Zusammenfassung

In MetaProcess soll ein stabiler, effizienter und ökonomisch nachhaltiger biokatalytischer Workflow zur Herstellung chiraler Aminoalkohole etabliert und optimiert werden. Im Projekt wird die Synthese von Metaraminol, einem adrenergen Rezeptor-Agonisten, der als Vasokonstriktor eingesetzt wird, als exemplarischer und industriell relevanter Showcase verwendet. Die Synthesewege für Metaraminol und verwandte Aminoalkohole beruhen bisher auf der klassischen Chemie, die petrochemischen Ressource und metallbasierte Katalysereaktionen nutzt. Wir haben gezeigt, dass die Biosynthese von Metaraminol durch die Kombination eines enzymatischen Carboligationsschritts und eines anschließenden reduktiven Aminierungsschritts, katalysiert durch eine Amintransaminase, erreicht werden kann. Bemerkenswert ist, dass der Prozess mit leicht verfügbaren Rohstoffen der zweiten Generation wie Xylose und Glucose durchgeführt werden kann, was ihn umweltfreundlich und nachhaltig macht, während er gleichzeitig eine hohe Ausbeute und hohe Chemo- und Stereoselektivität aufweist. Für einen wirtschaftlich effizienten Prozess im größeren (industriellen) Maßstab muss der Biokatalysator jedoch wiederverwendbar sein. Während die Immobilisierung effizient ist und durch den wiederholten Einsatz des Enzyms immens verbesserte spezifische Raum-Zeit-Ausbeuten der Gesamtkaskade ermöglicht, ist die weitere Prozessintensivierung durch die Betriebsstabilität der eingesetzten Biokatalysatoren begrenzt. In MetaProcess werden wir einen multidisziplinären Ansatz verwenden, um stabile Carboligase- und Transaminase-Varianten zu generieren, die in der Lage sind, die wiederholte Batch- bzw. kontinuierliche Produktion von Aminoalkoholen, wie z. B. Metaraminol und Methoxamin, auf einer längeren Zeitskala zu überstehen. Rationales Design und gerichtete Evolution werden eingesetzt, um optimierte Varianten zu identifizieren, die in einen umfassenden industriellen Arbeitsablauf für die chirale Aminoalkoholproduktion integriert werden. Dabei werden kontinuierliche Reaktionen in einem kaskadierten Flussprozess eingesetzt, um ein skalierbares Verfahren zu generieren. Dies beinhaltet ein integriertes Downstream-Processing durch effektive in situ-Produktentfernung. Die entwickelte Plattform wird durch eine techno-ökonomische Analyse sowie eine Lebenszyklusanalyse (LCA) evaluiert, die es ermöglichen, Parametersensitivitäten zu identifizieren und die Nachhaltigkeit und wirtschaftliche Machbarkeit zu bewerten. Wir erwarten eine skalierbare und einsatzbereite Demonstrationsanlage im Labormaßstab, welche die Produktion von Aminoalkoholen nachhaltiger und effizienter macht und letztlich die Zugangsbarriere für ansonsten schwer zu beschaffende (chemische) Bausteine und pharmazeutische Wirkstoffe (APIs) senkt.

BOOST FUND 2.0 Projektleiter

Dr. Stephan Schott-Verdugo
IBG-4: Bioinformatik
Forschungszentrum Jülich
email: s.schott@fz-juelich.de

Partner

Prof. Dr. Gohlke, Pharmazeutische und Medizinische Chemie, HHU Düsseldorf
Prof. Dr. Rother, IBG-1: Systembiotechnologie, Forschungszentrum Jülich/ RWTH Aachen
Prof. Dr. Jupke, AVT.FVT - Fluidverfahrenstechnik, RWTH Aachen
Prof. Dr. Schwaneberg & Dr. Anna Joelle Ruff, Lehrstuhl für Biotechnologie, RWTH Aachen

Projektlaufzeit

01.07.2022 - 30.06.2025

Förderung

MetaProcess ist Teil des NRW-Strategieprojekts BioSC und wurde vom Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert.