturonlactone, gulonlactone, ribonolactone, saccharinic acid lactone, pantoyl lactone, glucoheptonlactone, mannonlactone and galactoheptonlactone.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Carbonylverbindung zur Herstellung der 2-Hydroxycarbonsäure ist ausgewählt aus Keton oder Aldehyd, woraus dann die entsprechende Säure resultiert. Vorzugsweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren als Carbonylverbindung eine Keton-Verbindung eingesetzt.The carbonyl compound used in the process according to the invention for the preparation of the 2-hydroxycarboxylic acid is selected from ketone or aldehyde, from which then the corresponding acid results. Preferably, a ketone compound is used in the process according to the invention as the carbonyl compound.
Ketonen und Aldehyden ist die -C=O-Gruppe gemein, die auch Carbonyl-Gruppe genannt wird. In dieser funktionellen Gruppe ist das vierwertige (tetravalente) Kohlenstoffatom über eine Doppelbindung mit einem Sauerstoffatom verbunden. Die Carbonylverbindungen weisen die allgemeine Formel R1R2C=O auf, wobei R1 und R2 die o. g. Bedeutungen besitzen. Bei Verwendung eines Aldehyds ist einer der Reste R1 oder R2 immer ein Wasserstoffatom.Ketones and aldehydes share the -C = O group, also called the carbonyl group. In this functional group, the tetravalent carbon atom is linked to an oxygen atom via a double bond. The carbonyl compounds have the general formula R 1 R 2 C = O, where R 1 and R 2 have the abovementioned meanings. When using an aldehyde, one of the radicals R 1 or R 2 is always a hydrogen atom.
Unter dem Begriff „2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase aufweisendes Enzymsystem” wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein ein oder mehrere Bestandteile oder Komponenten umfassendes katalytisches System verstanden, welche zumindest in der Lage ist aus den Ausgangstoffen Formyl-CoA und Carbonylverbindung einen 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester zu bilden oder zu produzieren. Dabei kann das 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase aufweisende Enzymsystem ein isoliertes Enzym, ein isoliertes Enzymsystem und/oder ein Mikroorganismus oder ein Rohextrakt davon sein, der das mindestens die 2-Hydroxycarbonyl-Synthase enthaltende Enzymsystem aufweist bzw. produziert. In the context of the present invention, the term "2-hydroxycarbonyl-CoA synthase-containing enzyme system" is understood to mean a catalytic system comprising one or more constituents or components which is at least capable of forming a 2-hydroxycarbonyl from the starting materials formyl-CoA and carbonyl compound -CoA ester to form or produce. In this case, the enzyme system having 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase may be an isolated enzyme, an isolated enzyme system and / or a microorganism or a crude extract thereof, which has or produces the enzyme system containing at least the 2-hydroxycarbonyl synthase.
Als 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase aufweisendes Enzymsystem wird bevorzugt ein Mikroorganismus oder zellfreier Rohextrakt, der das Enzymsystem umfasst oder es herstellt, im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet.As the 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase-containing enzyme system, a microorganism or cell-free crude extract comprising or producing the enzyme system is preferably used in the method of the present invention.
„Mikroorganismus” im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens sind mikroskopisch kleine ein- oder mehrzeilige Lebewesen, die als Einzelwesen meist nicht mit bloßem Auge erkennbar sind. Dabei kann es sich sowohl um prokaryotische Organismen wie z. B. Bakterien und Archaeen, als auch um eukaryotische Organismen wie Pilze, z. B. Hefen, handeln. Für die vorliegende Erfindung geeignete Mikroorganismen sind insbesondere diejenigen Bakterien, Archaeen, Hefen und Pilze, die bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH (DSMZ), Braunschweig, Deutschland, als Bakterien-, Archaeen-, Hefe- oder Pilz-Stämme hinterlegt sind."Microorganism" in the sense of the method according to the invention are microscopic single or multi-line living beings, which are usually not recognizable as single beings with the naked eye. It may be both prokaryotic organisms such. As bacteria and archaea, as well as eukaryotic organisms such as fungi, z. As yeasts, act. Microorganisms suitable for the present invention are in particular those bacteria, archaea, yeasts and fungi which are deposited as bacterial, archaeal, yeast or fungal strains in the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH (DSMZ), Braunschweig, Germany ,
Erfindungsgemäß geeignete Mikroorganismen gehören zu denjenigen Gattungen, die unter „
Bevorzugte Mikroorganismen, die im erfindungsgemäßen Verfahren Verwendung finden können z. B. sein: Actinomycetospora chiangmaiensis, Aquincola tertiaricarbonis, Escherichia coli, Cupriavidus necator, Azohydramonas lata, Pseudomonas oleovorans, Methylosinus spp., Methylocyctis trichosporium, Methylobacter spp., Methylobacterium organophilum, Methylobacterium extorquens, Methylobacterium rhodesianum, Ideonella spp., Rhodococcus ruber, Bacillus subtilis, Bacillus mycoides, Bacillus thuringiensis, Bacillus macerans, Bacillus laterosporus, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus licheniformis, Bacillus brevis, Bacillus sphaericus, Bacillus circulans, Bacillus cereus, Bacillus megaterium, Streptomyces coelicolor, Streptomyces fradiae, Streptomyces parvus, Nocardia corallina, Corynebacterium spp., Candida spp., Pichia spp., Saccharomyces spp., Yarrowia spp. Besonders bevorzugt sind Actinomycetospora chiangmaiensis, Aquincola tertiaricarbonis, Escherichia coli, Cupriavidus necator, Methylobacterium extorquens oder Bacillus methanolicus.Preferred microorganisms which can be used in the process according to the invention z. B. Actinomycetospora chiangmaiensis, Aquincola tertiaricarbonis, Escherichia coli, Cupriavidus necator, Azohydramonas lata, Pseudomonas oleovorans, Methylosinus spp., Methylocyctis trichosporium, Methylobacter spp., Methylobacterium organophilum, Methylobacterium extorquens, Methylobacterium rhodesianum, Ideonella spp., Rhodococcus ruber, Bacillus subtilis, Bacillus mycoides, Bacillus thuringiensis, Bacillus macerans, Bacillus laterosporus, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus licheniformis, Bacillus brevis, Bacillus sphaericus, Bacillus circulans, Bacillus cereus, Bacillus megaterium, Streptomyces coelicolor, Streptomyces fradiae, Streptomyces parvus, Nocardia corallina, Corynebacterium spp. , Candida spp., Pichia spp., Saccharomyces spp., Yarrowia spp. Particularly preferred are Actinomycetospora chiangmaiensis, Aquincola tertiaricarbonis, Escherichia coli, Cupriavidus necator, Methylobacterium extorquens or Bacillus methanolicus.
Die Reaktionsbedingungen (pH-Wert, Ionenkonzentration, Sauerstoff/Kohlendioxidbedarf, Spurenelemente, Temperaturen und ähnliches) werden dabei selbstverständlich so gewählt, dass die Mikroorganismen zu einer optimalen Umsetzung von Ketonen/Aldehyden und Formyl-CoA zu 2-Hydroxycarbonsäuren befähigt sind. Unter diesen Verfahrensbedingungen kann das Enzymsystem im natürlichen Mikro-Milieu, also innerhalb der Zelle, eine höhere Stabilität und Effektivität aufweisen als ein isoliertes Enzym. Darüber hinaus kann unter geeigneten Bedingungen eine Zellvermehrung und somit eine Erhöhung der Enzym-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 betrifft.The reaction conditions (pH, ion concentration, oxygen / carbon dioxide requirement, trace elements, temperatures and the like) are of course chosen so that the microorganisms are capable of optimal conversion of ketones / aldehydes and formyl-CoA to 2-hydroxycarboxylic acids. Under these process conditions, the enzyme system in the natural micro-milieu, ie within the cell, a higher stability and effectiveness than an isolated enzyme. In addition, cell proliferation and thus an increase in enzyme concentration may be possible under suitable conditions. Thus, enzymatic conversion by means of microorganisms may be a significant advantage in terms of reliability, automation and simplicity, as well as quality and yield of the end product of the process.
Für die erfindungsgemäße enzymatische Umsetzung von Ketonen/Aldehyden in die gewünschten 2-Hydroxycarbonsäuren ist es auch möglich, die 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase in gereinigter, angereicherter und/oder isolierter Form in die Reaktionslösung einzubringen, wobei die Enzyme z. B. natürlichen Ursprungs sein können. Des Weiteren können die Enzyme rekombinant hergestellte Enzyme aus einem gentechnisch veränderten Organismus sein.For the inventive enzymatic reaction of ketones / aldehydes in the desired 2-hydroxycarboxylic acids, it is also possible to introduce the 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase in purified, enriched and / or isolated form in the reaction solution, wherein the enzymes z. B. of natural origin. Furthermore, the enzymes may be recombinantly produced enzymes from a genetically engineered organism.
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. Die enzymatischen Katalysatoren können immobilisiert sein oder an ein gelöstes oder ungelöstes Trägermaterial angeheftet sein.The enzymes are used in the novel process according to the invention as catalysts both in the form of intact microbial cells and in the form of permeabilized microbial cells. Other uses exist in the form of components (one or more) of microbial cell extracts, but also in partially purified or purified form. The enzymatic catalysts may be immobilized or attached to a dissolved or undissolved carrier material.
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 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase 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. Das 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase aufweisende Enzymsystem kann demzufolge beispielsweise auch ein zellfreier Rohextrakt eines Mikroorganismus sein, welcher dieses Enzymsystem umfasst oder produziert. Ein solcher aus einem Mikroorganismus gewonnener „Rohextrakt” bezeichnet einen Auszug eines oder mehrerer Stoffe oder Komponenten, welche aus diesem Mikroorganismus herausgelöst, herausgezogen oder isoliert werden. Verfahren und Gewinnung bzw. Herstellung solcher Rohextrakte aus Mikroorganismen sind im Stand der Technik beschrieben und dem Fachmann bekannt. Beispielsweise können solche Rohextrakte erhalten werden, indem Mikroorganismen mittels Ultraschall, enzymatischen Verfahren, durch eine ggf. wiederholte Kombination aus Schockfrieren und Auftauen, Autolyse, Durchflusshomogenisator, French-Press, Kugelmühle, und/oder Kombinationen daraus aufgeschlossen werden. Diese Rohextrakte weisen im Wesentlichen keine lebenden, intakten oder funktionierenden Mikroorganismen mehr auf.In a preferred embodiment, certain cell compartments or parts thereof are separated or pooled, that is, carbohydrate structures, lipids or proteins and / or peptides and nucleic acids capable of positively or negatively affecting the 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase moiety may be combined or separated. In order to use such influence consciously, from the microorganisms z. B. expert crude extracts prepared, which may be centrifuged to perform an inventive reaction with the sediment or the supernatant can. Accordingly, the enzyme system comprising 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase may, for example, also be a cell-free crude extract of a microorganism which comprises or produces this enzyme system. Such a "raw extract" obtained from a microorganism refers to an extract of one or more substances or components which are dissolved out of this microorganism, withdrawn or isolated. Processes and production or production of such crude extracts from microorganisms are described in the prior art and known to the person skilled in the art. For example, such crude extracts can be obtained by disrupting microorganisms by means of ultrasound, enzymatic methods, by a possibly repeated combination of shock freezing and thawing, autolysis, flow homogenizer, French press, ball mill, and / or combinations thereof. These crude extracts have essentially no living, intact or functioning microorganisms.
Das 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase aufweisende Enzymsystem ist im erfindungsgemäßen Verfahren zumindest zur Bildung eines 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Esters befähigt. Das Enzymsystem besitzt eine katalysierende Aktivität und kondensiert Formyl-CoA mit der Carbonylverbindung über eine C-C-Ligation, so dass dadurch der 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester entsteht. Dabei wird naturgemäß je nach verwendeter Carbonylverbindung ein entsprechender 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester gebildet.The 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase-containing enzyme system is capable in the process according to the invention at least for the formation of a 2-hydroxycarbonyl-CoA ester. The enzyme system has a catalyzing activity and condenses formyl-CoA with the carbonyl compound via a C-C ligation to form the 2-hydroxycarbonyl-CoA ester. Naturally, depending on the carbonyl compound used, a corresponding 2-hydroxycarbonyl-CoA ester is formed.
Vorzugsweise umfasst das 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase aufweisende Enzymsystem als Coenzym Thiamindiphosphat. „Thiamindiphosphat”, oder auch Thiaminpyrophosphat, ist ein Phosphatester des Thiamins, welches auch bekannt ist unter dem Namen Vitamin B1. Die Zugabe von Thiamindiphosphat im erfindungsgemäßen Verfahren führt überraschend zu einer mehr als 20-fachen Steigerung der Enzymaktivität gegenüber einem Ansatz ohne Thiamindiphosphat-Zugabe.The enzyme system comprising 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase preferably comprises thiamine diphosphate as coenzyme. "Thiamine diphosphate", or thiamine pyrophosphate, is a phosphate ester of thiamine, which is also known as vitamin B1. The addition of thiamine diphosphate in the process according to the invention surprisingly leads to a more than 20-fold increase in the enzyme activity over a mixture without thiamine diphosphate addition.
Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von 2-Hydroxy-2-methyl- bzw. 2-Hydroxy-2-alkylcarbonsäuren geeignet, wobei ein Alkylmethyl- bzw. ein Dialkyl-Keton mit dem Formyl-CoA reagiert. Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von 2-Hydroxyisobuttersäure (2-Hydroxy-2-methylpropansäure), 2-Hydroxy-2-methylbuttersäure oder 2-Hydroxy-2-ethylbuttersäure geeignet. Ist die Carbonylverbindung beispielsweise Aceton (Dimethylketon), so katalysiert das 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase aufweisende Enzymsystem z. B. die Bildung eines 2-Hydroxyisobutyryl-CoA-Esters. Wird Butanon (Ethylmethylketon) als Carbonylverbindung verwendet, entsteht im erfindungsgemäßen Verfahren ein 2-Hydroxy-2-methylbutyryl-CoA-Ester. Verwendet man 3-Pentanon (Diethylketon) als Carbonylverbindung, so entsteht ein 2-Hydroxy-2-ethylbutyryl-CoA-Ester.The process according to the invention is particularly preferably suitable for the preparation of 2-hydroxy-2-methyl or 2-hydroxy-2-alkylcarboxylic acids, where an alkylmethyl or a dialkyl ketone reacts with the formyl-CoA. The process according to the invention is particularly preferably suitable for the preparation of 2-hydroxyisobutyric acid (2-hydroxy-2-methylpropanoic acid), 2-hydroxy-2-methylbutyric acid or 2-hydroxy-2-ethylbutyric acid. For example, if the carbonyl compound is acetone (dimethyl ketone), the enzyme system having 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase catalyses e.g. For example, the formation of a 2-hydroxyisobutyryl CoA ester. If butanone (ethyl methyl ketone) is used as the carbonyl compound, a 2-hydroxy-2-methylbutyryl-CoA ester is formed in the process according to the invention. If 3-pentanone (diethyl ketone) is used as the carbonyl compound, a 2-hydroxy-2-ethylbutyryl-CoA ester is formed.
Ist die Carbonylverbindung ein Aldehyd z. B. Propanal, so katalysiert das 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase aufweisende Enzymsystem einen (R)- und/oder (S)-2-Hydroxybutyryl-CoA-Ester.Is the carbonyl compound an aldehyde z. Propanal, the 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase enzyme system catalyzes an (R) - and / or (S) -2-hydroxybutyryl-CoA ester.
Es hat sich gezeigt, dass ein erfindungsgemäß verwendbares Enzym bevorzugt ein Enzym mit der Aminosäuresequenz SEQ ID NO 2 ist, sowie dessen zu mindestens 49% Homologen, vorzugsweise mindestens 75%, besonders bevorzugt mindestens 95%, ganz besonders bevorzugt mindestens 99% Homologen. Diese Enzyme sind insbesondere zur Umsetzung von Ketonen mit Formyl-CoA befähigt.It has been found that an enzyme which can be used according to the invention is preferably an enzyme having the amino acid sequence
Weiter bevorzugte homologe Enzyme zur SEQ ID NO 2 besitzen die SEQ ID NO 3 bis 20, wobei diese Enzyme die gleichen Eigenschaften aufweisen. Die Enzyme liegen als Monomer oder Oligomer vor.Further preferred homologous enzymes to
Bevorzugt besitzen diese Enzyme eine Bindestelle für Thiamindiphosphat, wie sie z. B. für Thiamindiphosphat-abhängige Enzyme beschrieben ist (
Sowohl Nukleinsäuren zur Produktion der Enzyme als auch die Enzyme selbst sind als natürlich vorkommende Biokatalysatoren in Mikroorganismenstämmen vorhanden oder sie können aus natürlichen Quellen isoliert werden. Mikroorganismen der Gattung Actinomycetospora, z. B. Actinomycetospora chiangmaiensis DSM 45062; Pseudonocardia, Rubrobacter, Skermanella, Nisaea, z. B. Nisaea denitrificans DSM 18348; Roseivivax, Bradyrhizobium, Xanthobacter, Azoarcus, Methylibium, z. B. Methylibium petroleiphilum, Aquincola, bevorzugt A. tertiaricarbonis DSM 18028 (= HCM-10), 18260 (= L108) und 18512 (= 110) sind besonders bevorzugt.Both nucleic acids for the production of the enzymes and the enzymes themselves are present as naturally occurring biocatalysts in microorganism strains or they can be isolated from natural sources. Microorganisms of the genus Actinomycetospora, z. B. Actinomycetospora chiangmaiensis DSM 45062; Pseudonocardia, Rubrobacter, Skermanella, Nisaea, e.g. B. Nisaea denitrificans DSM 18348; Roseivivax, Bradyrhizobium, Xanthobacter, Azoarcus, Methylibium, e.g. B. methylibium petroleiphilum, Aquincola, preferably A. tertiaricarbonis DSM 18028 (= HCM-10), 18260 (= L108) and 18512 (= 110) are particularly preferred.
Die Enzyme können auch nach bekannten Verfahren synthetisiert werden. Das dem Enzym der SEQ ID NO 2 zugrunde liegende Nukleinsäuremolekül weist die SEQ ID NO 1 auf. The enzymes can also be synthesized by known methods. The nucleic acid molecule on which the enzyme of
„Homologe”, „Sequenzhomologie” oder „homologe Sequenzen” bedeutet eine Sequenzidentität zu den genannten Nukleinsäure-/Aminosäuresequenzen von mindestens 49%, vorzugsweise von mindestens 75%, besonders bevorzugt mindestens 95%, ganz besonders bevorzugt mindestens 99% auf Nukleinsäure- oder Aminosäureebene."Homologs", "sequence homology" or "homologous sequences" means a sequence identity to said nucleic acid / amino acid sequences of at least 49%, preferably at least 75%, more preferably at least 95%, most preferably at least 99% at the nucleic acid or amino acid level ,
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann die Sequenzhomologie objektiv mittels verschiedener Verfahren bestimmt werden. Solche Verfahren bzw. Methoden zur Bestimmung von Beziehungen zwischen zwei oder mehr Sequenzen (z. B. Identität, Ähnlichkeit und/oder Homologie) sind im Stand der Technik beschrieben und dem Fachmann bekannt, welcher in der Lage ist, eine geeignete Methode ohne unzumutbaren Aufwand auszuwählen. Beispielsweise können solche Verfahren manuellen Abgleich, computergestützten Sequenzabgleich und Kombinationen davon umfassen. Verschiedene, in der Regel computerimplementierte, Algorithmen zum Durchführen von Sequenzabgleichen sind allgemein bekannt oder können vom Fachmann hergestellt werden. Der Grad der Homologie oder Identität einer Aminosäure-Sequenz oder Nukleotid-Sequenz zu einer anderen kann mithilfe des folgenden Algorithmus BLAST von Karlin und Altschul (
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann die Umwandlung des 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Esters in die entsprechende 2-Hydroxycarbonsäure mittels weiterer Enzyme erfolgen, die zugegeben werden oder Teil des Enzymsystems sind.In the process according to the invention, the conversion of the 2-hydroxycarbonyl-CoA ester into the corresponding 2-hydroxycarboxylic acid can be carried out by means of further enzymes which are added or are part of the enzyme system.
Dazu kommen z. B. Enzyme, die eine Esterase-Aktivität aufweisen, in Frage, mittels derer der entstandene CoA-Ester in die entsprechende Säure und CoA aufgespalten wird. Beispiele für geeignete Enzyme mit Esterase-Aktivität sind Thioesterasen (z. B. EC 3.1.2.2, EC 3.1.2.11 und EC 3.1.2.20) wie z. B. TesB aus E. coli; Acetoacetyl-CoA-Hydrolase/Thioesterase, z. B. TEIIsrf aus Bacillus subtilis oder YbgC aus Haemophilus influenza.In addition come z. As enzymes having an esterase activity, in question, by means of which the resulting CoA ester is split into the corresponding acid and CoA. Examples of suitable enzymes with esterase activity are thioesterases (eg EC 3.1.2.2, EC 3.1.2.11 and EC 3.1.2.20) such as eg. B. TesB from E. coli; Acetoacetyl-CoA-hydrolase / thioesterase, e.g. B. TEII srf from Bacillus subtilis or YbgC from Haemophilus influenza.
In einer Verfahrensvariante können die entstandenen CoA-Ester auch zunächst durch eine Phosphotransacylase, z. B. Phosphotransbutyrylase (EC 2.3.1.19) aus Clostridium acetobutylicum, in einen entsprechenden Phosphatester umgeestert werden und dann unter Bildung von ATP aus ADP durch eine Carbonsäure-Kinase, z. B. Butyrat-Kinase (EC 2.7.2.7) aus Clostridium acetobutylicum, in die freie Carbonsäure überführt werden, wie dies z. B. für die Produktion von 3-Hydroxybuttersäure via 3-Hydroxybutyryl-CoA beschrieben wurde (
In einer weiteren Variante können die 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester bzw. die freien 2-Hydroxycarbonsäuren auch enzymatisch mit Alkoholen um- bzw. verestert werden, was ggf. die Gewinnung der Produkte z. B. durch Extraktion erleichtert bzw. für die Weiterverarbeitung benötigt wird. Dafür geeignete Enzyme gehören z. B. zu den Carbonsäure-O-Methyltransferasen (EC 2.1.1.15), die eine Methylgruppe von S-Adenosyl-L-Methionin auf die Carbonsäure übertragen können, so dass der entsprechende Methylester entsteht. Eine direkte Umesterung des CoA-Esters mit einem Alkohol kann z. B. durch Alkohol-O-Acyltransferase (EC 2.3.1.75) erfolgen. Des Weiteren können die freien Carbonsäuren z. B. durch Carboxylesterasen (EC. 3.1.1.1) mit Alkoholen verestert werden.In a further variant, the 2-hydroxycarbonyl-CoA esters or the free 2-hydroxycarboxylic acids can also be enzymatically transesterified or esterified with alcohols, which may require the recovery of the products z. B. facilitated by extraction or needed for further processing. Suitable enzymes include z. B. to the carboxylic acid O-methyltransferases (EC 2.1.1.15), which can transfer a methyl group of S-adenosyl-L-methionine to the carboxylic acid, so that the corresponding methyl ester is formed. A direct transesterification of the CoA ester with an alcohol can, for. B. by alcohol O-acyltransferase (EC 2.3.1.75) take place. Furthermore, the free carboxylic acids z. B. esterified by carboxylesterases (EC 3.1.1.1) with alcohols.
Die Umwandlung des 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Esters in die entsprechende 2-Hydroxycarbonsäure und ggf. eine Derivatisierung, z. B. die Überführung in Alkylester, kann auch nicht-enzymatisch erfolgen.The conversion of the 2-hydroxycarbonyl-CoA ester into the corresponding 2-hydroxycarboxylic acid and optionally a derivatization, for. As the conversion into alkyl esters, can also be non-enzymatic.
So kann z. B. nach Aufschluss der mikrobiellen Zellen oder direkt in einer zellfreien Reaktionslösung der erfindungsgemäße CoA-Ester, wie jede andere Thioesterverbindung, durch Zugabe von anorganischen Säuren oder Basen hydrolysiert werden. Bevorzugt kann dabei gleichzeitig eine Umesterung beispielsweise mit Methanol katalysiert werden, so dass entsprechende Methyl- bzw. allgemein Alkylester entstehen. Bevorzugt kann auch eine Dehydratisierung der 2-Hydroxycarbonsäuren erfolgen, so dass z. B. im Falle der 2-Hydroxyisobuttersäure schließlich die wichtige Basischemikalie Methylmethacrylsäure gebildet wird.So z. B. after digestion of the microbial cells or directly in a cell-free reaction solution of the CoA esters according to the invention, such as any other thioester compound are hydrolyzed by the addition of inorganic acids or bases. At the same time, transesterification, for example with methanol, may be catalyzed at the same time, so that corresponding methyl or general alkyl esters are formed. Preferably, a dehydration of the 2-hydroxycarboxylic acids can be carried out, so that z. B. in the case of 2-hydroxyisobutyric finally the important basic chemical methyl methacrylic acid is formed.
Bevorzugt wird die 2-Hydroxycarbonsäure ins Medium abgegeben und kann als Säure oder in Form ihrer Salze gewonnen werden. Verfahren und Gewinnung bzw. Isolation der 2-Hydroxycarbonsäuren aus Medien sind im Stand der Technik beschrieben und dem Fachmann bekannt. Solche Verfahren sind beispielsweise Konzentrierung, Ionenaustausch, Destillation, Elektrodialyse, Extraktion und Kristallisation.Preferably, the 2-hydroxycarboxylic acid is released into the medium and can be recovered as acid or in the form of its salts. Process and recovery or isolation of the 2-hydroxycarboxylic acids Media are described in the art and known in the art. Such methods include, for example, concentration, ion exchange, distillation, electrodialysis, extraction and crystallization.
Weiterhin ist es möglich im Verfahren enzymatische Aktivitäten einzusetzen, die bereits zur Produkbildung von Formyl-CoA und/oder der Carbonylverbindung befähigt sind bzw. diese steuern. So kann in der Reaktionslösung zusätzlich mindestens ein weiteres Enzym zur Produktion der Ausgangsverbindungen Formyl-CoA und/oder Carbonylverbindung enthalten sein oder zugegeben werden. Für die Synthese von Formyl-CoA und/oder Ketone oder Aldehyde können sowohl anorganische als auch organische Kohlenstoffquellen verwendet werden. Beispiele für organische Kohlenstoffquellen sind z. B. Glukose, Methan sowie reduzierte C1-Verbindungen wie Methanol, Formaldehyd oder Ameisensäure. Geeignete anorganische Kohlenstoffquellen können z. B. Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid sein.Furthermore, it is possible to use in the process enzymatic activities which are already capable of product formation of formyl-CoA and / or the carbonyl compound or control these. Thus, additionally at least one further enzyme for the production of the starting compounds formyl-CoA and / or carbonyl compound can be contained or added in the reaction solution. Both inorganic and organic carbon sources can be used for the synthesis of formyl-CoA and / or ketones or aldehydes. Examples of organic carbon sources are, for. As glucose, methane and reduced C1 compounds such as methanol, formaldehyde or formic acid. Suitable inorganic carbon sources may, for. As carbon monoxide or carbon dioxide.
Geeignete Enzyme, die für die Produktion von Formyl-CoA eingesetzt werden können, sind in den Beispielen genannt und sind z. B. Acetyl-CoA: Oxalate CoA-Transferasen (EC 2.8.3.19), Oxalyl-CoA-Decarboxylasen (EC 4.1.1.8) und/oder Acetyl-CoA-Synthetase (EC 6.2.1.1). Des Weiteren geeignet können CoA-abhängige Glyoxylsäure-Dehydrogenasen (EC 1.2.1.17), z. B. aus Methylobacterium extorquens AM1, sein. Eine Synthese von Formyl-CoA kann aber nicht nur z. B. über Oxalyl-CoA, sondern z. B. auch direkt aus Ameisensäure, ATP und CoA durch Acyl-CoA-Synthetasen, wie z. B. die Acetyl-CoA-Synthetase aus Pyrobaculum aerophilum (
Geeignete Enzyme für die entsprechende Produktion von Carbonylverbindungen aus entsprechenden metabolischen Vorstufen (vgl. Beispiele) sind z. B. Acetoacetyl-CoA-Hydrolase/Thioesterase (EC 3.1.2.11), z. B. TEIIsrf aus Bacillus subtilis oder YbgC aus Haemophilus influenza, und/oder 3-Oxocarbonsäure-Decarboxylasen, z. B. Acetoacetat-Decarboxylase (EC 4.1.1.4) aus Clostridium acetobutylicum.Suitable enzymes for the corresponding production of carbonyl compounds from corresponding metabolic precursors (see examples) are e.g. Acetoacetyl-CoA-hydrolase / thioesterase (EC 3.1.2.11), e.g. B. TEII srf from Bacillus subtilis or YbgC from Haemophilus influenza, and / or 3-oxocarboxylic decarboxylases, e.g. B. acetoacetate decarboxylase (EC 4.1.1.4) from Clostridium acetobutylicum.
Alternativ oder zusätzlich dazu können Formyl-CoA und/oder Carbonylverbindung zur wässrigen Reaktionslösung hinzugefügt werden. Aus diesen extern hinzugefügten Ausgangsstoffen können dann die 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester mittels des 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase aufweisenden Enzymsystems hergestellt werden.Alternatively or additionally, formyl CoA and / or carbonyl compound may be added to the aqueous reaction solution. From these externally added starting materials then the 2-hydroxycarbonyl-CoA esters can be prepared by means of the 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase having enzyme system.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist das 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase aufweisende Enzymsystem befähigt Formyl-CoA und/oder die Carbonylverbindung aus einer in der wässrigen Reaktionslösung vorliegenden Kohlenstoffquelle zu produzieren, aus dem Formyl-CoA und der Carbonylverbindung die Bildung eines 2-Hydroxylcarbonyl-CoA-Esters zu katalysieren und den gebildeten 2-Hydroxylcarbonyl-CoA-Ester in die entsprechende 2-Hydroxycarbonsäure umzuwandeln.In one embodiment of the invention, the 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase-containing enzyme system is capable of producing formyl CoA and / or the carbonyl compound from a carbon source present in the aqueous reaction solution, from the formyl CoA and the carbonyl compound the formation of a 2-hydroxylcarbonyl -CoA ester to catalyze and convert the formed 2-hydroxylcarbonyl-CoA ester into the corresponding 2-hydroxycarboxylic acid.
Die Mikroorganismen, welche natürlicherweise keine 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase und/oder die Enzyme zur Produktion von Formyl-CoA und/oder Carbonylverbindungen und/oder die Enzyme zur Umwandlung der 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester umfassen, können fachgemäß manipuliert werden, so dass sie für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von 2-Hydroxycarbonsäuren geeignet sind.The microorganisms, which naturally do not comprise 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase and / or the enzymes for the production of formyl-CoA and / or carbonyl compounds and / or the enzymes for the conversion of the 2-hydroxycarbonyl-CoA-esters, can be manipulated expertly, so that they are suitable for the process according to the invention for the preparation of 2-hydroxycarboxylic acids.
In den erfindungsgemäß verwendeten Nukleinsäuremolekülen können mittels an sich bekannter molekularbiologischer Techniken Mutationen erzeugt werden, was ermöglicht, dass die gewünschten Enzyme mit analogen oder ähnlichen Eigenschaften synthetisiert werden können, die erfindungsgemäß verwendet werden können. Mutationen können z. B. 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 Nukleinsäuremoleküle oder Teilen davon erfolgen. Die mit den Nukleinsäuremolekülen hybridisierenden Moleküle umfassen auch Fragmente, Derivate und allelische Varianten der oben beschriebenen Nukleinsäuremoleküle, die ein erfindungsgemäß verwendbares 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.Mutations can be generated in the nucleic acid molecules used according to the invention by means of molecular biological techniques known per se, which enables the desired enzymes with analogous or similar properties to be synthesized which can be used according to the invention. Mutations can z. B. deletion mutations that lead to shortened enzymes. By other molecular mechanisms such. As insertions, duplications, transpositions, gene fusion, nucleotide exchange or gene transfer between different strains of microorganisms can also be produced modified enzymes with similar or analogous properties. The identification and isolation of such nucleic acid molecules can be accomplished using the nucleic acid molecules or portions thereof. The molecules hybridizing with the nucleic acid molecules also include fragments, derivatives and allelic variants of the nucleic acid molecules described above which encode an enzyme useful in the invention. By fragments are meant parts of the nucleic acid molecules that are long enough to encode the described enzyme. Derivative is understood as meaning sequences of these molecules which differ from the sequences of the above-described nucleic acid molecules at one or more positions, but have a high degree of homology to these sequences.
Beispielsweise können die Mikroorganismen weiterhin mit einer oder mehreren Nukleinsäuresequenzen transformiert werden, welche sie befähigen neben Enzymen zur Bildung des 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Esters die Enzyme zur Produktion von Formyl-CoA und/oder Carbonylverbindungen und/oder die Enzyme zur Umwandlung der 2-Hydroxylcarbonyl-CoA-Ester in die entsprechenden 2-Hydroxycarbonsäuren und/oder ggf. weitere Enzyme zur Derivatisierung, wie z. B. zur Veresterung der 2-Hydroxycarbonsäuren mit Alkoholen, zu produzieren.For example, the microorganisms can be further transformed with one or more nucleic acid sequences which, in addition to enzymes for forming the 2-hydroxycarbonyl-CoA ester, enable the enzymes to produce formyl-CoA and / or carbonyl compounds and / or the enzymes to convert the 2-hydroxycarbonyl-CoA esters. Hydroxylcarbonyl-CoA esters in the corresponding 2-hydroxycarboxylic acids and / or optionally other enzymes for derivatization, such as. B. to esterify the 2-hydroxycarboxylic acids with alcohols to produce.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung die Verwendung von Enzymen im erfindungsgemäßen Verfahren, die die 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthasen als Monomer oder Oligomer wie oben beschrieben, aufweisen, die fusioniert mit zusätzlichen Proteinen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus weiteren Thiamin- und Thiamindiphosphat-bindenden Proteinen, CoA-Synthetasen, Esterasen, Dehydrogenasen, Decarboxylasen u. a. vorliegen.In addition, the invention encompasses the use of enzymes in the process of the invention comprising the 2-hydroxycarbonyl-CoA synthases as monomer or oligomer as described above, fused to additional proteins selected from the group consisting of other thiamine and thiamine diphosphate-binding Proteins, CoA synthetases, esterases, dehydrogenases, decarboxylases and the like. a. available.
Eingeschlossen sind dabei Varianten, bei denen die weiteren Proteine nur mit einer Untereinheit fusioniert sind sowie die Proteine mit mindestens 49% Homologie, vorzugsweise mit mindestens 75%, besonders bevorzugt von mindestens 95%, bzw. von mindestens 99% Homologie zu diesen Sequenzen.Included here are variants in which the further proteins are fused with only one subunit and the proteins with at least 49% homology, preferably at least 75%, more preferably at least 95%, or at least 99% homology to these sequences.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments.
Ausführungsbeispieleembodiments
Allgemeine MethodenGeneral methods
Homologievergleiche von Nukleotid- und Aminosäuresequenzen wurden mit dem Programm BLAST (BLASTN bzw. BLASTP) mit den allgemeinen Grundeinstellungen (Matrix BLOSUM62) durchgeführt (
Für das Screening nach Mikroorganismen mit 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase-Aktivität, für die Anzucht relevanter Mikroorganismen und für die Abbauversuche mit Mikroorganismen und 2-Hydroxy-2-alkylcarbonsäuren wurden Medien auf der Basis eines Basalmediums (Tab. 1) und eines modifizierten ISP-2-Mediums (Tab. 2) verwendet. Inkubiert wurde unter Schütteln oder Rühren im Dunkeln bei den in den Beispielen genannten Temperaturen, pH-Werten und Konzentrationen von 2-Hydroxycarbonsäuren.For the screening of microorganisms with 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase activity, for the cultivation of relevant microorganisms and for the degradation experiments with microorganisms and 2-hydroxy-2-alkylcarboxylic acids, media based on a basal medium (Table 1) and a modified ISP-2 medium (Table 2) used. The mixture was incubated with shaking or stirring in the dark at the temperatures, pH values and concentrations of 2-hydroxycarboxylic acids mentioned in the Examples.
Zur Überprüfung der Vitamin B12-Unabhängigkeit des Abbaus von 2-Hydroxycarbonsäuren wurde jeweils ein Ansatz mit Basalmedium ohne Vitamin B12 und ein Ansatz mit Vitamin B12 (0,05 mg/L) inkubiert. Tabelle 1: Basalmedium (mg/l)
Stammkulturen von verwendeten Mikroorganismen werden in 20%iger Glyzerin-Lösung in flüssigem Stickstoff gelagert.Stock cultures of microorganisms used are stored in 20% glycerol solution in liquid nitrogen.
Für den Enzymassay zur Bestimmung der 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase-Aktivität in Protein-Rohextrakten oder Enzympräparaten wurden Reaktionsansätze (Tab. 3) mit Formyl-CoA und den in den Beispielen genannten Carbonylverbindungen als Substrate bei den in den Beispielen angegebenen Temperaturen inkubiert. Tabelle 3
Zur Überprüfung einer Thiamindiphosphat-Abhängigkeit bei der Bildung des 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Esters aus Formyl-CoA und einer Carbonylverbindung wurde jeweils ein Enzymassay-Ansatz mit Thiamindiphosphat gemäß Tab. 3 und ein Ansatz ohne Thiamindiphosphat durchgeführt.To test a thiamine diphosphate dependence in the formation of the 2-hydroxycarbonyl-CoA ester from formyl-CoA and a carbonyl compound, an enzyme assay mixture with thiamine diphosphate according to Tab. 3 and an approach without thiamine diphosphate were respectively performed.
Das im Enzymassay zur Bestimmung der 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase-Aktivität eingesetzte Formyl-CoA wurde nach der einschlägigen Methode aus Ameisensäure nach Reaktion mit Essigsäureanhydrid zu dem gemischten Anhydrid, Aktivierung mit Thiophenol und anschließender Umesterung mit Coenzym A (CoA) hergestellt, wie sie z. B. bei Jonsson et al. 2004 (
Standards für die in dem Enzymassay zur Bestimmung der 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase-Aktivität entstehenden 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester wurden aus den freien Säuren nach der einschlägigen Methode über Aktivierung mit Thiophenol und anschließender Umesterung mit Coenzym A (CoA) hergestellt, wie sie z. B. bei Padmakumar et al. 1993 (
Die im Enzymassay zur Bestimmung der 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase-Aktivität entstehenden 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester sowie das eingesetzte Formyl-CoA wurden mittels HPLC bestimmt. Als mobile Phase (Rate 0,8 mL/min) dienten Laufmittel bestehend aus 10 mM Tetrabutylammoniumhydrogensulfat und 100 mM Natriumphosphat mit einem pH-Wert von 4,5 und einem Acetonitrilgehalt von 14,5 Vol-% (Laufmittel A) bzw. 21,6 Vol-% (Laufmittel B). Mit dem Laufmittel A wurden freies CoA und Formyl-CoA und mit dem Laufmittel B die 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Ester auf der Saute Nucleosil 100-5 C18 (Macherey-Nagel) aufgetrennt. Die Detektion erfolgte bei 260 nm mithilfe eines photometrischen Detektors.The 2-hydroxycarbonyl-CoA esters formed in the enzyme assay for determining the 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase activity and the formyl-CoA used were determined by means of HPLC. The mobile phase (rate 0.8 ml / min) used was the mobile phase consisting of 10 mM tetrabutylammonium hydrogensulfate and 100 mM sodium phosphate having a pH of 4.5 and an acetonitrile content of 14.5% by volume (mobile phase A) and 21, respectively. 6% by volume (solvent B). Solvent A was used to separate free CoA and formyl-CoA and, with mobile phase B, the 2-hydroxycarbonyl-CoA esters on Saute Nucleosil 100-5 C18 (Macherey-Nagel). Detection was at 260 nm using a photometric detector.
Nicht-veresterte organische Säuren, die bei der Inkubation mit ganzen Zellen als Substrat dienten oder gebildet wurden, wurden ebenfalls mittels HPLC bestimmt. Als mobile Phase (0,5 mL/min) diente ein Laufmittel bestehend aus 10 mN Schwefelsäure in Wasser. Damit wurden die Säuren auf der Säule Nucleogel Ion 300 OA (Macherey-Nagel) aufgetrennt. Die Detektion erfolgte mithilfe eines Brechungsindex-Detektors.Non-esterified organic acids, which served or were formed as substrate when incubated with whole cells, were also determined by HPLC. The mobile phase (0.5 mL / min) was an eluent consisting of 10 mN sulfuric acid in water. Thus, the acids were separated on the column Nucleogel Ion 300 OA (Macherey-Nagel). Detection was performed using a refractive index detector.
Flüchtige Stoffe wie Aldehyde und Ketone (z. B. Propanal, Aceton, 2-Butanon und 3-Pentanon) wurden mittels GC-Analyse bestimmt. Hierzu wurden Headspace-GC-Vials mit Kulturproben 20 min bei 70°C inkubiert, Gasproben entnommen und in das GC-System injiziert. Die Auftrennung der Stoffe erfolgte auf einer Optima Delta 3-Säule (60 m, 0,32 mm, 0.35 μm; Macherey-Nagel) bei 40 oder 50°C. Die Detektion erfolgte mithilfe eines Fl-Detektors.Volatiles such as aldehydes and ketones (eg, propanal, acetone, 2-butanone and 3-pentanone) were determined by GC analysis. For this purpose, headspace GC vials were incubated with culture samples for 20 min at 70 ° C, gas samples taken and injected into the GC system. The substances were separated on an
Die Proteinkonzentration der Protein-Rohextrakte und der Enzympräparate wurde mithilfe der Bradfordreagenz (Merck) nach Protokoll des Herstellers bestimmt. Als Standard diente Rinderserumalbumin.The protein concentration of the crude protein extracts and the enzyme preparations was determined using the Bradford reagent (Merck) according to the manufacturer's protocol. Bovine serum albumin served as standard.
Beispiel 1:Example 1:
Screening nach mikrobiellem Abbau von 2-HydroxycarbonsäurenScreening for microbial degradation of 2-hydroxycarboxylic acids
Verschiedene Anreicherungskulturen sowie mikrobielle Reinkulturen wurden daraufhin getestet, ob sie in Flüssigkultur 2-Hydroxyisobuttersäure, 2-Hydroxy-2-methylbuttersäure und/oder 2-Hydroxy-2-ethylbuttersäure (Startkonzentration jeweils 0,5 g/l) abbauen können. Der Bakterienstamm Actinomycetospora chiangmaiensis DSM 45062 zeigte überraschend die gesuchte Fähigkeit. Durch Inkubation des Stammes DSM 45062 bei 30°C und pH 7,0 in einem Medium, das aus 19 Volumenanteilen Basalmedium (Tab. 1) und 1 Volumenanteil modifiziertes ISP-2-Medium (Tab. 2) bestand, wurden alle getesteten 2-Hydroxycarbonsäuren abgebaut.Various enrichment cultures and microbial pure cultures were tested to determine whether they can degrade 2-hydroxyisobutyric acid, 2-hydroxy-2-methylbutyric acid and / or 2-hydroxy-2-ethylbutyric acid (starting concentration in each case 0.5 g / l) in liquid culture. The bacterial strain Actinomycetospora chiangmaiensis DSM 45062 surprisingly showed the sought-after ability. By incubation of the strain DSM 45062 at 30 ° C. and pH 7.0 in a medium which consisted of 19 volumes of basal medium (Table 1) and 1 volume proportion of modified ISP-2 medium (Table 2), all tested Hydroxycarboxylic degraded.
Überraschend wurde außerdem gefunden, dass Stamm DSM 45062 2-Hydroxy-2-alkylcarbonsäuren nicht wie z. B. für den Stamm L108 beschrieben (
Durch Homologievergleich (BLASTP-Programm) mithilfe der Sequenz der Methylmalonyl-CoA-Mutase aus Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii NCIB 9885 (GenBank: CAA33090) wurden alle Cobalamin-abhängigen Acyl-CoA-Mutasen bzw. die dafür codierenden Gene im veröffentlichten Genom des Stammes DSM 45062 (s. z. B. GenBank) identifiziert. Insgesamt wurden nur 3 Regionen mit Mutase-Genen gefunden. Die erste Region (GenBank: WP_018333124) codiert eindeutig für eine Methylmalonyl-CoA-Mutase, da die Sequenz des korrespondierenden Genprodukts große Übereinstimmung zu dem Enzym aus Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii NCIB 9885 zeigt (71% identische Reste) und außerdem die für dieses Enzym charakteristischen Aminosäurereste im aktiven Zentrum aufweist, wie z. B. bei Cracan und Banerjee 2012 beschrieben (
Somit besitzt der Stamm DSM 45062 keine 2-Hydroxyisobutyryl-CoA-Mutase, der beobachtete Abbau der 2-Hydroxycarbonsäuren erfolgt also überraschenderweise Cobalamin- und Acyl-CoA-Mutase-unabhängig.Thus, strain DSM 45062 does not have 2-hydroxyisobutyryl-CoA mutase, so surprisingly, the observed degradation of 2-hydroxycarboxylic acids occurs cobalamin and acyl-CoA mutase independent.
Beispiel 2:Example 2:
Prüfung auf 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase-Aktviät in zellfreien Rohextrakten von Stamm DSM 45062Testing for 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase Aktviät in cell-free crude extracts of strain DSM 45062
Zum Testen einer 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase-Aktivität wurde Stamm DSM 45062 zunächst bei 30°C und pH 7,0 in einem Medium, das aus 3 Volumenanteilen Basalmedium (Tab. 1) und 1 Volumenanteil modifiziertes ISP-2-Medium (Tab. 2) bestand, in Gegenwart von 500 mg/l 2-Hydroxyisobuttersäure angezogen. Nach Induktion des 2-Hydroxyisobuttersäure-Abbaus wurden die Zellen durch Filtern und Zentrifugation (8000 × g, 4°C, 10 min) geerntet, in Phosphatpuffer (50 mM Kaliumphosphat, pH 7,2) suspendiert und aufgeschlossen (30 min bei einer Frequenz von 30 Hz, MM 400, Retsch GmbH; mit Glasperlen 212–300 μm, Sigma-Aldrich). Glasperlen und Zellreste wurden durch Zentrifugation (18000 × g, 4°C, 20 min) abgetrennt. Der so erhaltene Rohextrakt wurde direkt für den Enzymtest verwendet.For testing a 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase activity, strain DSM 45062 was initially incubated at 30 ° C. and pH 7.0 in a medium consisting of 3 volumes of basal medium (Table 1) and 1 volume of modified ISP-2 medium ( Tab. 2), in the presence of 500 mg / l of 2-hydroxyisobutyric acid. After induction of 2-hydroxyisobutyric acid degradation, the cells were harvested by filtration and centrifugation (8,000 xg, 4 ° C, 10 min), suspended in phosphate buffer (50 mM potassium phosphate, pH 7.2), and digested (30 min at one frequency of 30 Hz, MM 400, Retsch GmbH, with glass beads 212-300 μm, Sigma-Aldrich). Glass beads and cell debris were separated by centrifugation (18,000 x g, 4 ° C, 20 min). The crude extract thus obtained was used directly for the enzyme assay.
In diesem Rohextrakt konnte in einem Enzymassay gemäß Tab. 3 bei einer Proteinkonzentration von 325 mg/l überraschend eine 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase-Aktivität nachgewiesen werden. Es wurde mit Formyl-CoA und Aceton als Substrate bei einer Inkubationstemperatur von 30°C für die Bildung von 2-Hydroxyisobutyryl-CoA eine spezifische Enzym-Aktivität von 3440 nmol/l/min bzw. 10,6 nmol/min/mg Gesamtprotein in Gegenwart von Thiamindiphosphat erzielt. Überraschend führte die Zugabe von Thiamindiphosphat zu einer 22-fachen Steigerung der Enzymaktivität gegenüber einem Ansatz ohne Thiamindiphosphat-Zugabe (
Die Inkubation gemäß Tab. 3 mit dem Rohextrakt und Aceton, aber mit Ameisensäure bzw. Na-Formiat (1,5 mM) statt Formyl-CoA führte nicht zu einer Bildung von 2-Hydroxyisobutyryl-CoA.The incubation according to Tab. 3 with the crude extract and acetone but with formic acid or Na formate (1.5 mM) instead of formyl-CoA did not lead to the formation of 2-hydroxyisobutyryl-CoA.
Beispiel 3:Example 3:
Synthese von 2-Hydroxyisobuttersäure unter Transformation eines E.coli-Stammes mit den Enzymen E1 bis E5:Synthesis of 2-hydroxyisobutyric acid with transformation of an E. coli strain with the enzymes E1 to E5:
E1 bis E5 sind Enzyme für die mikrobielle Synthese von 2-Hydroxyisobuttersäure aus Oxalat und Aceton unter Verwendung der 2-Hydroxycarbonyl-CpA-Synthase mit der SEQ ID NO 2
E1: Acetyl-CoA: Oxalate CoA-Transferase YfdE aus E. coli (z. B. GenBank: AAC75430, GI: 87082093);
E2: Oxalyl-CoA-Decarboxylase YfdU aus Methylobacterium extorquens AM1 (GenBank: ACS38885, GI: 240007659, MexAM1_META1p0990) oder YfdU aus E. coli (z. B. GenBank: NP_416874, GI: 16130305);
E3: 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase aus Stamm DSM 45062 (SEQ ID NO 2)
E4: Thioesterase TesB aus E. coli (z. B. GenBank: YP_488744, GI: 388476558);
E5: Acetyl-CoA-Synthetase aus E. coli (z. B. GenBank: AAC77039, GI: 1790505).E1 to E5 are enzymes for the microbial synthesis of 2-hydroxyisobutyric acid from oxalate and acetone using the 2-hydroxycarbonyl-CpA synthase having
E1: acetyl-CoA: oxalate CoA transferase YfdE from E. coli (eg GenBank: AAC75430, GI: 87082093);
E2: oxalyl-CoA decarboxylase YfdU from Methylobacterium extorquens AM1 (GenBank: ACS38885, GI: 240007659, MexAM1_META1p0990) or YfdU from E. coli (eg GenBank: NP_416874, GI: 16130305);
E3: 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase from strain DSM 45062 (SEQ ID NO 2)
E4: thioesterase TesB from E. coli (eg GenBank: YP_488744, GI: 388476558);
E5: Acetyl-CoA synthetase from E. coli (eg GenBank: AAC77039, GI: 1790505).
Beispiel 4Example 4
Synthese von 2-Hydroxyisobuttersäure unter Transformation eines Methylobacterium extorquens AM1-Stammes mit folgenden Enzymen E2 bis E4 und E6 bis E8:Synthesis of 2-hydroxyisobutyric acid with transformation of a Methylobacterium extorquens AM1 strain with the following enzymes E2 to E4 and E6 to E8:
- E2: Oxalyl-CoA-Decarboxylase YfdU aus Methylobacterium extorquens AM1 (GenBank: ACS38885, GI: 240007659, MexAM1_META1p0990) oder YfdU aus E. coli (z. B. GenBank: NP_416874, GI: 16130305);E2: oxalyl-CoA decarboxylase YfdU from Methylobacterium extorquens AM1 (GenBank: ACS38885, GI: 240007659, MexAM1_META1p0990) or YfdU from E. coli (eg GenBank: NP_416874, GI: 16130305);
- E3: 2-Hydroxycarbonyl-CoA-Synthase aus Stamm DSM 45062 (SEQ ID NO 2)E3: 2-hydroxycarbonyl-CoA synthase from strain DSM 45062 (SEQ ID NO 2)
- E4: Thioesterase aus TesB aus E. coli (z. B. GenBank: YP_488744, GI: 388476558);E4: thioesterase from TesB from E. coli (eg GenBank: YP_488744, GI: 388476558);
- E6: CoA-abhängige Glyoxylsäure-Dehydrogenase aus Methylobacterium extorquens AM1 (GenBank: ACS39924, GI: 240008698, MexAM1_META1p2129);E6: CoA-dependent glyoxylic acid dehydrogenase from Methylobacterium extorquens AM1 (GenBank: ACS39924, GI: 240008698, MexAM1_META1p2129);
- E7: Acetoacetyl-CoA-Hydrolase/Thioesterase aus TEIIsrf aus Bacillus subtilis (z. B. GenBank: WP_003234568, GI: 489327274) oder YbgC aus Haemophilus influenza ATCC 51907 (GenBank: P44679, GI: 1175571, HI_0386); E7: acetoacetyl-CoA-hydrolase / thioesterase from TEII srf from Bacillus subtilis (eg GenBank: WP_003234568, GI: 489327274) or YbgC from Haemophilus influenza ATCC 51907 (GenBank: P44679, GI: 1175571, HI_0386);
- E8: 3-Oxocarbonsäure-Decarboxylase aus Acetoacetat-Decarboxylase aus Clostridium acetobutylicum ATCC 824 (GenBank: AAA63761, GI: 144711).E8: 3-oxocarboxylic acid decarboxylase from acetoacetate decarboxylase from Clostridium acetobutylicum ATCC 824 (GenBank: AAA63761, GI: 144711).
Im Falle des Stammes Methylobacterium extorquens AM1 werden im assimilatorischen Stoffwechsel reduzierte C1-Verbindungen wie Ameisensäure auf der Stufe des Formaldehyds in den Serin-Weg eingeschleust (
Das für die erfindungsmäße Kondensations-Reaktion zum 2-Hydroxyisobutyryl-CoA benötigte Formyl-CoA wird mithilfe der Enzyme E6 und E2 aus dem im Serin-Weg gebildeten Glyoxylat über Oxalyl-CoA dargestellt. Aceton wird aus dem im methylotrophen Stoffwechsel ebenfalls entstehenden Acetoacetyl-CoA-Ester gewonnen. E7 katalysiert die Spaltung in CoA und Acetoacetat. Danach wird Acetoacetat durch E8 zu Aceton und CO2 decarboxyliert. Formyl-CoA und Aceton werden dann durch E3 zum 2-Hydroxyisobutyryl-CoA-Ester kondensiert, welcher durch E4 in CoA und das gewünschte Produkt 2-Hydroxyisobuttersäure gespalten wird.The formyl-CoA required for the condensation reaction according to the invention for 2-hydroxyisobutyryl-CoA is prepared by means of the enzymes E6 and E2 from the glyoxylate formed in the serine pathway via oxalyl-CoA. Acetone is recovered from the acetoacetyl-CoA ester also formed in the methylotrophic metabolism. E7 catalyzes the cleavage into CoA and acetoacetate. Thereafter, acetoacetate is decarboxylated by E8 to acetone and CO 2 . Formyl CoA and acetone are then condensed by E3 to the 2-hydroxyisobutyryl CoA ester, which is cleaved by E4 into CoA and the desired product 2-hydroxyisobutyric acid.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102006017760 A1 [0004] DE 102006017760 A1 [0004]
- WO 2009/156214 A1 [0004] WO 2009/156214 A1 [0004]
- DE 102012216904 A1 [0004] DE 102012216904 A1 [0004]
- WO 2014/044674 A2 [0004] WO 2014/044674 A2 [0004]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- https://www.dsmz.de/de/kataloge/katalog-mikroorganismen.html [0019] https://www.dsmz.de/de/kataloge/katalog-microorganisms.html [0019]
- Widmann et al. 2010, BMC Biochem. 11: 9 [0031] Widmann et al. 2010, BMC Biochem. 11: 9 [0031]
- Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 5873–5877, 1993 [0035] Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 5873-5877, 1993 [0035]
- Altschul et al. (1990) J. Mol. Biol. 215: 403–410 [0035] Altschul et al. (1990) J. Mol. Biol. 215: 403-410 [0035]
- http://www.ncbi.nim.nih.gov. [0035] http://www.ncbi.nim.nih.gov. [0035]
- Tseng et al. 2009, Appl. Environ. Microbiol. 75: 3137–3145 [0038] Tseng et al. 2009, Appl. Environ. Microbiol. 75: 3137-3145 [0038]
- Bräsen et al. 2005, FEBS Lett. 579: 477–482 [0044] Bräsen et al. 2005, FEBS Lett. 579: 477-482 [0044]
- Altschul et al. 1990, Journal of Molecular Biology 215: 403–410 [0054] Altschul et al. 1990, Journal of Molecular Biology 215: 403-410 [0054]
- Jonsson et al. 2004, Kinetic and mechanistic characterization of the formyl-CoA transferase from Oxalobacter formigenes. J. Biol. Chem. 279: 36003–36012 [0060] Jonsson et al. 2004, Kinetic and mechanistic characterization of the formyl-CoA transferase from Oxalobacter formigenes. J. Biol. Chem. 279: 36003-36012 [0060]
- Sly und Stadtman 1963, Formate metabolism: 1. Formyl coenzyme A, an intermediate in the formate-dependent decomposition of acetyl phosphate in Clostridium kluyveri. J. Biol. Chem. 238: 2632–2638 [0060] Sly and Stadtman 1963, Formats metabolism: 1. Formyl coenzyme A, to intermediate in the formate-dependent decomposition of acetyl phosphate in Clostridium kluyveri. J. Biol. Chem. 238: 2632-2638 [0060]
- Padmakumar et al. 1993, A rapid method for the synthesis of methylamlonylcoenzyme A and other CoA-esters. Anal. Biochem. 214: 318–320 [0061] Padmakumar et al. 1993, A rapid method for the synthesis of methylamlonylcoenzymes A and other CoA esters. Anal. Biochem. 214: 318-320 [0061]
- Yaneva et al. 2012, J. Biol. Chem. 287: 15502–15511 [0067] Yaneva et al. 2012, J. Biol. Chem. 287: 15502-15511 [0067]
- Cracan und Banerjee 2012, Biochemistry 51: 6039–6046 [0068] Cracan and Banerjee 2012, Biochemistry 51: 6039-6046 [0068]
- Erb et al. 2008, J. Biol. Chem. 283: 32283–32293 [0068] Erb et al. 2008, J. Biol. Chem. 283: 32283-32293 [0068]
- Cracan et al. 2010, J. Biol. Chem. 285: 655–666 [0068] Cracan et al. 2010, J. Biol. Chem. 285: 655-666 [0068]
- Chistoserdova et al. 2009, Annu. Rev. Microbiol. 63: 477–499 [0076] Chistoserdova et al. 2009, Annu. Rev. Microbiol. 63: 477-499 [0076]
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102006017760A1 (en) | 2006-03-24 | 2007-09-27 | Ufz-Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle Gmbh | Enzymatic preparation of 2-hydroxy-2-methylcarboxylic acid comprises producing 3-hydroxycarboxylic acid in aqueous reaction solution, incubating the obtained solution and converting to 2-hydroxy-2-methylcarboxylic acid |
WO2009156214A1 (en) | 2008-06-27 | 2009-12-30 | Evonik Röhm Gmbh | Recombinant cell producing 2-hydroxyisobutyric acid |
DE102012216904A1 (en) | 2012-09-20 | 2014-03-20 | Helmholtz-Zentrum Für Umweltforschung Gmbh - Ufz | Process for the isomerization of (R) -3-hydroxycarboxylic acids to 2-hydroxy-2-methylcarboxylic acids |
-
2014
- 2014-09-10 DE DE102014218121.6A patent/DE102014218121A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102006017760A1 (en) | 2006-03-24 | 2007-09-27 | Ufz-Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle Gmbh | Enzymatic preparation of 2-hydroxy-2-methylcarboxylic acid comprises producing 3-hydroxycarboxylic acid in aqueous reaction solution, incubating the obtained solution and converting to 2-hydroxy-2-methylcarboxylic acid |
WO2009156214A1 (en) | 2008-06-27 | 2009-12-30 | Evonik Röhm Gmbh | Recombinant cell producing 2-hydroxyisobutyric acid |
DE102012216904A1 (en) | 2012-09-20 | 2014-03-20 | Helmholtz-Zentrum Für Umweltforschung Gmbh - Ufz | Process for the isomerization of (R) -3-hydroxycarboxylic acids to 2-hydroxy-2-methylcarboxylic acids |
WO2014044674A2 (en) | 2012-09-20 | 2014-03-27 | Helmholtz-Zentrum Für Umweltforschung Gmbh - Ufz | Method for isomerizing (r)-3-hydroxycarboxylic acids into 2-hydroxy-2-methylcarboxylic acids |
Non-Patent Citations (18)
Title |
---|
Altschul et al. (1990) J. Mol. Biol. 215: 403-410 |
Altschul et al. 1990, Journal of Molecular Biology 215: 403-410 |
Bräsen et al. 2005, FEBS Lett. 579: 477-482 |
Chistoserdova et al. 2009, Annu. Rev. Microbiol. 63: 477-499 |
Cracan et al. 2010, J. Biol. Chem. 285: 655-666 |
Cracan und Banerjee 2012, Biochemistry 51: 6039-6046 |
Datenbank (NCBI), WP_010242539: Acetolactate synthase [Pseudonocardia sp. P1], veröffentlicht am 27.05.2013 (recherchiert am 15.04.2015). * |
Datenbank (NCBI), WP_02604420: Acetolactate synthase [Actinomycetospora chiangmaiensis], veröffentlicht am 08. Juni 2014 (recherchiert am 15.04.2015). * |
Erb et al. 2008, J. Biol. Chem. 283: 32283-32293 |
http://www.ncbi.nim.nih.gov. |
https://www.dsmz.de/de/kataloge/katalog-mikroorganismen.html |
Jonsson et al. 2004, Kinetic and mechanistic characterization of the formyl-CoA transferase from Oxalobacter formigenes. J. Biol. Chem. 279: 36003-36012 |
Padmakumar et al. 1993, A rapid method for the synthesis of methylamlonylcoenzyme A and other CoA-esters. Anal. Biochem. 214: 318-320 |
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 5873-5877, 1993 |
Sly und Stadtman 1963, Formate metabolism: 1. Formyl coenzyme A, an intermediate in the formate-dependent decomposition of acetyl phosphate in Clostridium kluyveri. J. Biol. Chem. 238: 2632-2638 |
Tseng et al. 2009, Appl. Environ. Microbiol. 75: 3137-3145 |
Widmann et al. 2010, BMC Biochem. 11: 9 |
Yaneva et al. 2012, J. Biol. Chem. 287: 15502-15511 |
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