Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Biotechnologische Verfahren zur Produktion von Polyarginylaspartat (Cyanophycin) und davon abgeleitete Varianten

Anschrift
Westfälische Wilhelms-Universität Münster - Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät - Fachbereich 13 Biologie - Institut für Molekulare Mikrobiologie und Biotechnologie
Corrensstr. 3
48149 Münster
Kontakt
Prof. Dr. Alexander Steinbüchel
Tel: +49 251 83-39821
E-Mail: steinbu@uni-muenster.de
FKZ
22012500
Anfang
01.04.2001
Ende
31.03.2004
Ergebnisdarstellung
Die Etablierung der Cyanophycin-Synthese in Escherichia coli und anderen Mikroorganismen (R. eutropha, C. glutamicum, B. licheniformis) wurde im Maßstab 30 L erreicht und optimiert. Es zeigte sich, dass die verwendeten Expressions-Systeme bei den durchgeführten scale-up Versuchen sehr instabil waren. Aufgrund dessen konnte die im 30 L-Maßstab erreichte Menge von 25 % im 500 L-Maßstab noch nicht erzielt werden. Die Aufarbeitung der Zellen führte hier nur zu Cyanophycin-Gehalten von maximal 6 %.Für R. eutropha ist die saure Extraktion ganzer Zellen in der in Hinblick auf einfache Durchführbarkeit, Ausbeute und Reinheit des isolierten Materials die Methode der Wahl zur Aufarbeitung und ermöglicht nun auch die Gewinnung größerer Cyanophycin-Mengen. Dieses Verfahren ermöglicht eine Ausbeute von >70 % aus der Trockenmasse von E. coli und R. eutropha und ermöglicht die Gewinnung von Cyanophycin im kg-Maßstab. Cyanophycin erwies sich sehr gut biologisch abbaubar.Die mikrobielle Herstellung von Polyasparaginsäure mit modifizierten Cyanophycin-Synthetasen bzw. modifizierten Polyglutaminsäure-Synthetasen erwies sich als schwierig und gelang nicht. Da ein Vergleich von Cyanophycin mit chemisch synthetisierter Polyasparaginsäure keinen Vorteil für das biogene Polymer ergab und die direkte Herstellung von Polyasparaginsäure nicht gelang erfolgten dann Versuche zur chemischen Modifikation von Cyanophycin, die aber nicht zur Überführung von Cyanophycin in Polyasparaginsäure durch gängige chemische Verfahren führten. Aus den Arbeiten zum mikrobiellen Abbau von Cyanophycin und anderen Polyamiden konnten strikt anaeroben Bakterien isoliert und charakterisiert worden, die eine enzymatische Überführung von Cyanophycin in Polyasparaginsäure katalysieren können. Untersuchungen zur enzymatischen Modifikation von Cyanophycin waren aufgrund der fortgeschrittenen Projektzeit nur teilweise erfolgreich. Hierzu sind jedoch weitere - z. T. grundlagenorientierte Untersuchungen - nötig.
Aufgabenbeschreibung
Cyanophycin ist ein den Proteinen ähnliches Biopolymer in Cyanobakterien, das aus einer Polyaspartat-Kette besteht, dessen freie Carboxylgruppen peptidisch mit der Aminosäure Arginin verknüpft sind. Aufgrund der schlechten Kultivierbarkeit und der niedrigen Gehalte an Cyanophycin galten die Cyanobakterien selbst als ungeeignet zur technischen Produktion des Polymers. Daher schien die gentechnische Etablierung der Synthese dieses Polymers in anderen, besser geeigneten Wirten als der einzig gangbare Weg zur technischen Produktion von Cyanophycin. Hierzu sollten neben Escherichia coli auch andere, für technische Produktionen geeignete Bakterien genutzt werde. Das Verfahren soll im größeren Maßstab erprobt werden. Eine materialtechnische Charakterisierung und umfangreiche anwendungstechnische Tests folgen. Das Verfahren soll darüber hinaus auf weitere, verwandte Polyamide werden. Darüber hinaus waren die Umwandlung des biotechnisch hergestellten Cyanophycins in Polyasparaginsäure bzw. die direkte biotechnische Synthese von Polyasparaginsäure Ziele des Vorhabens. Das Vorhaben wird mit der Bayer AG durchgeführt.

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