AKR1C1-abhängige Ganzzell-Biotransformation mit rekombinanten Spalthefen

Abstract

Steroide und Steroidhormone stellen gegenwärtig einen der größten Bereiche der pharmazeutischen Industrie dar. Aufgrund der überwältigenden Nachfrage nach diesen Substanzen müssen neue Synthesewege entwickelt werden. Auch Steroidbiotransformationen, die von rekombinanten Mikroorganismen katalysiert werden, sind von immer größerem Interesse. Unter den verschiedenen Enzymen, die bekanntermaßen spezifische Veränderungen am Steroidrückgrat ermöglichen, befinden sich auch Mitglieder der Enzymfamilie der Aldo-Keto-Reduktasen (AKRs). Letztere werden bisher noch nicht im industriellen Maßstab biotechnologisch eingesetzt. Um die generelle Möglichkeit der biotechnologischen Nutzung von AKRs, die heterolog in der Spalthefe S. pombe exprimiert werden, zur Steroidmodifizierung zu untersuchen, wurde die humane 20α-HSD AKR1C1 als Modellenzym ausgewählt. Dieses Enzym katalysiert die regio- und stereospezifische Reduktion von Progesteron zu 20α-DHP. Mit diesem Enzym konnte erstmals die funktionelle Expression einer heterologen AKR in S. pombe nachgewiesen werden. Es wurde gezeigt, dass sowohl Progesteron als auch Dydrogesteron Substrate für dieses System darstellen. Nach der molekularbiologischen Verbesserung des Produktionsstamms und einer umfangreichen verfahrenstechnischen Optimierung entstand ein innovatives Spalthefe-basiertes Ganzzell-Biotransformationsverfahren. Dieses ermöglicht die effiziente Produktion von 20α-DHP und 20α-DHD im technischen Maßstab und ist gegenüber den gegenwärtig angewandten Verfahren umweltgerechter, ressourcenschonender und rentabler.

Steroids and steroid hormones represent currently one of the largest sectors in the pharmaceutical industry. Due to the overwhelming demand for these substances new synthesis routes have to be developed. In this context biotransformations of steroids catalyzed by recombinant microorganisms are of steadily increasing interest. Among the different types of enzymes that are known to allow specific modifications of the steroid backbone are also members of the aldo-keto reductases (AKRs). The latter are not biotechnologically used at industrial scale so far. To investigate the general feasibility of a biotechnological use of AKRs heterologously expressed in the fission yeast S. pombe for steroid modification, the human 20α-HSD AKR1C1 was chosen as model enzyme. This enzyme catalyzes the regio- and stereospecific reduction of progesterone to 20α-DHP. Using this enzyme the functional expression of a heterologous AKR in S. pombe could be demonstrated for the first time. It was shown that progesterone as well as dydrogesterone are substrates for this system. After molecular biological improvement of the production strain and an extensive procedural optimization an innovative fission yeast based whole-cell biotransformation process has been created. This allows the efficient production of 20α-DHP und 20α-DHD, respectively, at technical scale; and in comparison with the currently applied procedures it is more environmental protective, resource- efficient and profitable.