Etablierung und Optimierung umweltfreundlicher Prozesse zur Modifikation steroidaler Verbindungen mittels Ganzzellkatalysen

Abstract

Steroidale Verbindungen regulieren u.a. die Mineralstoff-Homöostaste, sowie Immun- und Entzündungsreaktionen und sind daher von hoher pharmazeutischer Relevanz. Die Herausforderung ihrer industriellen Synthese besteht neben hohen Ausbeuten in der Minimierung der einhergehenden Umweltbelastung. Zu diesem Zweck wurden in dieser Arbeit effiziente Ganzzellsysteme etabliert und optimiert, welche fähig sind ökologisch nachhaltige Teilsynthesen unterschiedlicher (Seco-) Steroide zu katalysieren. Zum einen konnte die effiziente Oxidation von Hydrocortison etabliert werden, welche, verglichen mit einem Referenzsystem, eine 1000-fach gesteigerte Cortisonausbeute von 14 g*L -1 aufwies. Eine SHE-Bewertung demonstrierte zudem eine erhöhte Ökoeffizienz im direkten Vergleich zu einem äquivalenten chemischen Verfahren. Ein weiteres Ganzzellsystem ermöglicht eine Hydroxylierung von Medran, welche als limitierender Teilschritt der Methylprednisolon-Synthese gilt. Hier konnte die Produktausbeute durch Optimierung verdoppelt werden. Die Etablierung einer Mischkultur zur Produktderivatisierung führte zu einer weiteren Erhöhung der Premedrolproduktion um 117% auf >1,5 g*L -1. Außerdem wurde die erste biotechnologische und daher hochselektive Hydroxylierung von Vitamin D2 zur Produktion von physiologisch aktiven Metaboliten entwickelt. All diese Ergebnisse unterstreichen das große Potenzial von Ganzzellsystemen, die ökologische Nachhaltigkeit industrieller Synthesen von Feinchemikalien zu erhöhen.

Steroidal compounds regulate the mineral homeostasis as well as immune and inflammatory reactions and are, thus, highly relevant for pharma industry. Besides achieving high product yields, the industrial synthesis of these compounds is challenging in terms of minimizing accruing environmental pollution. For these reasons, this work focused on the establishment and optimization of diverse whole-cell systems to catalyze different sub-processes of the (seco-) steroid synthesis in an efficient and sustainable matter. In the first part, the efficient oxidation of hydrocortisone was enabled, which resulted in a 1000-fold increase of the product yield compared with a reference system. Furthermore, an SHE-assessment demonstrated improved ecological efficiency in comparison with an equivalent chemical process. A second whole-cell system catalyzes the hydroxylation of medrane, a limiting step of methylprednisolone synthesis. Here, the product yield was doubled by optimization. Moreover, the establishment of a mixed-culture fermentation for subsequent product derivatization led to a further enhancement of the premedrol production by 117%, up to 1.5 g L -1. Finally, the first biotechnological and thus, highly selective hydroxylation process of vitamin D2 was established for the production of physiologically active metabolites. All obtained results highlight the great potential of whole-cell systems to increase ecological sustainability for the industrial synthesis of fine chemicals.