WO2001031047A2 - Mikrobiologisches verfahren zur herstellung aromatischer aldehyde und/oder carbonsäuren - Google Patents

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WO2001031047A2
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amo
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Bernard Witholt
Bernhard Hauer
Bruno BÜHLER
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    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/26—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving oxidoreductase

Definitions

  • the invention relates to an oxidative microbiological process for the preparation of aromatic aldehyde and / or carboxylic acid derivatives using recombinant microorganisms expressing xylene monooxygenase or alkane monooxygenase.
  • Xylene monooxygenase e.g. encoded by the TOL plasmid pW O from Pseudomonas putida mt-2 is an enzyme system that plays a key role in the breakdown of toluene and xylenes.
  • XMO belongs to the family of alkyl group hydroxylases and selectively hydroxylates a methyl group on the aromatic ring. This is the first step of a metabolic pathway (see FIG. 1 (A)) which leads to the formation of carboxylic acid derivatives, which are then converted into substrates for the Krebs cycle via the so-called meta-degradation pathway.
  • XMO consists of two polypeptide subunits XylM and XylA, which are encoded by the genes xylM and xylA (xylMA GENBANK Accession No. M37480)
  • XylA is a NADH acceptor reductase, i.e. an electron transport protein that transfers reduction equivalents of NADH to XylM, a hydroxylase located in the membrane.
  • Alkane hydroxylase is the first enzyme in a medium chain alkane degradation pathway involving a set of enzymes encoded by two alk gene clusters on the catabolic OCT plasmid.
  • the second enzyme in the pathway shown in Figure 1 (A) is benzyl alcohol dehydrogenase (BADH), a homodimeric member of a zinc-containing dehydrogenase family, the substrates of which are long-chain alcohols. This enzyme is encoded by the xylB gene.
  • BADH benzyl alcohol dehydrogenase
  • BZDH benzaldehyde dehydrogenase
  • Escherichia coli which were genetically recombined in such a way that they express XMO, not only toluenes and xylenes, but also m- and p-ethyl-, methoxy-, nitro- and chlorine-substituted toluenes as well as m -Bromine-substituted toluene can oxidize to the corresponding benzyl alcohol derivatives (19, 20). Styrene is oxidized to styrene oxide (ee 95%).
  • XMO also catalyzes the second step in the metabolic pathway shown in FIG.
  • a simplified microbiological production method could surprisingly be provided.
  • the invention is based in particular on the surprising finding that XMO or AMO are able to catalyze each individual step of the reaction path shown in FIG. 1 (A) or 1 (B).
  • sieren ie the oxidation of alkyl-substituted aromatics to the carboxylic acid derivative via the corresponding alcohol derivative and the corresponding aldehyde derivative as intermediates.
  • a first subject of the invention thus relates to a process for the preparation of aromatic aldehydes and / or carboxylic acids of the general formula I.
  • Ar represents an optionally mono- or polysubstituted mononuclear aromatic ring
  • R 1 represents an oxygen-containing group -CHO or -COOH
  • n stands for an integer value from 0 to 15, such as O to 12, 1 to 6 or 6 to 12,
  • R 3 represents H or OH; or, if R 1 is -COOH, R 2 is also
  • R 4 can be in which n is as defined above and R 4 is -CHO;
  • XMO xylene monoxygenase
  • AMO alkane monooxygenase
  • the reaction according to the invention can therefore be carried out in one or more stages using the same enzyme.
  • the alkylated aromatic, the corresponding alcohol or the corresponding aldehyde can be used as the substrate.
  • the degree of oxidation of the substrate used can be controlled in a simple manner, as described below.
  • the aromatic ring system Ar in the compounds of the formulas I and II prepared according to the invention or used as a substrate can be mono- or polysubstituted.
  • the position of the ring substituent (s) can be selected as desired. However, the meta and / or para position to the side chain to be oxidized is preferred.
  • substrates of the formula II which can be oxidized by XMO by the process according to the invention are toluene, xylenes, styrene, m- and / or p-methyl, ethyl-, methoxy-, nitro- and chlorine-substituted toluenes and m-bromine substituted toluene and pseudocumene (ie trimethylbenzenes); as well as the corresponding alcohols or aldehydes of these compounds.
  • substrates of the formula II which can be oxidized by AMO by the process according to the invention are toluene, ethylbenzene, n- and i-propylbenzene, n-butylbenzene, and the m- and / or p-methyl, ethyl, methoxy, nitro- and chlorine-substituted analogs of these compounds; and the corresponding alcohols and aldehydes of these compounds.
  • XMO encoded by the genes xylA and xylB according to xylMA GENBANK Accession No. M37480 and corresponding isoenzymes.
  • XMO preferably originates from bacteria of the genus Pseudomonas, in particular of the species Pseudomonas putida, preferably strain mt-2 (ATCC 33015).
  • AMO encoded by the genes alkB, alkG and alkT according to GENBANK Accession No. AJ245436 and corresponding isoenzymes (eg isoenzymes to alkB).
  • AMO preferably originates from bacteria of the genus Pseudomonas, in particular of the species Pseudomonas oleovorans, preferably strain GPol (ATCC 29347).
  • “functional equivalents” are understood to mean, in particular, enzyme mutants which, in at least the sequence position, have a different amino acid than the original one, but nevertheless catalyze one of the oxidation reactions mentioned above. “Functional equivalents” thus include those substituted by one or more amino acid additions or substituents , Deletions and / or inversions available mutants, the changes mentioned being able to occur in any sequence position as long as they lead to a mutant with the catalytic activity according to the invention. Functional equivalence is particularly given when the reactivity patterns between mutant and unchanged enzyme match qualitatively, i.e. for example, the same substrates can be implemented at different speeds.
  • “Functional equivalents” naturally also include monooxygenases derived from other organisms, e.g. from bacteria other than those specifically mentioned here, as well as naturally occurring variants or isozymes. For example, regions of homologous sequence regions can be determined by sequence comparison and equivalent enzymes can be determined based on the specific requirements of the invention.
  • nucleic acid sequences other than those specifically mentioned (single and double-stranded DNA and RNA sequences) which code for one of the above monooxygenases and their functional equivalents. Further nucleic acid sequences which can be used according to the invention thus differ from the specifically used sequences by addition, substitution, insertion or deletion of individual or more nucleotides, but continue to code for a monooxygenase with the desired property profile.
  • the invention also includes the use of nucleic acid sequences which comprise so-called silent mutations or which have been changed in accordance with the codon usage of a specific source or host organism, in comparison to a specifically named sequence, as well as naturally occurring variants thereof, for example splice variants.
  • the subject matter is likewise obtainable by conservative nucleotide substitutions (ie the amino acid in question is replaced by an amino acid of the same charge, size, polarity and / or solubility).
  • the invention also relates to expression constructs containing, under the genetic control of regulatory nucleic acid sequences, a nucleic acid sequence coding for a monooxygenase enzyme which can be used according to the invention; and vectors comprising at least one of these expression constructs.
  • Such constructs according to the invention preferably comprise a promoter 5 'upstream of the respective coding sequence and a terminator sequence 3' downstream and, if appropriate, further customary regulatory elements, in each case operatively linked to the coding sequence.
  • An “operative linkage” is understood to mean the sequential arrangement of promoter, coding sequence, terminator and, if appropriate, further regulatory elements in such a way that each of the regulatory elements can fulfill its function as intended when expressing the coding sequence. Examples of sequences which can be linked operatively are targeting sequences and translation enhancers, enhancers, polyadenylation signals and the like. Other regulatory elements include selectable markers, amplification signals, origins of replication and the like.
  • the natural regulatory sequence can still be present before the actual structural gene. This natural regulation can, if necessary, be switched off by genetic modification and the expression of the genes increased or decreased.
  • the gene construct can, however, also have a simpler structure, that is to say no additional regulation signals are inserted in front of the structural gene and the natural promoter with its regulation is not removed. Instead, the natural regulatory sequence is mutated so that regulation no longer takes place and gene expression is increased or decreased.
  • the nucleic acid sequences can be contained in one or more copies in the gene construct.
  • Examples of useful promoters are: cos, tac, trp, tet, trp-tet, lpp, lac, lpp-lac, laclq, T7, T5, T3, gal, tre , ara, SP6, 1-PR or in the 1-PL promoter, which are more advantageous find wise use in gram-negative bacteria; as well as the gram-positive promoters amy and SP02, the yeast promoters ADC1, MFa, AC, P-60, CYC1, GAPDH or the plant promoters CaMV / 35S, SSU, OCS, lib4, usp, STLS1, B33, not or the ubiquitin or phaseolin promoter.
  • inducible promoters such as, for example, light- or temperature-inducible promoters, such as the P r P ⁇ promoter, is particularly preferred
  • the regulatory sequences mentioned are intended to enable the targeted expression of the nucleic acid sequences and the protein expression. Depending on the host organism, this can mean, for example, that the gene is only expressed or overexpressed after induction, or that it is immediately expressed and / or overexpressed.
  • the regulatory sequences or factors can preferably have a positive influence on the expression and thereby increase or decrease it.
  • the regulatory elements can advantageously be strengthened at the transcription level by using strong transcription signals such as promoters and / or "enhancers".
  • an increase in translation is also possible, for example, by improving the stability of the mRNA.
  • An expression cassette according to the invention is produced by fusing a suitable promoter with a suitable monooxygenase nucleotide sequence and a terminator or polyadenylation signal. Common recombination and cloning techniques are used for this, as described, for example, in T. Maniatis et al (24) and in T.J. Silhavy et al. (32) and in Ausübel, F.M. et al. (33) are described.
  • the recombinant nucleic acid construct or gene construct is advantageously inserted into a host-specific vector which enables optimal expression of the genes in the host.
  • Vectors are well known to those skilled in the art and can be found, for example, in "Cloning Vectors" (Pouwels P.H. et al. (34)).
  • vectors are also understood to mean all other vectors known to the person skilled in the art, such as phages, viruses such as SV40, CMV, baculovirus and adenovirus, transposons, IS elements, phasmids, cosmids, and linear or circular DNA. These vectors can be replicated autonomously in the host organism or replicated chromosomally.
  • recombinant microorganisms can be produced which, for example, have been transformed with at least one vector according to the invention and can be used in the method according to the invention.
  • the recombinant constructs according to the invention described above are advantageously introduced and expressed in a suitable host system.
  • Common cloning and transfection methods known to the person skilled in the art such as, for example, co-precipitation, protoplast fusion, electroporation, retroviral transfection and the like, are preferably used here in order to bring the nucleic acids mentioned into expression in the respective expression system. Suitable systems are described, for example, in Current Protocols in Molecular Biology, F. Ausubel et al. (35).
  • all organisms which allow expression of the nucleic acids according to the invention, their allele variants, their functional equivalents or derivatives and which can be used to carry out the microbiological oxidation reaction according to the invention are suitable as host organisms.
  • Host organisms are, for example, bacteria, fungi, yeasts, plant or animal cells.
  • Preferred organisms are bacteria.
  • microorganism expressing XMO is preferably used which has essentially no benzyl alcohol dehydrogenase (BADH) and / or no benzaldehyde dehydrogenase (BZDH) activity.
  • BADH benzyl alcohol dehydrogenase
  • BZDH benzaldehyde dehydrogenase
  • microorganisms expressing AMO which have essentially no alkanol dehydrogenase (AODH) and / or alkanol dehydrogenase (AADH) activity which are encoded by the alkJ or alkH genes.
  • AODH alkanol dehydrogenase
  • AADH alkanol dehydrogenase
  • a bacterium of the genus Escherichia such as. B. E. coli
  • the strain W3110 and one of the K12 strains, such as JM101 and DH5 ⁇ , or one of the Pseudomonas putida strains, such as the strain KT 2440 are used.
  • the characteristics of some preferred E. coli strains are given in Table I.
  • microorganisms with a vector is carried out according to the invention using established standard techniques (24) and therefore does not require any detailed discussion.
  • Successfully transformed organisms can be selected using marker genes which are also contained in the vector or in the expression cassette. Examples of such marker genes are genes for antibiotic resistance and for enzymes which catalyze a coloring reaction which stains the transformed cell. These can then be selected using automatic cell sorting.
  • Microorganisms which have been successfully transformed with a vector and which carry an appropriate antibiotic resistance gene for example G418 or hygromycin
  • Marker proteins that are presented on the cell surface can be used for selection by means of affinity chromatography.
  • the combination of the host organisms and the vectors suitable for the organisms such as plasmids, viruses or phages, such as, for example, plasmids with the RNA polymerase / promoter system, the phages ⁇ or ⁇ or other temperate phages or transposons and / or further advantageous regulatory ones Sequences form an expression system.
  • a recombinant microorganism which is transformed with an expression vector which, e.g. under the genetic control of the alk regulation system from Pseudomonas oleovorans GPol, which contains the genes xylM and xylA coding for XMO or the genes alkB, alkG and alkT coding for AMO in operative linkage.
  • an expression vector which, e.g. under the genetic control of the alk regulation system from Pseudomonas oleovorans GPol, which contains the genes xylM and xylA coding for XMO or the genes alkB, alkG and alkT coding for AMO in operative linkage.
  • the microorganism is particularly preferably transformed with the xylMA-encoding expression plasmid pSPZ3.
  • the alk regulation system from Pseudomonas oleovorans GPol is known per se.
  • the expression of the first of the two alk gene clusters mentioned above is under the control of alkBp, the alk promoter, and begins in the presence of the functional regulatory protein alkS, which is encoded by the second alk gene cluster, and in the presence of an inducer.
  • an inducer such as B. an alkane, for example n-octane, or a little related to these compounds, such as.
  • DCPK Dicyclopropyl ketone
  • n-octane and DCPK are preferably used as inductors, particularly preferably in an amount of 0.001 to 0.5% (v / v) in the case of n-octane and in an amount of 0.005 to 0.05 % (V / V) in the case of DCPK. It can mixtures of n-octane and DCPK can of course also be used. When working in these concentration ranges, the induction is maximum.
  • the invention also relates to a microbiological process for the oxidation of organic compounds of the above type with the aid of the recombinant microorganisms just described.
  • the recombinant microorganism used according to the invention can be cultivated and fermented by known methods. Bacteria can be propagated, for example, in TB or LB medium and at a temperature of 20 to 40 ° C and a pH of 6 to 9. Suitable cultivation conditions are described in detail, for example, in T. Maniatis et al., Cited above.
  • the microorganisms are preferably first cultivated in the presence of oxygen and in a complex medium, such as e.g. TB or LB medium, at a cultivation temperature of about 20 to 40oC or more, and a pH of about 6 to 9 until a sufficient cell density is reached.
  • a complex medium such as e.g. TB or LB medium
  • the use of an inducible promoter is preferred.
  • the cultivation is carried out after induction of monooxygenase production in the presence of oxygen, e.g. 1 hour to 3 days, continued.
  • the oxidation product or product mixture formed can then be processed in a conventional manner, e.g. by extraction or chromatography, separated from the medium and cleaned.
  • the reactions according to the invention can advantageously also be carried out in bioreactors which contain the recombinant microorganism according to the invention, e.g. in immobilized form.
  • the degree of oxidation of the substrates used according to the invention can be controlled in a simple manner. For example, samples are taken from the culture medium at regular intervals and checked for the content of the corresponding alcohol, aldehyde and / or carboxylic acid by gas chromatography or using gas chromatography-mass spectrometer coupling (GC-MS) or high-performance liquid chromatography. Derivatives examined. Depending on which oxidized derivative is desired, or when a desired mixing ratio has been established, the incubation is interrupted. This can be done, for example, by removing or killing the microorganisms from the culture medium, for example by centrifuging and decanting and / or by treatment with acid, for example trichloroacetic acid. or by treatment with heat. Acid formation can also be inhibited by metering in unoxidized substrate (such as toluene or pseudocumene).
  • unoxidized substrate such as toluene or pseudocumene
  • the oxidized aromatic can then be isolated from the culture medium using conventional separation processes, for example by simple distillation, fractional distillation, rectification, if appropriate in vacuo, or by using suitable chromatographic processes, preferably by distillation.
  • the microorganism cells are expediently removed from the culture medium before these products are purified.
  • a vector was also used to transform the microorganisms which, in addition to the XMO genes xylM and xylA, also contains the benzyl alcohol dehydrogenase (BADH) gene xylB from Pseudomonas putida mt-2 in an expressible form.
  • BADH benzyl alcohol dehydrogenase
  • plasmid pRS which contained no xyl genes, was constructed in the course of the studies according to the invention.
  • pRMAB was digested with BamHI and Smal and treated with Klenow-Enzy. After isolation of the larger fragment, the vector was religated.
  • Figure 1 shows (A) the gradual oxidation of toluene to benzyl alcohol, benzaldehyde and benzoic acid by the enzymes of the upper TOL pathway and the organization of the xyl genes of the upper TOL operon.
  • BADH and BZDH stand for benzyl alcohol dehydrogenase and benzaldehyde dehydrogenase.
  • P u denotes the top TOL operon promoter, xylW a gene with unknown function, xylC the gene encoding BZDH, xylM the gene encoding the terminal hydroxylase component of XMO, xylA the NADH: acceptor reductase Component of the gene encoding XMO, xylB the gene encoding BADH and xylN a gene with unknown function; (B) the stepwise oxidation of an aryl-substituted alkane via the corresponding alkanol and alkanal to the alkane carboxylic acid, catalyzed by the enzymes alkane hydroxylase (AMO), alkanol dehydrogenase (AODH) and alkane aldehyde (AADH).
  • AMO alkane hydroxylase
  • AODH alkanol dehydrogenase
  • AADH alkane aldehyde
  • FIG. 2 shows construction schemes of the expression plasmids pSPZ3 and pRMAB with the genes xylMA and xylMAB under the control of the alk regulation system.
  • alkBp means the promoter of the alk operon
  • alkS is the gene for the positive regulator AlkS.
  • the xylM * and xylA genes encode the xylene monooxygenase (this * means that a Ndel site has been removed in the xylM gene).
  • the xylB gene encodes BADH.
  • Km is the gene for kanamycin resistance and T4t is the transcription terminator of phage T4.
  • Figure 3 shows the oxidation of toluene by E. coli JM101
  • FIG. 4 shows the oxidation of pseudocumene, the corresponding alcohol and the corresponding aldehyde by E. coli JM101 (pSPZ3) (A, C, E) and E. coli JM101 (pRMAB) (B, D).
  • the substrates (0.46 mM) were converted into a suspension of resting E. coli JM101 (pSPZ3 / pBRMAB) cells (0.86-0.92 g *! " 1 CDW) in
  • the arrow in graph (A) indicates when 0.1% (v / v) n-octane was added to induce XylMA synthesis.
  • FIG. 6 shows a possible mechanistic explanation for the XMO-catalytic formation of benzaldehyde from benzyl alcohol.
  • a * the plasmid only contains part of the xylA gene
  • the bacteria were either in Luria-Bertani (LB) broth (Difco, Detroit, Mich.) Or in M9 minimal medium (24) containing three times the concentration of phosphate salts (M9 *) and 0.5% (w / v) Contained glucose as the only carbon source.
  • the cultures were optionally with kanamycin (final concentration: 50 mg / liter), ampicillin (100 mg / liter), chloramphenicol (30 mg / liter), thiamine (10 _3 %, w / v ), 1 mM indole and 0.5 mM IPTG (isopropyl- ⁇ -D-1-thiogalactopyranoside).
  • Solid media contained 1.5% (w / v) agar. Liquid cultures were routinely grown at 30 or 37 ° C on horizontal shakers at 200 rpm.
  • One unit (U) is defined as the activity that gives 1 ⁇ mol total products in 1 minute.
  • the specific activity is expressed here as activity per g cell dry weight (CDW) (U g _1 CDW) (hereinafter also simply referred to as activity). Calculation as average activity, based on the amount of products per g CDW, which are formed in the first 5 minutes of implementation.
  • the experiments were repeated independently at least three times.
  • the assay was carried out as follows. E. coli JM101 recombined with the appropriate vectors were incubated in 40 or 100 ml of medium in the presence of kanamycin.
  • the cells were induced by adding 0.05% (v / v) DCPK or 0.1% (v / v) n-octane and 3 to 3, Incubated 5 hours more until the OD 450 typically rose to 0.8-0.9. The cells were then harvested and resuspended to a dry cell weight of 2.5 g / l in 50 mM potassium phosphate buffer, pH 7.4, containing 1% (w / v) glucose. Aliquots of 1 or 2 ml were placed in stoppered Pyrex tubes and incubated horizontally on a rotary shaker at 30 ° C and 250 rpm.
  • the respective substrate was added to a final concentration of 1.5 mM in the form of a 20-fold concentrated stock solution in ethanol.
  • the dry cell weight was reduced to 1 g / 1 and the respective substrates were added to a final concentration of 0.5 mM, because this compound was low in water Has solubility.
  • the reaction was carried out on the shaker for 5 minutes and then ended by placing the samples in ice and immediately adding 40 or 80 ⁇ l of perchloric acid stock solution (10% v / v) so that the pH of the suspension was 2.
  • High performance liquid chromatography HPLC was used to separate benzyl alcohol, benzyl aldehyde and benzoic acid.
  • Nucleosil C18 pore size 100 ⁇ , particle size 5 ⁇ m, length 25 cm, inner diameter 4 mm
  • H 2 O-30% acetonitrile-0.1 served as the column and 69.9% H 2 O-30% acetonitrile-0.1 as the mobile phase % H 3 P0 4 at a flow rate of 0.7 ml / min.
  • the gas chromatograph (Fisons Instruments, England) was equipped with an OPTIMA-5 quartz capillary column (length 25 m, inner diameter 0.32 mm, film thickness 0.25 ⁇ m) from Macherey-Nagel (Oensingen, Switzerland). Hydrogen was used as the carrier gas and the injection was splitless. The following temperature profile was used: from 40 ° C to 70 ° C at 15 ° C / min, from 70 ° C to 105 ° C at 5 ° C / min and from 105 ° C to 240 ° C at 20 ° C / minute The compounds were detected using a flame ionization detector. The separated compounds were identified by comparing their retention times with those of commercially available standards.
  • the detection can also be carried out with a mass spectrometer (GC-MS coupling).
  • GC-MS coupling a mass spectrometer
  • the GC-MS coupling consisted of a Fisons type MD-800 mass spectrometer and a gas chromatograph (Fisons Instruments, England) equipped with a CP-Sil-5CB column (Chrompack, The Netherlands). Helium was used as the carrier gas. The injection was split (20: 1). The temperature program was the same as for the gas chromatographic separation described above.
  • Example 1 Oxidation of toluene and derivatives thereof with xylene monooxygenase
  • the cells were each grown to a cell density of 0.09 g CDW / 1 and routinely induced with 0.1% (v / v) n-octane. Then the cultures were a further 3 to Incubated for 3.5 hours and grown to a cell density of 0.23 to 0.27 g CDW / 1.
  • Table II shows that XMO oxidizes toluene to benzyl alcohol, benzyl alcohol to benzaldehyde and benzyldehyde to benzoic acid. Activities of up to 95-100 U / g CDW were found for the first two oxidation reactions, whereas the oxidation of benzaldehyde was carried out with a low activity, namely only 10 U / g CDW.
  • Controls were uninduced E. coli JM101, which contained the plasmid pSPZ3, and induced E. coli JM101, which contained no plasmid.
  • E. coli JM101 which contained the plasmid pRS, were used as additional controls.
  • the plasmid pRS still contains the alkS gene, but not the xyl genes. Table II shows that when toluene, pseudo-documol and the corresponding alcohols were used as substrates, no conversion products were detectable in the control experiments.
  • the activity assay was performed as described above.
  • the unit (U) is as defined above and the specific activity was calculated as described above.
  • Example 2 Determination of the evolution of various substrates over time
  • FIGS. 3 and 4 The time course of the oxidation of toluene, pseudocumene, 3,4-dimethylbenzyl alcohol and 3,4-dimethylbenzaldehyde is shown in FIGS. 3 and 4.
  • the assays were carried out as described above.
  • the respective substrate was added to a suspension of the respective resting cells in 50 mM potassium phosphate buffer, pH 7.4, which contained 1% (w / v) glucose.
  • Example 3 Conversion of toluene and pseudocumene by E. coli JMIOI (pRMAB).
  • Example 4 Growth and induction kinetics of E. coli JM101 (pSPZ3).
  • a single culture was grown for each activity point.
  • the activity assay was carried out as described above.
  • pseudocumene (1.37 mM) was made into a suspension of resting E. coli JM101 (pSPZ3) (2.04-2.26 g l- 1 CDW) in 50 M potassium phosphate buffer, pH 7.4. containing 1% (w / v) glucose.
  • the specific activities were calculated using the gas-chromatographically determined amounts of the products formed in the first 5 minutes of the reaction.
  • the arrow indicates the point in time at which 0.1% (v / v) n-octane was added to induce the xylMA synthesis.
  • the filled circles indicate the dry cell weight (CDW) of the uninduced cultures, the open circles the dry cell weight of the induced cultures and the crosses the specific activities of the induced cultures.
  • 5 (B) and (C) were obtained as in FIG. 5 (A), with the difference that the cell density was 2.26-2.44 gl " 1 CDW.
  • FIG. 5 (B) shows the effects of different Amounts of n-octane and Figure 5 (C) that of DCPK
  • the circles indicate the dry cell weight 3.5 hours after induction and the crosses indicate the specific activities of the induced cultures.
  • XMO activity was monitored after induction with 0.1% (v / v) n-octane (Fig. 5 (A)) or 0.05% (v / v) DCPK.
  • the XMO activity was quickly induced by both compounds and reached a constant strength of about 115 or 105 U / g CDW in the case of n-octane or DCPK after 3 to 3.5 hours of induction time. Compared to non-induced cells, the growth rates of the induced cells were significantly lower.
  • the dependence of the XMO activity on the inductor concentrations [in the range 0.00001-1% (v / v)] was determined by attracting E. coli JM101 (pSPZ3) to a concentration of 0.09 g CDW per liter and the Cells with different amounts of n-octane and DCPK were induced. After a further 3.5 hours of culture, the cell dry weight and the XMO activity were determined for each inducer concentration (FIGS. 5 (B) and (C)). XMO activities were very low when less than 0.0001% (v / v) n-octane or 0.001% (v / v) DCPK was added to the culture medium.
  • XMO clearly has a higher affinity for toluene and pseudocumene than for the corresponding aldehydes.
  • BADH results in less activity for product formation and even the regression of benzyl alcohol.
  • the cells containing BADH clearly accumulate the aldehydes more slowly.
  • BADH appears to dramatically increase the effects of E. coli dehydrogenases, with the balance of this dehydrogenase reaction appearing to be on the alcohol side. This is confirmed by thermodynamic calculations according to methods known in the prior art (26 to 29) and by enzyme kinetic studies (16-18).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur stufenweisen Oxidation von Aromaten zu den entsprechenden Aldehyd- und/oder Carbonsäure-Derivaten unter Verwendung von Xylolmonooxygenase oder Alkanmono-Oxygenase exprimierenden, gentechnisch rekombinierten Mikroorganismen.

Description

Mikrobiologisches Verfahren zur Herstellung aromatischer Aldehyde und/oder Carbonsäuren
Die Erfindung betrifft ein oxidatives mikrobiologisches Verfahren zur Herstellung aromatischer Aldehyd- und/oder Carbonsäure-Derivate unter Verwendung von Xylolmonooxygenase oder Alkanmonooxyge- nase exprimierenden rekombinanten Mikroorganismen.
Xylolmonooxygenase (XMO), wie sie z.B. von dem TOL-Plasmid pW O von Pseudomonas putida mt-2 kodiert wird, ist ein Enzymsystem, dem beim Abbau von Toluol und Xylolen eine Schlüsselrolle zukommt. XMO gehört zur Familie der Alkylgruppen-Hydroxylasen und hydroxyliert selektiv eine Methylgruppe am aromatischen Ring. Dies ist der erste Schritt eines Stoffwechselweges (vgl. Figur 1 (A) ) der zur Bildung von Carbonsäure-Derivaten führt, die dann über den sogenannten meta-Abbauweg in Substrate für den Krebs-Zyklus umgewandelt werden.
XMO besteht aus zwei Polypeptid-Untereinheiten XylM und XylA, die von den Genen xylM und xylA kodiert werden (xylMA GENBANK-Accession-Nr. M37480) XylA ist eine NADH-Akzeptor-Reduktase, d.h. ein Elektronen-Transportprotein, das Reduktionsäquivalente von NADH auf XylM, eine in der Membran lokalisierte Hydroxylase überträgt.
"• r- -ktivi+-H+ von XylM ist von der Gegenwart von Phospholipiden und Eisen(II) -Ionen uiiängig und hat ein pH-Optimum von 7. Die Aminosäuresequenz von XylM ist zu 25% mit der Aminosäuresequenz der Hydroxylasekomponente AlkB der Alkan-Hydroxylase von P . oleo- vorans GPol homolog.
Die Alkanhydroxylase ist das erste Enzym eines Abbauweges für Al- kane mit mittlerer Kettenlänge, an dem ein Satz von Enzymen beteiligt ist, der von zwei alk-Genclustern auf dem katabolischen OCT-Plasmid kodiert wird.
Das zweite Enzym in dem in Figur 1 (A) dargestellten Stoffwechselweg ist die Benzylalkoholdehydrogenase (BADH), ein homodimeres Mitglied einer zinkhaltigen Dehydrogenase-Familie , deren Sub- strate langkettige Alkohole sind. Dieses Enzym wird vom xylB-Gen kodiert. Das dritte Enzym in dem in Figur 1 (A) dargestellten Stoffwechselweg ist die Benzaldehyddehydrogenase (BZDH), bei der es sich ebenfalls um ein Ho odimer handelt, das vom xyIC-Gen kodiert wird. Weitere Einzelheiten zu den Funktionen und Eigenschaften der oben erwähnten Gene und Enzyme, finden sich in den Literaturstellen (1) bis (18).
Es konnte gezeigt werden, dass Escherichia coli , die gentechnisch so rekombiniert wurden, dass sie XMO exprimieren, nicht nur To- luol und Xylole, sondern auch m- und p-Ethyl-, Methoxy-, Nitro- und Chlor-substituierte Toluole sowie m-Brom-substituiertes To- luol zu den entsprechenden Benzylalkohol-Derivaten oxidieren kön- nen (19, 20). Styrol wird zu Styroloxid (ee 95%) oxidiert. Darüber hinaus wurde vermutet, dass XMO auch den zweiten Schritt in dem in Figur 1 (A) dargestellten Stoffwechselweg katalysiert, nämlich die Oxidation von Benzylalkoholen zu den entsprechenden Aldehyden in vivo (d.h. bei Versuchen mit ganzen, lebenden Zel- len) (2, 21). Auch die Umwandlung von Benzaldehyd in Benzoat nach dem dritten Schritt des in Figur 1 (A) dargestellten Stoffwechselweges konnte bereits beobachtet werden, wurde aber unspezifischen Dehydrogenasen in E. coli zugeschrieben (2). Weitere in vitro durchgeführte Untersuchungen mit teilweise gereinigter XylMA (in dieser Beschreibung auch synonym für XMO verwendet, d.h. für das aus zwei Polypeptid-Untereinheiten, nämlich XylM und XylA, bestehende funktioneile Enzym) haben dagegen gezeigt, dass diese keine Aktivität in Bezug auf Benzylalkohol hat ( 9 ) . Die Gründe für diese Diskrepanz sind nach wie vor unklar.
Aufgrund der ausgeprägten Homologie zwischen Xylolmonooxygenase und Alkanmonooxygenase (AMO, auch als Alkanhydroxylase bezeichnet; GENBANK Accession-Nr.: AJ245436) hätte der Fachmann für beide Systeme ähnliche Einschränkungen hinsichtlich Art und Um- fang der katalysierten Reaktionen erwartet.
Die bisher aus dem Stand der Technik bekannten biokatalytischen Verfahren zur Herstellung aromatischer Aldehyde bzw. Carbonsäuren waren insofern noch nicht zufriedenstellend, als zu deren Durch- führung verschiedene Enzyme notwendig erschienen. Auch eine chemische Synthese erweist sich aufgrund der erforderlichen Regio- und Chemoselektivität als schwierig.
Es war deshalb Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung aromatischer Aldehyde und/oder Carbonsäuren bereitzustellen .
Erfindungsgemäß konnte überraschenderweise ein vereinfachtes mikrobiologisches Herstellungsverfahren bereitgestellt werden. Die Erfindung beruht insbesondere auf der überraschenden Erkenntnis, dass XMO bzw. AMO in der Lage sind, jeden einzelnen Schritt des in Figur 1 (A) bzw. 1 (B) dargestellten Reaktionsweges zu kataly- sieren, d.h. die Oxidation von alkylsubstituierten Aromaten zum Carbonsäure-Derivat über das entsprechende Alkohol-Derivat und das entsprechende Aldehyd-Derivat als Zwischenstufen. Überraschenderweise wurde erfindungsgemäß auch festgestellt, dass im Vergleich zu früheren Untersuchungen mit XMO exprimierenden, re- kombinanten E. coli (20, 21), unter Verwendung eines speziellen Expressionssystems für die XMO-Gene, d.h. xylM und xylA, eine 10- bis 20-fach höhere Aktivität erzielbar ist.
Ein erster Gegenstand der Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung aromatischer Aldehyde und/oder Carbonsäuren der allgemeinen Formel I
Ar-(CH2)n-Ri (I) worin
Ar für einen gegebenenfalls ein- oder mehrfach substituierten einkernigen aromatischen Ring steht; R1 für eine Sauerstoff-haltige Gruppe -CHO oder -COOH steht; und n für eine ganzzahligen Wert von 0 bis 15, wie z.B.O bis 12, 1 bis 6 oder 6 bis 12 steht,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß man
a) in einem Kulturmedium, welches ein aromatisches Substrat der Formel II
Ar-R2 (II)
worin
Ar die oben angegebenen Bedeutungen besitzt, und R2 für -CH=CH2 oder -(CH2)n+1R3 steht, worin n wie oben angegeben definiert ist und
R3 für H oder OH steht; oder, wenn R1 für -COOH steht, R2 auch für
-(CH2)nR4 stehen kann, worin n wie oben angegeben de- finiert ist und R4 für -CHO steht;
enthält, einen Mikroorganismus, insbesondere aerob, kultiviert, der ein Enzym ausgewählt unter Xylolmonoxygenase (XMO) und Alkanmonooxygenase (AMO) exprimiert; und 01/31047
4 b) die Verbindung(en) der Formel I aus dem Kulturmedium isoliert.
Die erfindungsgemäße Reaktion kann also mit dem gleichen Enzym, ein- oder mehrstufig durchgeführt werden. Als Substrat kann der alkylierte Aromat, der korresponierende Alkohol oder der korrespondierende Aldehyd eingesetzt werden. Der Oxidationsgrad des eingesetzten Substrats kann, wie unten beschrieben, in einfacher Weise gesteuert werden.
Ohne sich auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, deuten 180-Einbauexperimente in Verbindung mit durch Massenspektrometrie erhaltenen Fragmentierungsmustern darauf hin, daß der wahrscheinlichste Mechanismus der durch XMO katalysierten Alkoholoxidation über die Bildung eines geminalen Diols als Zwischenprodukt läuft, das dann vermutlich nicht-stereospezifisch unter Erhalt des Aldehyds dehydriert wird (vgl. Fig. 6).
Das aromatische Ringsystem Ar in der erfindungsgemäß hergestell- ten bzw. als Substrat eingesetzten Verbindungen der Formeln I und II kann einfach oder mehrfach substituiert sein. Die Position des/der Ringsubstituenten ist beliebig wählbar. Bevorzugt ist jedoch die meta- und/oder para-Stellung zur zu oxidierenden Seitenkette .
Konkrete nichtlimitierende Beispiele für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch XMO oxidierbare Substrate der Formel II sind Toluol, Xylole, Styrol, m- und/oder p- Methyl, Ethyl-, Methoxy-, Nitro- und Chlor-substituierte Toluole, sowie m-Brom-substituier- tes Toluol und Pseudocumol (d.h. Trimethylbenzole) ; sowie die korrespondierenden Alkohole bzw. Aldehyde dieser Verbindungen. Konkrete nichtlimitierende Beispiele für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch AMO oxidierbare Substrate der Formel II sind Toluol, Ethylbenzol, n- und i-Propylbenzol, n-Butylbenzol, sowie die m- und/oder p- Methyl, Ethyl-, Methoxy-, Nitro- und Chlorsubstituierten Analoga dieser Verbindungen; und die korrespondierenden Alkohole und Aldehyde dieser Verbindungen.
Die erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt unter Einsatz folgender Enzyme durchgeführt:
XMO, kodiert von den Genen xylA und xylB gemäß xylMA GENBANK-Ac- cession Nr. M37480 und korrespondierende Isoenzyme. XMO stammt bevorzugt aus Bakterien der Gattung Pseudomonas, insbesondere der Spezies Pseudomonas putida, bevorzugt Stamm mt-2 (ATCC 33015). AMO, kodiert von den Genen alkB, alkG und alkT gemäß GENBANK-Accession Nr. AJ245436 und korrespondierende Isoenzyme (z.B. Isoenzyme zu alkB). AMO stammt bevorzugt aus Bakterien der Gattung Pseudomonas, insbesondere der Spezies Pseudomonas oleovorans, be- vorzugt Stamm GPol (ATCC 29347).
Erfindungsgemäß mit umfasst ist ebenfalls die Verwendung "funktionaler Äquivalente" der konkret offenbarten XMO's und AMO's.
"Funktionale Äquivalente" oder Analoga der konkret offenbarten Monooxygenasen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung davon verschiedene Enzyme, welche weiterhin die gewünschte Reaktion zeigen und zur Herstellung von Aldehyden und/oder Carbonsäuren obiger allgemeiner Formel I brauchbar sind.
Unter "funktionalen Äquivalenten" versteht man erfindungsgemäß insbesondere Enzymmutanten, welche in wenigstens Sequenzposition eine andere als die ursprüngliche Aminosäure aufweisen aber trotzdem eine der oben genannten Oxidationsreaktionen katalysie- ren. "Funktionale Äquivalente" umfassen somit die durch eine oder mehrere Aminosäure-Additionen, -Substituenten, -Deletionen und/ oder -Inversionen erhältlichen Mutanten, wobei die genannten Veränderungen in jeglicher Sequenzposition auftreten können, solange sie zu einer Mutante mit dem erfindungsgemäßen katalytischen Ak- tivität führen. Funktionale Äquivalenz ist insbesondere auch dann gegeben, wenn die Reaktivitätsmuster zwischen Mutante und unverändertem Enzym qualitativ übereinstimmen, d.h. beispielsweise gleiche Substrate mit unterschiedlicher Geschwindigkeit umgesetzt werden.
"Funktionale Äquivalente" umfassen natürlich auch Monooxygenasen, welche aus anderen Organismen, z.B. aus anderen als den hierin konkret genannten Bakterien, zugänglich sind, sowie natürlich vorkommende Varianten oder Isoezyme. Beispielsweise lassen sich durch Sequenzvergleich Bereiche homologer Sequenzregionen festlegen und in Anlehnung an die konkreten Vorgaben der Erfindung äquivalente Enzyme ermitteln.
Erfindungsgemäß mit umfaßt ist auch die Verwendung von anderen als den konkret genannten Nukleinsäuresequenzen (einzel- und dop- pelsträngige DNA- und RNA-Sequenzen) welche für eine der obigen Monooxygenasen und deren funktionalen Äquivalenten kodieren. Weitere erfindungsgemäß brauchbare Nukleinsäuresequenzen unterscheiden sich somit von den konkret eingesetzten Sequenzen durch Addi- tion, Substitution, Insertion oder Deletion einzelner oder mehrerer Nukleotide, kodieren aber weiterhin für eine Monooxygenase mit der gewünschten Eigenschaftsprofil. Erfindungsgemäß umfasst ist auch der Einsatz solcher Nukleinsäuresequenzen, die sogenannte stumme Mutationen umfassen oder entsprechend der Codon-Nutzung eins speziellen Ursprungs- oder Wirtsorganismus , im Vergleich zu einer konkret genannten Sequenz verändert sind, ebenso wie natürlich vorkommende Varianten, wie z.B. Spleißvarianten, davon. Gegenstand sind ebenso durch konservative Nukleotidsubstutionen (d.h. die betreffende Aminosäure wird durch eine Aminosäure gleicher Ladung, Größe, Polarität und/ oder Löslichkeit ersetzt) erhältliche Sequenzen.
Gegenstand der Erfindung sind außerdem Expressionskonstrukte, enthaltend unter der genetischen Kontrolle regulativer Nukleinsäuresequenzen eine für ein erfindungsgemäß brauchbares Monooxy- genase-Enzym kodierende Nukleinsäuresequenz; sowie Vektoren, umfassend wenigstens eines dieser Expressionskonstrukte. Vorzugsweise umfassen solche erfindungsgemäßen Konstrukte 5 '-strom-auf- wärts von der jeweiligen kodierenden Sequenz einen Promotor und 3 '-stromabwärts eine Terminatorsequenz sowie gegebenenfalls wei- tere übliche regulative Elemente, und zwar jeweils operativ verknüpft mit der kodierenden Sequenz . Unter einer "operativen Verknüpfung" versteht man die sequentielle Anordnung von Promotor, kodierender Sequenz, Terminator und gegebenenfalls weiterer regulativer Elemente derart, dass jedes der regulativen Elemente seine Funktion bei der Expression der kodierenden Sequenz bestimmungsgemäß erfüllen kann. Beispiele für operativ verknüpfbare Sequenzen sind Targeting-Sequenzen sowie Translationsverstärker, Enhancer, Polyadenylierungssignale und dergleichen. Weitere regulative Elemente umfassen selektierbare Marker, Amplifikationssi- gnale, Replikationsursprünge und dergleichen.
Zusätzlich zu den artifiziellen Regulationssequenzen kann die natürliche Regulationssequenz vor dem eigentlichen Strukturgen noch vorhanden sein. Durch genetische Veränderung kann diese natürli- ehe Regulation gegebenenfalls ausgeschaltet und die Expression der Gene erhöht oder erniedrigt werden. Das Genkonstrukt kann aber auch einfacher aufgebaut sein, das heißt es werden keine zusätzlichen Regulationssignale vor das Strukturgen insertiert und der natürliche Promotor mit seiner Regulation wird nicht ent- fernt. Statt dessen wird die natürliche Regulationssequenz so mutiert, dass keine Regulation mehr erfolgt und die Genexpression gesteigert oder verringert wird. Die Nukleinsäuresequenzen können in einer oder mehreren Kopien im Genkonstrukt enthalten sein.
Beispiele für brauchbare Promotoren sind: cos-, tac-, trp-, tet-, trp-tet-, lpp-, lac-, lpp-lac-, laclq-, T7-, T5-, T3-, gal-, tre-, ara-, SP6-, 1-PR- oder im 1-PL-Promotor, die vorteilhafter- weise in gram-negativen Bakterien Anwendung finden; sowie die gram-positiven Promotoren amy und SP02, die Hefepromotoren ADC1, MFa , AC, P-60, CYC1, GAPDH oder die Pflanzenpromotoren CaMV/35S, SSU, OCS, lib4, usp, STLS1, B33, not oder der Ubiquitin- oder Phaseolin-Promotor. Besonders bevorzugt ist die Verwendung induzierbarer Promotoren, wie z.B. licht- oder temperaturinduztier- bare Promotoren, wie der PrPι-Promotor
Prinzipiell können alle natürlichen Promotoren mit ihren Regula- tionssequenzen verwendet werden. Darüber hinaus können auch synthetische Promotoren vorteilhaft verwendet werden.
Die genannten regulatorischen Sequenzen sollen die gezielte Expression der Nukleinsäuresequenzen und der Proteinexpression er- möglichen. Dies kann beispielsweise je nach Wirtsorganismus bedeuten, dass das Gen erst nach Induktion exprimiert oder überex- primiert wird, oder dass es sofort exprimiert und/oder überexpri- miert wird.
Die regulatorischen Sequenzen bzw. Faktoren können dabei vorzugsweise die Expression positiv beeinflussen und dadurch erhöhen oder erniedrigen. So kann eine Verstärkung der regulatorischen Elemente vorteilhafterweise auf der Transkriptionsebene erfolgen, indem starke Transkriptionssignale wie Promotoren und/oder "En- hancer" verwendet werden. Daneben ist aber auch eine Verstärkung der Translation möglich, indem beispielsweise die Stabilität der mRNA verbessert wird.
Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Expressionskassette er- folgt durch Fusion eines geeigneten Promotors mit einer geeigneten Monooxygenase-Nukleotidsequenz sowie einem Terminator- oder Polyadenylierungssignal. Dazu verwendet man gängige Rekombina- tions- und Klonierungstechniken, wie sie beispielsweise in T. Ma- niatis et al (24) sowie in T.J. Silhavy et al. (32) und in Aus- übel, F.M. et al. (33) beschrieben sind.
Das rekombinante Nukleinsäurekonstrukt bzw. Genkonstrukt wird zur Expression in einem geeigneten Wirtsorganismus vorteilhafterweise in einen wirtsspezifischen Vektor insertiert, der eine optimale Expression der Gene im Wirt ermöglicht. Vektoren sind dem Fachmann wohl bekannt und können beispielsweise aus "Cloning Vectors" (Pouwels P. H. et al. (34)) entnommen werden.
Unter Vektoren sind außer Plasmiden auch alle anderen dem Fach- mann bekannten Vektoren, wie beispielsweise Phagen, Viren, wie SV40, CMV, Baculovirus und Adenovirus, Transposons, IS-Elemente, Phasmide, Cosmide, und lineare oder zirkuläre DNA zu verstehen. Diese Vektoren können autonom im Wirtsorganismus repliziert oder chromosomal repliziert werden.
Mit Hilfe solcher erfindungsgemäßer Vektoren sind rekombinante Mikroorganismen herstellbar, welche beispielsweise mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Vektor transformiert sind und im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können. Vorteilhafterweise werden die oben beschriebenen erfindungsgemäßen rekombinan- ten Konstrukte in ein geeignetes Wirtssystem eingebracht und ex- primiert. Dabei werden vorzugsweise dem Fachmann bekannte geläufige Klonierungs- und Transfektionsmethoden, wie beispielsweise Co-Präzipitation, Protoplastenfusion, Elektroporation, retrovi- rale Transfektion und dergleichen, verwendet, um die genannten Nukleinsäuren im jeweiligen Expressionssystem zur Expression zu bringen. Geeignete Systeme werden beispielsweise in Current Pro- tocols in Molecular Biology, F. Ausubel et al. (35) beschrieben.
Als Wirtsorganismen sind prinzipiell alle Organismen geeignet, die eine Expression der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren, ihrer Allelvarianten, ihrer funktioneilen Äquivalente oder Derivate ermöglichen und zur Durchführung der erfindungsgemäßen mikrobiologischen Oxidationsreaktion einsetzbar sind. Unter Wirtsorganismen sind beispielsweise Bakterien, Pilze, Hefen, pflanzliche oder tierische Zellen zu verstehen. Bevorzugte Organismen sind Bakte- rien.
Bevorzugt wird jedoch ein solcher XMO exprimierender Mikroorganismus verwendet, der im wesentlichen keine Benzylalkoholdehydro- genase (BADH) und/oder keine Benzaldehyddehydrogenase (BZDH)-Ak- tivität besitzt.
Weiterhin ist bevorzugt, solche AMO exprimierenden Mikroorganismen zu verwenden, die im wesentlichen keine Alkanoldehydrogenase (AODH) und/oder Alkanaldehydrogenase (AADH) -Aktivität besitzen, welche von den Genen alkJ bzw. alkH kodiert werden. Beispielsweise kann als Mikroorganismus ein Bakterium der Gattung Escherichia , wie z. B. E. coli , beispielsweise der Stamm W3110 und einer der K12-Stämme, wie JM101 und DH5α, oder einer der Pseudomonas putida-Stämme, wie der Stamm KT 2440 verwendet werden Die Charak- teristika einiger bevorzugter E. coli Stämme sind in Tabelle I angegeben.
Die Transformation von Mikroorganismen mit einem Vektor erfolgt erfindungsgemäß nach etablierten Standardtechniken (24) und be- darf daher keiner detaillierteren Erörterung. Die Selektion erfolgreich transformierter Organismen kann durch Markergene erfolgen, die ebenfalls im Vektor oder in der Expressionskassette enthalten sind. Beispiele für solche Markergene sind Gene für Antibiotikaresistenz und für Enzyme, die eine farb- gebende Reaktion katalysieren, die ein Anfärben der transformierten Zelle bewirkt. Diese können dann mittels automatischer Zellsortierung selektiert werden. Erfolgreich mit einem Vektor transformierte Mikroorganismen, die ein entsprechendes Antibiotikare- sistenzgen (z.B. G418 oder Hygromycin) tragen, lassen sich durch entsprechende Antibiotika-enthaltende Medien oder Nährböden selektieren. Markerproteine, die an der Zelloberfläche präsentiert werden, können zur Selektion mittels Affinitätschromatographie genutzt werden.
Die Kombination aus den Wirtsorganismen und den zu den Organismen passenden Vektoren, wie Plasmide, Viren oder Phagen, wie beispielsweise Plasmide mit dem RNA-Polymerase/Promoter-System, die Phagen λ oder μ oder andere temperente Phagen oder Transposons und/oder weiteren vorteilhaften regulatorischen Sequenzen bildet ein Expressionssystem.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform verwendet man einen rekσmbinanten Mikroorganismus, welcher mit einem Expressionsvektor transformiert ist, der, z.B. unter der genetischen Kontrolle des alk-Regulationssystems aus Pseudomonas oleovorans GPol, die für XMO kodierenden Gene xylM und xylA, oder die für AMO kodierende Gene alkB, alkG und alkT in operativer Verknüpfung enthält.
Insbesondere bevorzugt ist der Mikroorganismus mit dem xylMA kodierenden Expressionsplasmid pSPZ3 transformiert.
Das alk-Regulationssystem aus Pseudomonas oleovorans GPol ist an sich bekannt. Die Expression des ersten der zwei oben erwähnen alk-Gencluster steht unter der Kontrolle von alkBp, dem alk-Pro- motor, und beginnt in Gegenwart des funktioneilen Regulationsproteins alkS, das von dem zweiten alk-Gencluster kodiert wird, und in Gegenwart eines Induktors, wie z. B. einem Alkan, beispielsweise n-Octan, oder einer mit diesen wenig verwandten Verbindun- gen, wie z. B. Dicyclopropylketon (DCPK) (8, 22, 23). Die Verwendung des alk-Regulationssystems in E. coli hat den Vorteil, dass keine Katabolitrepression eintritt.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt n-Octan und DCPK als Induktoren verwendet, und zwar besonders bevorzugt in einer Menge von 0,001 bis 0,5% (V/V) im Falle von n-Octan und in einer Menge von 0,005 bis 0,05% (V/V) im Falle von DCPK. Es kön- nen natürlich auch Gemische aus n-Octan und DCPK verwendet werden. Wenn in diesen Konzentrationsbereichen gearbeitet wird, ist die Induktion maximal.
Die Erfindung betrifft außerdem ein mikrobiologisches Verfahren zur Oxidation organischer Verbindungen obigen Typs mit Hilfe der eben beschriebenen rekombinanten Mikroorganismen. Der erfindungsgemäß eingesetzte rekombinante Mikroorganismus kann nach bekannten Verfahren kultiviert und fermentiert werden. Bakterien können beispielsweise in TB- oder LB-Medium und bei einer Temperatur von 20 bis 40°C und einem pH-Wert von 6 bis 9 vermehrt werden. Im Einzelnen werden geeignete Kultivierungsbedingungen beispielsweise in T. Maniatis et al., a.a.O, beschrieben.
Bei der erfindungsgemäßen mikrobiologischen Oxidation unter Verwendung oben beschriebener rekombinanter Mikroorganismen erfolgt vorzugsweise zunächst die Kultivierung der Mikroorganismen in Gegenwart von Sauerstoff und in einem Komplexmedium, wie z.B. TB- oder LB- Medium, bei einer Kultivierungstemperatur von etwa 20 bis 40oC oder mehr, und einem pH-Wert von etwa 6 bis 9, bis eine ausreichende Zelldichte erreicht ist. Um die Oxidationsreaktion besser steuern zu können, bevorzugt man die Verwendung eines induzierbaren Promotors. Die Kultivierung wird nach Induktion der Monooxygenaseproduktion in Gegenwart von Sauerstoff, z.B. 1 Stunde bis 3 Tage, fortgesetzt. Das gebildete Oxidationsprodukt oder -produktgemisch kann dann in herkömmlicher Weise, wie z.B. durch Extraktion oder Chromatographie, vom Medium abgetrennt und gereinigt werden.
Die erfindungsgemäßen Umsetzungen können vorteilhaft auch in Bioreaktoren durchgeführt werden, welche den erfindungsgemäßen rekombinanten Mikroorganismus, z.B. in immobilisierter Form, enthalten.
Der Oxidationsgrad der erfindungsgemäß eingesetzten Substrate kann auf einfache Weise gesteuert werden. Beispielsweise werden in regelmäßigen Abständen Proben aus dem Kulturmedium entnommen und gaschromatographisch oder unter Anwendung der Gaschromatogra- phie-Massenspektro eter-Kopplung (GC-MS) oder der Hochleistungs- flüssigkeitschromatographie auf den Gehalt an den entsprechenden Alkohol-, Aldehyd- und/oder Carbonsäure-Derivaten untersucht. Je nachdem, welches oxidierte Derivat erwünscht ist, oder wenn sich ein gewünschtes Mischungsverhältnis eingestellt hat, wird die Inkubation unterbrochen. Dies kann beispielsweise durch Entfernen oder Abtöten der Mikroorganismen aus dem Kulturmedium erfolgen, beispielsweise durch Abzentrifugieren und Dekantieren und/oder durch Behandlung mit Säure, beispielsweise Trichloressigsäure, oder durch Behandlung mit Hitze. Auch durch Zudosieren von unoxi- diertem Substrat (wie z.B. Toluol oder Pseudocumol) kann die Säurebildung inhibiert werden.
Der oxidierte Aromat kann dann mit Hilfe üblicher Trennverfahren aus dem Kulturmedium isoliert werden, beispielsweise durch einfache Destillation, fraktionierte Destillation, Rektifikation, gegebenenfalls im Vakuum, oder durch Anwendung geeigneter chromatographischer Verfahren, bevorzugt durch Destillation. Zweckmäßi- gerweise werden die Mikroorganismus-Zellen vor der Aufreinigung dieser Produkte aus dem Kulturmedium entfernt.
Die Konstruktion des erfindungsgemäß bevorzugten Expressionsvektors pSPZ3, ist beschrieben in (31) Panke, et al., Applied and Environmental Microbiology (1999) 2324-2332, worauf hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen Untersuchungen wurde zur Transformation der Mikroorganismen auch ein Vektor verwendet, der ne- ben den XMO-Genen xylM und xylA zusätzlich auch noch das Benzy- lalkoholdehydrogenase(BADH)-Gen xylB aus Pseudomonas putida mt-2 in exprimierbarer Form enthält. Um das Benzylalkohol-Dehydroge- nase-Gen xylB direkt stromabwärts zum xylA-Gen in das oben beschriebene Plasmid pSPZ3 einzuführen, wurde das 2,3 kb lange Xhol/Fspl-Fragment des Plasmids pCK04 (25), welches das xylB-Gen enthält, zuerst in den mit Xhol und Smal verdauten Vektor pGEM-7Zf(+) (Promega, Zürich, Schweiz) unter Erhalt von pGEMAB eingeführt. Aus diesem Konstrukt wurde das 2,3 kb lange Fragment mit Xhol und BamHI ausgeschnitten und in das mit Xhol und BamHI verdaute Plasmid pSPZ3 ligiert. Das sich ergebende Plasmid wurde pRMAB genannt (Figur 2).
Die Versuche mit pRMAB haben aber gezeigt, dass in Gegenwart von BADH neben XMO Benzylalkohol nicht nur mit geringerer Aktivität zu Benzaldehyd oxidiert wird, sondern sogar Benzylalkohol rückgebildet wird.
Als negative Kontrolle wurde im Rahmen der erfindungsgemäßen Untersuchungen das Plasmid pRS, das keine xyl-Gene enthielt, kon- struiert. pRMAB wurde mit BamHI und Smal verdaut und mit Klenow- Enzy behandelt. Nach der Isolation des größeren Fragments wurde der Vektor religiert.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf konkrete, nicht limitierende Beispiele und die Figuren erläutert. Figur 1 zeigt (A) die stufenweise Oxidation von Toluol zu Benzylalkohol, Benzaldehyd und Benzoesäure durch die Enzyme des oberen TOL-Stoffwechselweges und die Organisation der xyl-Gene des oberen TOL-Operons. BADH und BZDH stehen für Benzylalkohol-Dehydro- genäse bzw. Benzaldehyd-Dehydrogenase. Pu bezeichnet den oberen TOL-Operon-Promoter, xylW ein Gen mit unbekannter Funktion, xylC das BZDH-kodierende Gen, xylM das die terminale Hydroxylase-Kom- ponente von XMO kodierende Gen, xylA das die NADH:Akzeptor-Reduk- tase-Komponente von XMO kodierende Gen, xylB das BADH kodierende Gen und xylN ein Gen mit unbekannter Funktion; (B) die stufenweise Oxidation eines Aryl-substituierten Alkans über das korrespondierende Alkanol und Alkanal zur Alkancarbonsäure, katalysiert durch die Enzyme Alkanhydroxylase (AMO), Alkanoldehydrogenase (AODH) und Alkanaldehydrogenase (AADH) .
Figur 2 zeigt Konstruktionsschemata der Expressionsplasmide pSPZ3 und pRMAB mit den Genen xylMA und xylMAB unter der Kontrolle des alk-Regulationssystems. alkBp bedeutet den Promotor des alk-Ope- rons, alkS ist das Gen für den positiven Regulator AlkS. Die Gene xylM* und xylA kodieren die Xylol-Monooxygenase (das * bedeutet, daß im xylM-Gen eine Ndel-Stelle entfernt worden ist). Das xylB- Gen kodiert BADH. Km bezeichnet das Gen für die Kanamycin-Resi- stenz und T4t ist der Transkriptionsterminator des Phagen T4.
Figur 3 zeigt die Oxidation von Toluol durch E . coli JM101
(pSPZ3) (A) und E. coli JM101 (pRMAB) (B) . Toluol (1.37 mM) wurde zu einer Suspension von ruhenden E. coli JMIOI (pSPZ3/pBRMAB) Zellen (2.07-2.14 g*!"1 CDW) in Kaliumphosphatpuffer (50mM) pH 7.4, 1% (w/v) Glucose gegeben. Kreise: Toluol, Quadrate: Benzylalkohol, Dreiecke: Benzaldehyd, Rauten: Benzoesäure, Kreuze: Summe der vier Konzentrationen.
Figur 4 zeigt die Oxidation von Pseudocumol, dem entsprechenden Alkohol und dem entsprechenden Aldehyd durch E . coli JM101 (pSPZ3) (A,C,E) and E. coli JM101 (pRMAB) (B,D) . Die Substrate (0.46 mM) wurden zu einer Suspension von ruhenden E. coli JM101 (pSPZ3/pBRMAB) Zellen (0.86-0.92 g*!"1 CDW) in
Kaliumphosphatpuffer (50mM) pH 7.4, 1 % (w/v) Glucose gegeben. Die Graphen (A) und (B) zeigen die Oxidation von Pseudocumol, die Graphen (C) und (D) die Oxidation von 3, 4-Dimethylbenzylalkohol und der Graph (E) zeigt die Oxidation von 3, 4-Dimethylbenzaldehyd. Kreise: Pseudocumol, Quadrate: 3, 4-Dimethylbenzylalkohol, Dreiecke: 3, 4-Dimethylbenzalde-hyd, Rauten: 3, 4-Dimethylbenzoesäure, Kreuze: Summe aller Konzentrationen. Figur 5 zeigt die Wachstums- und Induktionskinetiken von XMO in E . coli JM101 (pSPZ3). Graph (A) zeigt die
Xylolmonooxygenaseaktivität und das Zelltrockengewicht (ZTG) zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach Induktion durch n-Oktan während die Graphen (B) und (C) dieselben Werte 3.5 Stunden nach Induktion mit unterschiedlichen Mengen an n-Oktan respektive an Dicyclopropylketon (DCPK) zeigen. Jede Aktivitätsbestimmung stammt aus einer unabhängigen Kultur. Pseudocumol (1.37 mM) wurde zu einer Suspension von ruhenden E. coli JM101 (pSPZ3) Zellen (2.04-2.44 g*!-1 CDW) in Kaliumphosphatpuffer (50mM) pH 7.4, 1 % (w/v) Glucose gegeben. Die spezifischen Aktivitäten basieren auf der Produktbildung während den ersten 5 Minuten der Reaktion. Der Pfeil in Graph (A) zeigt an, wann 0. 1 % (v/v) n-Oktan zugegeben wurde, um die XylMA Synthese zu induzieren. Ausgefüllte Kreise: ZTG von nicht induzierten Kulturen, offene Kreise: ZTG induzierter Kulturen, Kreuze: spezifische Aktivitäten induzierter Kulturen.
Figur 6 zeigt eine mögliche mechanistische Erklärung für die XMO- katalytische Bildung von Benzaldehyd aus Benzylalkohol.
Allgemeine Methoden und verwendete Materialien
a) Bakterien und Plasmide: TABELLE I
Bakterienstämme und Plasmide
Figure imgf000015_0001
A* : das Plasmid enthält led glich einen Teil des xylA-Gens
b) Chemikalien und Enzyme
Sämtliche verwendeten Chemikalien und Enzyme sind im Handel erhältlich, beispielsweise von Boehringer Mannheim (Rotkreuz, Schweiz), NEB (Schwalbach, Deutschland), Gibco (Basel, Schweiz), AGS (Heidelberg, Deutschland), Promega (Zürich, Schweiz), Fluka (Buchs, Schweiz), Aldrich (Buchs, Schweiz) und Lancaster (Mühlheim, Deutschland) . Zur Präparation von Plasmid-DNA in kleinem Maßstab wurde der QIAprep-Spin-Mini- prep-Kit von Quiagen (Basel, Schweiz) nach den Angaben des Herstellers angewendet.
c) Gentechnische Methoden
Zur Konstruktion der verwendeten Vektoren/Plasmide und zur Transfektion bzw. Transformation der Bakterien wurden Standardverfahren der Gentechnik angewendet, die beispielsweise in dem Buch von Sa brook, Fritsch und Maniatis (24) ausführlich beschrieben sind. Des weiteren wird auf die Abschnitte Material und Methoden in den im Literaturverzeichnis aufgeführten Originalarbeiten verwiesen. Eine weitergehende Erörterung ist daher entbehrlich.
d) Aufzucht der Bakterien
Die Bakterien wurden entweder in Luria-Bertani(LB)-Brühe (Difco, Detroit, Mich.) oder in M9-Minimalmedium (24), das die dreifache Konzentration an Phosphatsalzen (M9*) und 0,5% (G/V) Glucose als einzige Kohlenstoffquelle enthielt, angezo- gen. Die Kulturen wurden gegebenenfalls mit Kanamycin (Endkonzentration: 50 mg/Liter), Ampicillin (100 mg/Liter), Chloramphenicol (30 mg/Liter), Thiamin (10_3%, G/V), 1 mM In- dol und 0,5 mM IPTG ( Isopropyl-ß-D-1-thiogalactopyranosid) ergänzt. Feste Medien enthielten 1,5% (G/V) Agar. Flüssige Kulturen wurden routinemäßig bei 30 oder 37°C auf Horizontalschüttlern mit 200 UpM angezogen.
e) Bestimmung der Enzymaktivität
Die Bestimmung der Enzymaktivitäten erfolgte der Einfachheit halber unter Verwendung von ganzen Zellen.
Eine Einheit (U) ist als die Aktivität definiert, die 1 μmol Gesamtprodukte in 1 Minute ergibt. Die spezifische Aktivität wird hier als Aktivität pro g Zelltrockengewicht (CDW) (U g_1 CDW) ausgedrückt (im folgenden auch einfach als Aktivität bezeichnet) . Berechnung als Durchschnittsaktivität, bezogen auf die Menge an Produken pro g CDW, die in den ersten 5 min der Umsetzung gebildet werden. Die Versuche wurden mindestens dreimal unabhängig voneinander wiederholt. Der Assay wurde folgendermaßen durchgeführt. Mit den entsprechenden Vektoren rekombinierte E. coli JM101 wurden in 40 oder 100 ml Medium in Gegenwart von Kanamycin inkubiert. Wenn die optische Dichte bei 450 nm ca. 0,3 betrug, wurden die Zellen durch Zugabe von 0,05% (V/V) DCPK- oder 0,1% (V/V) n-Octan induziert und 3 bis 3,5 Stunden weiter inkubiert, bis die OD450 typischerweise auf 0,8-0,9 angestiegen war. Dann wurden die Zellen geerntet und bis zu einem Zelltrockengewicht von 2,5 g/1 in 50 mM Kaliumphosphat-Puffer, pH 7,4, der 1% (G/V) Glucose enthielt, resuspendiert. Aliquots zu 1 oder 2 ml wurden in mit Stopfen verschlossene Pyrex-Röhrchen gegeben und horizontal auf einem Rotationsschüttler bei 30°C und 250 UpM inkubiert. Nach 5 Minuten wurde das jeweilige Substrat auf eine Endkonzentration von 1,5 mM in Form einer 20-fach konzentrierten Stammlösung in Ethanol hinzugegeben. Bei den Versuchen, in denen die Bildung von 3, 4-Dimethylben- zoesäure bestimmt wurde, wurde das Zelltrockengewicht auf 1 g/1 verringert und die jeweiligen Substrate bis zu einer Endkonzentration von 0,5 mM hinzugegeben, weil diese Verbindung in Wasser eine geringe Löslichkeit hat. Die Umsetzung wurde auf dem Schüttler 5 Minuten durchgeführt und dann beendet, indem die Proben in Eis gestellt und sofort mit 40 oder 80 μl Perchlorsäure-Stammlösung (10% V/V) versetzt wurden, so dass der pH-Wert der Suspension 2 betrug.
Bestimmung der Produktbildung als Funktion der Zeit
Zur Untersuchung der Produktbildung als Funktion der Zeit wurden die Zellen wie oben beschrieben gezüchtet, induziert, gesammelt, resuspendiert und unterschiedlich lange, nämlich
5, 10, 20, 30, 40 und 80 Minuten, mit dem jeweiligen Substrat inkubiert. Dann wurden die Umsetzungen wie oben beschrieben abgebrochen, die Zellen durch Zentrifugation (7 800 g, 8 min) entfernt und die Überstände analysiert.
Zur Auftrennung von Benzylalkohol, Benzylaldehyd und Benzoesäure wurde die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) angewendet. Als Säule diente Nucleosil C18 (Porengröße 100 Ä, Teilchengröße 5 μm, Länge 25 cm, Innendurchmesser 4 mm) (Macherey-Nagel, Oensingen, Schweiz) und als mobile Phase 69,9% H2O-30% Acetonitril-0,1% H3P04 bei einer Fließgeschwindigkeit von 0,7 ml/min. Zur Auftrennung von 3, 4-Dimethylben- zylalkohol, 3,4-Dimethylbenzaldehyd und 3,4-Dimethylbenzoe- säure wurde die gleiche Säule, aber als mobile Phase 64,9% H20-35% Acetonitril-0, 1% H3P0 mit der gleichen Fließgeschwindigkeit verwendet. Zur Detektion wurde die UV-Absorption bei 210 nm bestimmt. Die aufgetrennten Verbindungen wurden durch Vergleich ihrer Retentionszeiten mit denen von im Handel erhältlichen Standards identifiziert.
Im Falle von Toluol/Pseudocumol und der entsprechenden Alko- hole, Aldehyde und Säuren erfolgte die Auftrennung durch
Gaschromatographie. Der Gaschromatograph (Fisons Instruments, England) war mit einer Quarzkapillarsäule des Typs OPTIMA-5 (Länge 25 m, Innendurchmesser 0,32 mm, Filmdicke 0,25 μm) von Macherey-Nagel (Oensingen, Schweiz) ausgerüstet. Als Träger- gas wurde Wasserstoff verwendet, und die Injektion erfolgte splitlos . Dabei wurde das folgende Temperaturprofil angewendet: von 40°C auf 70°C mit 15°C/min, von 70°C auf 105°C mit 5°C/min und von 105°C auf 240°C mit 20°C/min. Die Detektion der Verbindungen erfolgte mit einem Flammenionisationsdetek- tor. Die aufgetrennten Verbindungen wurden durch Vergleich ihrer Retentionszeiten mit denen von im Handel erhältlichen Standards identifiziert. Alternativ kann die Detektion auch mit einem Massenspektrometer erfolgen (GC-MS-Kopplung) . Letzteres hat den Vorteil, dass neben der spezifischen chromato- graphischen Retentionszeit auch noch das Fragmentierungsmuster und die Intensitätenverteilung der einzelnen Peaks zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der Reaktionsprodukte herangezogen werden können.
Die GC-MS-Kopplung bestand aus einem Massenspektrometer von Fisons Typ MD-800 und einem Gaschromatographen (Fisons Instruments, England), der mit einer CP-Sil-5CB-Säule (Chrompack, Niederlande) ausgerüstet war. Als Trägergas wurde Helium verwendet. Die Injektion erfolgte mit Split (20:1). Das Temperaturprogramm war das gleiche wie bei der oben beschriebenen gaschromatographischen Auftrennung.
Sowohl bei der Gaschromatographie als auch bei GC-MS-Kopplung wurden den Proben ein gleiches Volumen eiskalter Ether, der als internen Standard 0,1 mM Dodecan enthielt, zugesetzt. Anschließend wurde Natriumchlorid bis zur Sättigung hinzugegeben und die Wasserphase bei 30°C durch 5-minütiges kräftiges Schütteln extrahiert, worauf die Phasen durch Zentrifugation getrennt wurden. Die organische Phase wurde über wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet und dann analysiert.
Beispiel 1 : Oxidation von Toluol und Derivaten davon mit Xylolmonooxygenase
In den folgenden Versuchen wurden die Zellen jeweils bis zu einer Zelldichte von 0,09 g CDW/1 angezogen und routinemäßig mit 0,1% (V/V) n-Octan induziert. Dann wurden die Kulturen weitere 3 bis 3,5 Stunden inkubiert und bis auf eine Zelldichte von 0,23 bis 0,27 g CDW/1 angezogen.
Tabelle II zeigt, dass XMO Toluol zu Benzylalkohol, Benzylalkohol zu Benzaldehyd und Benzyldehyd zu Benzoesäure oxidiert. Für die ersten zwei Oxidationsreaktionen wurden Aktivitäten bis zu 95-100 U/g CDW festgestellt, wohingegen die Oxidation von Benzaldehyd mit einer niedrigen Aktivität erfolgte, nämlich nur 10 U/g CDW.
Im Fall von Pseudocumol waren die Ergebnisse ähnlich. Pseudocumol wurde zu 3, 4-Dimethylbenzylalkohol, 3,4-Dimethylbenzylalkohol zu 3, 4-Dimethylbenzaldehyd und 3, 4-Dimethylbenzaldehyd zu 3,4-Dime- thylbenzoesäure oxidiert. Für die Oxidation von Pseudocumol wurde eine Aktivität von 100 U/g CDW festgestellt, wohingegen 3,4-Dime- thylbenzaldehyd langsamer mit einer Aktivität von 50 U/g CDW gebildet und mit einer deutlich höheren Aktivität (55 U/g CDW) als Benzaldehyd zu 3, 4-Dimethylbenzoesäure oxidiert wurde.
Wenn die Säuren als Substrate zugegeben wurden, konnten keine Re- aktionsprodukte und auch keine Abnahme der Säuren nachgewiesen werden.
Als Kontrollen dienten uninduzierte E. coli JM101, die das Plasmid pSPZ3 enthielten, und induzierte E. coli JM101, die kein Plasmid enthielten. Um jegliche Einflüsse des alk-Regulationssystems auf E. coli auszuschließen, wurden als zusätzliche Kontrollen E. coli JM101, die das Plasmid pRS enthielten, verwendet. Das Plasmid pRS enthält immer noch das alkS-Gen, aber nicht die xyl- Gene. Tabelle II zeigt, dass bei der Verwendung von Toluol, Pseu- documol und der entsprechenden Alkohole als Substrate keine Umwandlungsprodukte in den Kontrollversuchen nachweisbar waren.
Die folgende Tabelle III zeigt, dass trotzdem in diesem Versuch als Substrate zugegebene Aldehyde mit konstanter Aktivität zu den Alkoholen reduziert wurden. Auch die Bildung von 3, 4-Dimethylben- zoesäure konnte festgestellt werden, aber mit einer sehr geringen Aktivität von 2 bis 2,5 U/g CDW. Dies erlaubt den Schluß, dass der Hauptteil der von induzierten E. coli JM101 (pSPZ3) (diese Abkürzung bedeutet hier, dass die Mikroorganismen das angegebene Plasmid enthalten) gebildeten Säure auf das Vorhandensein von XMO zurückzuführen ist.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass in Bezug auf die gebildeten Produkte und die Aktivitäten bzw. Bildungsgeschwindig- keiten zwischen dem routinemäßig verwendeten Induktor 0,1% (V/V) n-Octan und dem alternativ verwendeten Induktor 0,05% (V/V) DCPK keine signifikanten Unterschiede festgestellt wurden.
TABELLE II
Oxidation von Toluol und Derivaten durch XMO
Figure imgf000020_0001
Der Assay zur Best mmung der Aktivität wurde wie oben beschrieben durchgeführt. Die Einheit (U) ist wie oben definiert, und die spezifische Aktivität wurde wie oben beschrieben berechnet.
Die Zellen wurden durch Zugabe von 0,1% (V/V) n-Octan induziert, s.b., siehe unten (Tabelle III)
TABELLE III
Umwandlung von Aldehyden in den Kontrollversuchen
Figure imgf000020_0002
a, b vgl. Tabel e II
Die in diesen Kontrollversuchen unter Verwendung von uninduzier- ten E. coli JM101 (pSPZ3) und induzierten E. coli JM101 (pRS) festgestellte Reduktion der Aldehyde zu den Alkoholen kann durch die Einwirkung von E.-coli-Alkohol-Dehydrogenasen erklärt werden, die eine Reaktion katalysieren, deren Gleichgewicht aus thermody- na ischen Gründen auf der Seite der Alkohole liegt. Die Rückbil- düng von Benzylalkohol am Ende der Biotransformation von Toluol durch E. coli JM101 (pSPZ3) (vgl. Fig. 5A) kann ebenfalls den E.- coli-Dehydrogenasen zugeordnet werden, deren Aktivität signifikant wird, weil die XMO-Aktivität mit der Zeit abnimmt.
Beispiel 2 : Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Oxidation verschiedener Substrate
Der zeitliche Verlauf der Oxidation von Toluol, Pseudocumol, 3,4-Dimethylbenzylalkohol und 3, 4-Dimethylbenzaldehyd ist in den Figuren 3 und4 dargstellt. Die Assays wurden wie oben beschrieben durchgeführt. Das jeweilige Substrat wurde jeweils zu einer Suspension der jeweiligen ruhenden Zellen in 50 mM Kaliumphosphat- Puffer, pH 7,4, der 1% (G/V) Glucose enthielt, gegeben.
Wenn Toluol oder Pseudocumol als Substrate zugegeben wurden, wurde eine aufeinanderfolgende Bildung der entsprechenden Alkohole, Aldehyde und Säuren festgestellt (Figuren 3A und 4A) . Wie auch in den Aktivitätsassays festgestellt, waren die Aktivitäten, mit denen Benzylalkohol, 3,4-Dimethylbenzylalkohol und Benzaldehyd gebildet wurden, hoch. Die Aktivitäten, mit denen 3,4-Dime- thylbenzaldehyd und 3, 4-Dimethylbenzoesäure gebildet wurden, waren mittelhoch, und Benzoesäure bildete sich mit geringer Aktivität. In den ersten 5 Minuten wurden aus den beiden Substraten Pseudocumol und Toluol mit einer spezifischen Aktivität von 100 U/g CDW (vgl. auch Tabelle II) die Produkte gebildet. Im Bereich zwischen der 5. und 10. Minuten wurde Benzaldehyd mit einer Aktivität von 80 U/g CDW gebildet, während 3, 4-Dimethylbenzaldehyd langsamer gebildet wurde (37 U/g CDW). Die Säurebildung begann nach dem vollständigen Verbrauch von Toluol oder Pseudocumol, und zwar mit einer Aktivität von 3,2 U/g bzw. 21 U/g CDW im Falle von Benzoesäure bzw. 3,4-Dimethylbenzoesäure im Bereich zwischen 10 und 30 Minuten. Es blieb stets eine geringe Konzentration an Benzylalkohol übrig. Zwischen 40 und 80 Minuten nahm die Konzentra- tion an Benzylalkohol wieder zu, während die Konzentration an
Benzaldehyd abnahm (Figur 3A) . Pseudocumol, 3,4-Dimethylbenzylal- kohol und 3, 4-Dimethylbenzaldehyd wurden vollständig unter Bildung von 3,4-Dimethylbenzoesäure verbraucht (Figur 4A) .
Wenn 3,4-Dimethylbenzylalkohol als Substrat zugegeben wurde, betrug die Aktivität, mit der 3,4-Dimethylbenzaldehyd gebildet wurde, 50 U/g CDW (Tabelle II), wohingegen die Aktivität, mit der 3, 4-Dimethylbenzoesäure gebildet wurde, 23 U/g CDW betrug, und zwar im Zeitraum zwischen 10 und 30 Minuten (Figur 4C). Wenn Ben- zylalkohol als Substrat verwendet wurde, betrug die Aktivität, mit der Benzaldehyd gebildet wurde, 95 U/g CDW und die Aktivität, mit der Benzoesäure gebildet wurde, konstant 2,9 U/g CDW (Ergeb- nisse nicht gezeigt). In dem untersuchten Zeitraum wurde 3,4-Di- methylbenzylalkohol im Gegensatz zu Benzylalkohol vollständig in die Säure umgewandelt.
Wenn 3, 4-Dimethylbenzaldehyd als Substrat zugegeben wurde (Figur 4E) wurde 3, 4-Dimethylbenzoesäure mit einer Aktivität von 55 U/g CDW gebildet und war nach 20 Minuten bereits die vorherrschende Spezies. Wenn Benzaldehyd als Substrat verwendet wurde, wurde die langsame und konstante Bildung von Benzoesäure (3 U/g CDW) fest- gestellt (Ergebnisse nicht gezeigt) . Hier betrug die Anfangsaktivität in den ersten 5 Minuten 10 U/g CDW (Tabelle II).
Beispiel 3: Umwandlung von Toluol und Pseudocumol durch E. coli JMIOI (pRMAB) .
Diese Versuche sollten zur Klärung der Frage dienen, ob durch gleichzeitiges Vorhandensein von BADH und XMO die Aktivität, mit der Aldehyd aus Toluol und Pseudocumol gebildet wird, zunimmt oder abnimmt. Da einige Alkohol-Dehydrogenasen eine Reaktion katalysieren, deren Gleichgewicht beim physiologischen pH-Wert auf der Seite des Alkohols liegt, könnte letztere Möglichkeit durchaus bestehen und folglich BADH die Aldehyd-Bildungsrate erniedrigen.
Tatsächlich konnten im Vergleich mit E. coli JM101 (pSPZ3) deutliche Unterschiede in der Biotransformationsaktivität festgestellt werden. Toluol wurde mit einer anfänglichen spezifischen Aktivität von 87 U/g CDW in seine entsprechenden Oxidationspro- dukte umgewandelt. Die entsprechenden Aktivitäten für Benzylalkohol, Pseudocumol und 3, 4-Dimethylbenzylalkohol betrugen 66, 73 und 42 U/g CDW. Wenn BADH vorhanden ist, bewirkt dies also anscheinend eine Erniedrigung der Biotransformationsaktivität von rekombinanten E. coli MJ101 als Biokatalysatoren.
Wenn Toluol zugegeben wurde, bildeten sich nacheinander Benzylalkohol, Benzaldehyd und Benzoesäure (Figur 3B) . im Zeitraum zwischen der 5. und 10. Minute wurde Benzaldehyd mit einer Aktivität von 34 U/g CDW gebildet, und die Säure wurde mit einer Aktivität von 1 U/g CDW im Zeitraum zwischen 10 und 40 Minuten gebildet. Nach etwa 20 Minuten begann die Konzentration an Benzylalkohol wieder anzusteigen (vermutlich wegen des Einsetzens der Rückreaktion) . Nach 80 Minuten war nahezu kein Benzaldehyd mehr übrig und es wurde nur eine sehr geringe Menge an Benzoesäure gebildet. Wenn Benzylalkohol als Substrat zugegeben wurde, ergaben sich sehr ähnliche Ergebnisse (nicht gezeigt). Wieder sank nach etwa 20 Minuten während der Bildung des Alkohols die Konzentration des Aldehyds . Somit verursacht die Einführung des Gens xylB eine be- trächtliche Reduktion des Aldehyds zu Alkohol, was darauf hindeutet, dass die Bildung von Aldehyd durch zusätzliches BADH nicht gesteigert wird.
Wenn Pseudocumol als Substrat zugegeben wurde, wurde wieder eine nacheinander erfolgende Bildung von 3, 4-Dimethylbenzylalkohol, 3, 4-Dimethylbenzaldehyd und 3,4-Dimethylbenzoesäure festgestellt (Figur 4B). Im Zeitraum zwischen der 5. und 10. Minute wurde 3,4-Dimethylbenzaldehyd mit einer Aktivität von 15 U/g CDW gebildet. Die Säure bildete sich im Zeitraum zwischen 30 und 40 Minu- ten mit etwa der gleichen Aktivität (13 U/g CDW). Nach der raschen Bildung des Alkohols blieb die Aldehyd-Konzentration 20 Minuten lang relativ hoch. Trotzdem wurden am Ende der Reaktion der Alkohol und der Aldehyd vollständig in die Säure umgewandelt.
Wenn 3 , 4-Dimethylbenzylalkohol als Substrat zugegeben wurde, wurden 3, 4-Dimethylbenzaldehyd und 3,4-Dimethylbenzoesäure gebildet (Figur 5B) . Im Zeitraum zwischen 20 und 30 Minuten wurde die Säure mit einer spezifischen Aktivität von 8 U/g CDW gebildet. Die Aldehyd-Konzentration überstieg nie die Alkohol-Konzentra- tion. Das längere Vorhandensein von 3,4-Dimethylbenzylalkohol zeigt, dass neben den Oxidationen wieder eine Reduktion von Aldehyd zu Alkohol stattfindet, für die BADH verantwortlich zu sein scheint.
Beispiel 4: Wachstums-und Induktionskinetiken von E. coli JM101 (pSPZ3) .
Für jeden Aktivitätspunkt wurde eine einzelne Kultur angezüchtet. Der Aktivitätsassay wurde wie oben beschrieben durchgeführt. Im Fall von Figur 5A wurde Pseudocumol (1,37 mM) zu einer Suspension ruhender E. coli JM101 (pSPZ3) (2,04-2,26 g l-1 CDW) in 50 M Kaliumphosphat-Puffer, pH 7,4, der 1% (G/V) Glucose enthielt, gegeben. Die spezifischen Aktivitäten wurden mit Hilfe der gaschroma- tographisch bestimmten Mengen der in den ersten 5 Minuten der Um- Setzung gebildeten Produkte berechnet. Der Pfeil zeigt an, zu welchem Zeitpunkt 0,1% (V/V) n-Octan zur Induktion der xylMA-Syn- these zugegeben wurde. Die ausgefüllten Kreise bedeuten das Zelltrockengewicht (CDW) der uninduzierten Kulturen, die nicht ausgefüllten Kreise das Zelltrockengewicht der induzierten Kulturen und die Kreuze die spezifischen Aktivitäten der induzierten Kulturen. Fig. 5(B) und (C) wurden wie Fig. 5(A) erhalten, mit dem Unterschied, daß die Zelldichte 2,26-2,44 g l"1 CDW betrug. Fig. 5(B) zeigt die Auswirkungen unterschiedlicher Mengen an n-Octan und Fif. 5(C) die von DCPK. Die Kreise geben das Zelltrockengewicht 3,5 Stunden nach der Induktion an und die Kreuze die spezifischen Aktivitäten der induzierten Kulturen.
Die XMO-Aktivität wurde nach der Induktion mit 0,1% (V/V) n-Octan (Fig. 5(A)) oder 0,05% (V/V) DCPK verfolgt. Die XMO-Aktivität wurde durch beide Verbindungen rasch induziert und erreichte nach 3 bis 3,5 Stunden Induktionszeit eine konstante Stärke von etwa 115 bzw. 105 U/g CDW im Falle von n-Octan bzw. DCPK. Im Vergleich mit nicht induzierten Zellen waren die Wachstumsraten der induzierten Zellen deutlich geringer.
Die Abhängigkeit der XMO-Aktivität von den Induktorkonzentrationen [im Bereich 0,00001- 1 % (V/V)] wurde bestimmt, indem E. coli JM101 (pSPZ3) bis zu einer Konzentration von 0,09 g CDW pro Liter angezogen und die Zellen mit unterschiedlichen Mengen an n-Octan und DCPK induziert wurden. Nach weiteren 3,5 Stunden Anzüchten wurden für jede Induktorkonzentration das Zelltrockengewicht und die XMO-Aktivität bestimmt (Fig. 5 (B) und (C)). Es ergaben sich sehr niedrige XMO-Aktivitäten, wenn weniger als 0,0001% (V/V) n-Octan oder 0,001% (V/V) DCPK in das Kulturmedium gegeben wurde. Maximale Induktion wurde bei DCPK-Konzentrationen von 0,005 bis 0,01% (V/V) und bei n-Octan-Konzentrationen zwischen 0,001 und 0,004% (V/V) festgestellt. Bei höheren Induktorkonzentrationen blieb die XMO-Aktivität konstant. Aufgrund des hohen Dampfdruckes von n-Octan wurden verschlossene Schüttelflaschen verwendet, wo- bei aber selbst dann nur ein Teil des n-Octans in dem wäßrigen Medium gelöst wird. Die Löslichkeit von n-Octan in destilliertem Wasser ist sehr niedrig und beträgt 0,7 mg/1 oder 0,0001% (V/V).
In den Induktorkonzentrationsbereichen, in denen die Enzymaktivi- täten auf ihr Maximum anstiegen, nahmen die Zelldichten ab. Bei höheren Konzentrationen an n-Octan blieb die Enzymaktivität konstant. Höhere Konzentrationen an DCPK dagegen bewirkten eine weitere Abnahme der Zelldichten (Fig. 5 (B) und (C) ) . Außerdem wurde der direkte Einfluß von unterschiedlichen Induktorkonzentrationen auf das Wachstum von E. coli JM101 ohne Plasmid überprüft. Hohe Konzentrationen an n-Octan hatten keinen Einfluß auf das Zellwachstum. Im Gegensatz dazu hatten Konzentrationen an DCPK oberhalb 0,01% (V/V) eine Erniedrigung der Wachstumsrate zur Folge. Bei einer DCPK-Konzentration von 0,5% (V/V) wurde 3,5 Stunden nach der Induktion lediglich ein Zelltrockengewicht von 0,073 g/1 bestimmt. Hohe DCPK-Konzentrationen üben offenbar eine toxische Wirkung auf die Zellen aus. Somit ist n-Octan der bessere Induktor.
Zusammengefaßt läßt sich folgendes feststellen. Bei der stufen- weisen Oxidation von Toluol und Pseudocumol gibt es zwei signifikante Unterschiede. 3,4-Dimethylbenzylalkohol wird langsamer oxidiert als Benzylalkohol und 3, 4-Dimethylbenzoesäure mit einer deutlich höheren Aktivität gebildet als Benzoesäure. Dies deutet darauf hin, dass die Variation von Substituenten auf die spezifi- sehen Aktivitäten von XMO für oxidierte Substrate (Alkohole, Aldehyde) andere Auswirkungen zeigt als auf die spezifische Aktivität für unoxidierte Substrate, wie Toluol und Pseudocumol, für welche XMO sehr ähnliche Aktivitäten aufweist. Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist, dass die Säuren solange nicht gebildet wer- den, bis das Toluol oder Pseudocumol mehr oder weniger vollständig verbraucht sind. Falls dies generell so sein sollte, hat XMO eindeutig eine höhere Affinität für Toluol und Pseudocumol als für die entsprechenden Aldehyde. Das Vorhandensein von BADH hat geringere Aktivitäten für die Produktbildung zur Folge und sogar die Rückbildung von Benzylalkohol. Die BADH enthaltenden Zellen akkumulieren die Aldehyde eindeutig langsamer. BADH scheint die Wirkung der E.-coli-Dehydrogenasen drastisch zu steigern, wobei das Gleichgewicht dieser Dehydrogenase-Reaktion auf der Seite des Alkohols zu liegen scheint. Dies wird durch thermodynamische Be- rechnungen nach im Stand der Technik bekannten Verfahren (26 bis 29) und durch enzymkinetische Untersuchungen (16-18) bestätigt.
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40
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung aromatischer Aldehyde und/oder Car- bonsäuren der allgemeinen Formel I
Ar-(CH2)n-Ri (I)
worin
Ar für einen gegebenenfalls ein- oder mehrfach substituierten einkernigen aromatischen Ring steht;
R1 für eine Sauerstoff-haltige Gruppe -CHO oder -COOH steht; und
n für eine ganzzahligen Wert von 0 bis 15 steht,
dadurch gekennzeichnet, daß man
a) in einem Kulturmedium, welches ein aromatisches Substrat der Formel II
Ar-R2 (II)
worin
Ar die oben angegebenen Bedeutungen besitzt, und R2 für -CH=CH2 oder -(CH2)n+ιR3 steht, worin n wie oben angegeben definiert ist und R3 für H oder OH steht; oder, wenn R1 für -COOH steht, R2 auch für
-(CH2)nR4 stehen kann, worin n wie oben angegeben definiert ist und R4 für -CHO steht;
enthält, einen Mikroorganismus kultiviert, der ein Enzym ausgewählt unter Xylolmonoxygenase (XMO) und Alkanmonoo- xygenase (AMO) exprimiert; und
b) die Verbindung(en) der Formel I aus dem Kulturmedium iso- liert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der XMO exprimierende Mikroorganismus im wesentlichen keine Ben- zylalkoholdehydrogenase (BADH) und/oder keine Benzaldehydde- hydrogenase (BZDH) -Aktivität besitzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der AMO exprimierende Mikroorganismus im wesentlichen keine Alka- noldehydrogenase und/oder Alkanaldehydrogenase (AADH) -Aktivi- tat besitzt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man einen rekombinanten Mikroorganismus verwendet, welcher mit einem Expressionsvektor transformiert ist, der unter der genetischen Kontrolle des regulativen alk- Systems aus Pseudomonas oleovorans GPol die für XMO kodierenden Gene xylM und xylA, oder die für AMO kodierende Gene alkB, alkG und alkT in operativer Verknüpfung enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroorganismus mit dem Expressionsplasmid pSPZ3 transformiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroorganismus ein Bakterium der Gattung Escherichia ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß man die Enzymexpression durch Zugabe eines Induktors zum Kulturmedium startet.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Verbindung der Formel II, worin
R2 für -CH=CH2, -CH3 oder -CH2OH steht, mit einem Mikroorga- nismus umsetzt, welcher XMO-Aktivität exprimiert.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Verbindung der Formel II, worin R2 für -(CH2)m-R3 steht, worin R3 wie oben definiert ist und m für einen ganzahligen Wert von 6 bis 13 steht, mit einem Mikroor- ganismus umsetzt, welcher AMO-Aktivität exprimiert.
10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man 5 Xylolmonoxygenase aus Pseudomonas putida mt-2 exprimiert.
11. Rekombinanter Mikroorganismus, enthaltend einen Expressionsvektor, der unter der genetischen Kontrolle des alk-Regulati- 10 onssystems aus Pseudomonas oleovorans GPol die für XMO kodierenden Gene xylM und xylA, oder die für AMO kodierende Gene alkB, alkG und alkT in operativer Verknüpfung enthält.
15 12. Mikroorgansimus nach Anspruch 11, ausgewählt unter Bakterien der Gattung Escherichia und Pseudomonas .
13. Mikroorganismus nach Anspruch 11 oder 12, transformiert mit 20 dem Plasmid pSPZ3.
14. Expressionskonstrukt, das unter der genetischen Kontrolle des regulativen alk-Systems aus Pseudomonas oleovorans GPol die
25 für XMO kodierenden Gene xylM und xylA, oder die für AMO kodierende Gene alkB, alkG und alkT in operativer Verknüpfung enthält.
30 15. Verwendung eines Mikroorganismus nach Anspruch 11 bis 13 oder eines Expressionskonstruktes nach Anspruch 14 zur mikrobiologischen Herstellung aromatischer Verbindungen der allgemeinen Formel I .
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