Untersuchungen zur enzymatischen Produktion von Ethylenoxid, Phenol und Naphthol mit der löslichen Methanmonooxygenase

Abstract

Die lösliche Methan-Monooxygenase (sMMO) hydroxyliert neben dem physiologischen Substrat Methan eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffen und besitzt deshalb ein großes Potenzial für biotechnologische Anwendungen. Die komplexe Struktur, eine geringe Prozessstabilität und niedrige Produktausbeuten verhindern bislang den Einsatz in biotechnologischen Bereichen. In der vorliegenden Arbeit wird das Potenzial der sMMO aus M. trichosporium OB3b demonstriert, indem Produktions- und Reinigungsstrategien der Proteinkomponenten optimiert und verschiedene Strategien zur Steigerung der Produktausbeute verfolgt wurden. Reaktionssysteme zur enzymatischen Hydroxylierung von Ethylen, Benzol und Naphthalin wurden substratspezifisch optimiert, sodass Produktausbeuten von 98 % erreicht werden konnten. Final wurde die sMMO-Enzymkaskade zur Hydroxylierung von Ethylen in einem 700-mL-Membranreaktor und zur Hydroxylierung aromatischer Substratgemische in einem 350-mL-Rührkesselreaktor eingesetzt.

Soluble methane monooxygenase (sMMO) hydroxylates not only the physiological substrate methane but also a variety of organic substrates and therefore offers great potential for biotechnological applications. The complex structure, low process stability and consequently low product yields have so far prevented its use in biotechnology. Here, the potential of sMMO from M. trichosporium OB3b is demonstrated by optimizing the production and purification strategies of the protein components and implementing different strategies to increase the product yield. Reaction systems for enzymatic hydroxylation of ethylene, benzene, and naphthalene were optimized for each substrate individually resulting in product yields of up to 98 %. Finally, the sMMO enzyme cascade was used for the hydroxylation of ethylene in a 700-mL membrane reactor and for the hydroxylation of aromatic substrate mixtures in a 350-mL stirred tank reactor.