Untersuchungen zur biotechnologischen Produktion von Ferula- und Sinapinsäure

Abstract

Die Phenylpropanoide Ferula- und Sinapinsäure sind Teil der Ligninbiosynthese und stellen einen wichtigen Ausgangspunkt für diverse Sekundärmetabolite dar. In der vorliegenden Arbeit wurde die biotechnologische in vivo Produktion von Ferula- und Sinapinsäure in E. coli ausgehend von Tyrosin mit den Enzymen TAL, HpaBC und PFOMT untersucht. In Schüttelkolben-Versuchen zeigte sich ein Engpass der Methylierungsreaktion, der sich durch Methionin-Zugabe teilweise kompensieren ließ. In vitro zeigte sich eine Kombination aus Produkthemmung der TAL und eine geringe Substrataffinität der HpaBC, was einen schlechten Reaktionsfluss widerspiegelt. Bei der Produktion im Bioreaktor führten die Erhöhung der intrazellulären Tyrosin-Konzentration, die Optimierung der Balance von Expressionsstärke und Zellvitalität durch Laktose-Induktion, sowie die Zugabe von Methionin zu 9,6 ± 1,4 mM (1,9 ± 0,2 g/L; 39 ± 4,2 mg/(L*h)) Ferulasäure und 5,9 ± 0,4 mM (1,3 ± 0,1 g/L; 27 ± 2 mg/(L*h) Sinapinsäure.

The phenylpropanoids ferulic and sinapic acid are part of lignin biosynthesis and represent an important starting point for diverse secondary metabolites. In the present work, the biotechnological in vivo production of ferulic and sinapic acid in E. coli starting from tyrosine was investigated using the enzymes TAL, HpaBC and PFOMT. Shake flask experiments revealed a bottleneck in the methylation reaction that could be partially compensated by methionine addition. In vitro, a combination of product inhibition of TAL and low substrate affinity of HpaBC was observed, reflecting poor reaction flux. In bioreactor production, increasing intracellular tyrosine concentration, optimizing the balance of expression level and cell viability by lactose induction, and adding methionine resulted in 9.6 ± 1.4 mM (1.9 ± 0.2 g/L; 39 ± 4.2 mg/(L*h)) Ferulic acid and 5.9 ± 0.4 mM (1.3 ± 0.1 g/L; 27 ± 2 mg/(L*h) sinapic acid.