Seminar Biotechnologie Application of microorganisms towards synthesis of chiral terpene derivatives Renata Kuriata-Adamusiak & Daniel Strub & Stanisław Lochyński Appl. Microbiol Biotechnol (2012) Betreuer: Benjamen Stenger Ammar Abdulmughni

Inhalt Terpene: Struktur, Eigenschaften, Anwendungen und Biosynthese Chemie vs. Biotechnolgoie: Taxol als Beispiel Biotransformationen der Terpene in Mirkoorganismen: - Hydroxylierung - Epoxidierung - Baeyer-Villiger-Oxidation - Reduktion von Ketonen

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

Anwendungen der Terpene Phytoalexine Phytohormone Photosynthese, Zellwandsynthese Pharmazeutika: Entzündungshemmer, Vitamine Tumortherapie: Zerumbone, Taxol Reinigungsmittel : Pinene, Limonene Geschmakstoffe: Menthol Duftstoffe: Geraniol

Terpenbiosynthese Methylerythritol Phosphate (MEP) Mevalonatweg In Plastiden der Pflanzen , Verschiedene Bakterien und Algen In Eukaryoten und manchen Bakterien IPP DMAPP Isopentenylpyrophosphat Dimethylallylpyrophosphat IPP DMAPP

Terpenbiosynthese

Taxane Vorkommen in der pazifischen Eibe (Taxus brevifolia) Taxol (Paclitaxel) in Tumortherapie 2 bis 4 ausgewachsene Eiben sind nötig für eine Dosierung.

Taxol in der chemischen Synthese Probleme: Über 350 Taxoide sind bekannt Sehr Komplexe Struktur: 35 bis 51 Schritte nötig Ausbeute von 0,4 % Nebenreaktionen

Taxol Biosynthese

Biotechnologische Produktion von Taxol In E. colie mit einer Ausbeute von 1 g/L MEP Terpenoidweg

Selektive Biotransformation in Mikroorganismen Hydroxylierung Epoxidierung Baeyer-Villiger Oxidation Reduktion von Ketonen

1. (Stereoselektive) Hydroxylierung Oxygenasen sind Biokatalysatoren für die Hydroxylierung Molekular Sauerstoff als Oxidationsmittel Cytochromes P450 Rhizoctonia solani ist ein weit verbreiteter Bodenpilz Snow blight Krankheit (-) Menthol

2. Epoxidierung Oxidation der C-C Doppelbindung Biokatalysatoren sind Oxygenase und Peroxidasen

2. Epoxidierung (R)-Limonene Biotransformation Parfümindustrie Entzündungshemmend α- terpineol γ- terpinene Insektenabstoßend (R)- limonene cis-limonen oxide trans-limonen oxide

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

3. Baeyer-Villiger-Oxidation Dihydrocarveol Biotransformation:  Regio- und enantioselektivität

4. Reduktion von Ketonen Alkoholdehydrogenasen (ADH) Biotransformation von Carvon in Gongronella butleri (R)- carvon Lebensmittelindustrie (S)- carvon Kosmetikindustrie

Zusammenfassung Terpene sind Naturstoffe mit vielen Anwendungen Mevalonatweg oder Methylerythritol-Phosphate-Weg (MEP) liefern die Bausteine für Terpenbiosynthese Durch Metabolic Engineering können gewünschte Biosynthesewege rekonstruiert Verschiedene Enzyme können Terpene selektiv umsetzten

Literatur Application of microorganisms towards synthesis of chiral terpenoid derivatives Renata; Kuriata-Adamusiak & Daniel Strub & Stanisław Lochyński Historical and Recent Achievements in the Field of Microbial Degradation of Natural and Synthetic Rubber Taxol: biosynthesis, molecular genetics, and biotechnological applications; S. Jennewein · R. Croteau, Terpenbiosynthese in Bakterien und Pflanzen; Werner Knoss , Phawnazte in unserer Zeit / 28. Jahrg. 1999 Escherichia coli Isoprenoid Pathway Optimization for Taxol Precursor Overproduction; Parayil Kumaran Ajikumar et al.; Science 330, 70 (2010); Metabolic engineering of taxadiene biosynthesis in yeast as a first step towards Taxol (Paclitaxel) production; Benedikt Engels a,1, Pia Dahmb,1, Stefan Jennewein; Metabolic Engineering 10 (2008) 201– 206

Vielen Dank