Von der Identifizierung neuer Substrate der 15beta-Hydroxylase (CYP106A2) zur Cytochrom P450 Ganzzellkatalyse in Bacillus megaterium

Abstract

Cytochrome P450 besitzen aufgrund ihrer Fähigkeit atomaren Sauerstoff regio- und stereoselektiv in nicht aktivierte C-H-Bindungen einzuführen ein großes biotechnologisches Potential. Ein Einsatz bakterieller CYPs ist hierbei besonders interessant, da sie sich im Vergleich zu membrangebundenen P450 Monooxygenasen durch höhere Expressionsraten, Stabilitäten und oft durch höhere Substratspezifitäten auszeichnen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Substrate der bakteriellen 15beta-Hydroxylase CYP106A2 aus Bacillus megaterium ATCC 13368 identifiziert und eingehend charakterisiert, wodurch neue Erkenntnisse über die Substratspezifität und Substratbindung dieses Enzyms erhalten wurden. Das Substratspektrum wurde um biotechnologisch relevante Di- und Triterpene erweitert und infolge dessen wurde CYP106A2 als die erste bakterielle Diterpenhydroxylase identifiziert, die eine regioselektive allylische Hydroxylierung in einem Schritt katalysiert. Durch den Einsatz des B. megaterium Stammes ATCC 13368, der sowohl CYP106A2 als auch seine homologen Redoxpartner endogen beinhaltet, wurden ausreichende Mengen einzelner Produkte synthetisiert, um die exakte Hydroxylierungsposition im Molekül durch NMR-Spektroskopie zu bestimmen. Zur Steigerung der Produktivität dieses natürlichen Ganzzellsystems wurde zum ersten Mal ein P450 abhängiges rekombinantes Expressionssystem für Bacillus megaterium entwickelt, welches die Koexpression von CYP106A2 und seiner heterologen Redoxpartner AdR und Adx erlaubt. Dieser Ganzellbiokatalysator wurde erfolgreich zum Umsatz der neuen Substrate eingesetzt, wodurch eine deutliche Steigerung der Produktivität im Vergleich zum natürlichen CYP106A2 exprimierenden Bacillus megaterium Stamm ATCC 13368 erzielt wurde.

Cytochromes P450 exhibit a great biotechnological potential due to their ability to introduce molecular oxygen regio- and stereoselectively into non-activated hydrocarbons. The use of bacterial CYPs is thereby very interesting, because they possess higher expression rates, stabilities and often higher substrate specificities in comparison to membrane bound P450 monooxygenases. Within the scope of this work, new substrates of the 15beta-hydroxylase CYP106A2 from Bacillus megaterium ATCC 13368 have been identified and characterized in detail, which led to new insights into the substrate specificity and substrate binding of this enzyme. The substrate spectrum was extended to biotechnological relevant di- and triterpenes and CYP106A2 was identified as the first bacterial diterpene hydroxylase, which catalyzes a regioselective allylic hydroxylation in a single step. Using Bacillus megaterium ATCC 13368, which contains CYP106A2 and its homologous redox partners, sufficient amounts of reaction products were produced for the identification of the hydroxylation position by NMR-spectroscopy. To further improve the productivity of the natural converting whole-cell system, a P450 dependent recombinant expression system in Bacillus megaterium was developed, that allows the coexpression of CYP106A2 and its heterologous redox chain consisting of AdR and Adx. This whole-cell biocatalyst was successfully employed for the conversion of the new substrates, leading to an increased productivity in comparison to the naturally CYP106A2 expressing Bacillus megaterium ATCC 13368.