Dokument: Novel aminoacylases for the synthesis of acyl-amino acids as biosurfactants

Titel:	Novel aminoacylases for the synthesis of acyl-amino acids as biosurfactants
Weiterer Titel:	Neue Aminoacylasen für die Synthese von Acylaminosäuren als Biotenside
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=65071
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20240314-142634-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Haeger, Gerrit [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 58,64 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 26.02.2024 / geändert 26.02.2024
Beitragende:	Prof. Dr. Jaeger, Karl-Erich [Gutachter] Prof. Dr. Siegert, Petra [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Der Markt für Detergenzien und Tenside ist der Größte innerhalb der Chemieindustrie. Insbesondere als Konsumgüter steigt die Nachfrage an biobasierten Tensiden aus nachhaltiger Produktion. Die Zielmoleküle dieser Arbeit, namentlich Acyl-Aminosäuren, stellen eine wichtige Substanzklasse innerhalb der grünen Tenside dar. Diese finden als milde Tenside bereits Einsatz in hochwertigen Kosmetika. Die kommerzielle Synthese der Moleküle wird konventionell mit der Schotten-Baumann Methode durchgeführt, bei der Acylchloride eingesetzt werden. Obwohl es sich bei den Produkten um biobasierte Tenside handelt, ist die chemische Synthese nicht nachhaltig und umweltschädlich. Neue Aminoacylasen sollen eine nachhaltige Synthese ermöglichen. Durch die Fähigkeit, freie Fettsäuren ohne vorherige Aktivierung als Substrate zu nutzen, bieten diese Enzyme großes Potential als Biokatalysatoren. Der Einsatz von Aminoacylasen für die Acylierung von Aminosäuren ist jedoch industriell noch nicht genutzt und wissenschaftlich wenig erforscht. Es wurden neue Aminoacylasen über Datenbanksuchen identifiziert und für die rekombinante Expression kloniert. Nach der Produktion und Aufreinigung in geeigneten Wirten wurden die Aminoacylasen charakterisiert und für den Einsatz in der Synthese evaluiert. So wurden Aminoacylasen aus Paraburkholderia monticola DSM 1000849 (PmAcy), Mycolicibacterium smegmatis MKD 8 (MsAA), und Streptomyces griseus DSM 40236T (SgAA und SgELA) untersucht. Die Enzyme konnten in E. coli BL21(DE3), V. natriegens Vmax™ und S. lividans TK23 exprimiert werden, wobei auch durch Co-Expression von molekularen Chaperonen die Produktion von löslichem Enzym ermöglicht oder verbessert wurde. Die Aminoacylase PmAcy stellte sich als herausragender Biokatalysator heraus. Diese weist nicht nur eine sehr gute Stabilität gegenüber hohen Temperaturen und breitem pH-Spektrum auf, sondern katalysiert auch die Acylierung von verschiedenen Aminosäuren zu hohen Umsätzen von teilweise über 70 %. Die α Aminoacylase MsAA konnte insbesondere für die Synthese von Lauroyl-Methionin verwendet werden, sodass ein Umsatz von 67 % erreicht werden konnte. Auch weitere Acyldonoren und -akzeptoren konnten für die Synthese verwendet werden. Die homologe α-Aminoacylase SgAA konnte ebenfalls Lauroyl-Methionin synthetisieren. Für SgELA konnte die putative Funktion als ε-Lysin-Acylase nachgewiesen werden. Durch geringe Enzymausbeute in S. lividans konnte allerdings nur eine initiale Charakterisierung durchgeführt werden. Zusammenfassend konnten biokatalytische Synthesen etabliert werden. Insbesondere für die α Acylierung übertreffen die Prozesse der rekombinanten Enzymproduktion und der Acylierungen bisher beschriebe Produktivität und Ausbeuten für Aminoacylasen. The market for detergents and surfactants is the largest within the chemical industry. Especially as consumer products, the demand for bio-based surfactants from sustainable production is increasing. The target molecules of this work, namely acyl-amino acids, represent an important substance class within green surfactants. They are already used as mild surfactants in high-quality cosmetics. The commercial synthesis of the molecules is conventionally carried out by the Schotten-Baumann method using acyl chlorides. Although the products are biobased surfactants, the chemical synthesis is unsustainable and environmentally harmful due to the chlorine chemistry. New aminoacylases are anticipated to enable sustainable synthesis. With the ability to use free fatty acids as substrates without prior activation, these enzymes offer great potential as biocatalysts. However, the use of aminoacylases for the acylation of amino acids has not yet been exploited industrially and has been scientifically underexplored. New aminoacylases were identified via database searches and cloned for recombinant expression. After production and purification in suitable hosts, the aminoacylases were characterized and evaluated for use in synthesis. Thus, aminoacylases from Paraburkholderia monticola DSM 1000849 (PmAcy), Mycolicibacterium smegmatis MKD 8 (MsAA), and Streptomyces griseus DSM 40236T (SgAA and SgELA) were studied. The enzymes could be expressed with E. coli BL21(DE3), V. natriegens Vmax™, and S. lividans TK23, and soluble enzyme production was furthermore enabled or enhanced by co-expression of molecular chaperones. The aminoacylase PmAcy turned out to be an outstanding biocatalyst. The enzyme not only exhibits very good stability towards high temperatures and a broad pH spectrum, but also catalyzes the acylation of various amino acids to high conversions, sometimes exceeding 70 %. In particular, the α aminoacylase MsAA could be used for the synthesis of lauroyl methionine, resulting in a conversion of 67 %. Other acyl donors and acceptors could also be used the synthesis. The homologous α-aminoacylase SgAA was also able to synthesize lauroyl-methionine. For SgELA, putative function as an ε-lysine acylase was demonstrated. However, due to low enzyme yields from S. lividans, only an initial characterization could be performed. In summary, biocatalytic syntheses of acyl amino acids could be established with the help of newly identified aminoacylase. Especially for α-acylation, the processes of recombinant enzyme production and acylations exceed previously described productivity and yields for aminoacylases.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	14.03.2024
Dateien geändert am:	14.03.2024
Promotionsantrag am:	20.07.2023
Datum der Promotion:	08.12.2023