Selektive in vivo Synthese von Aldehyden

Viele Aromen die wir aus dem Alltag kennen haben eine Gemeinsamkeit in ihrer chemischen Struktur die Aldehyd Funktionalität. Das wohl bekannteste Beispiel ist Vanillin: dieser Geschmacksstoff ist Bestandteil einer Vielzahl von Nahrungsmitteln, Kosmetika und Parfums. Es gibt aber noch eine große Palette anderer Aldehyde, wie zum Beispiel Zimtaldehyd und ähnliche Verbindungen. Viele dieser Duftträger lassen sich nur mit massivem Aufwand aus natürlichen Quellen isolieren, daher besteht großes Interesse, sie auf möglichst nachhaltige Weise herzustellen. Carbonsäuren könnten vielversprechende Vorstufen sein, aber es ist sehr schwierig, sie selektiv zu Aldehyden zu reduzieren. Es gibt einige chemische Verfahren, die das zwar bewerkstelligen können, jedoch haben diese Methoden Nachteile, die man mit enzymatischen Methoden umgehen kann. Enzyme sind ungiftig und arbeiten üblicherweise unter umweltfreundlichen Bedingungen. Sogenannte Carboxylatreduktase-Enzyme können aus einer Säure selektiv den Aldehyd machen, sie brauchen dazu aber biologische Cofaktoren. Letztere kann man natürlich nicht einfach zu einer Reaktion zugeben, da sie viel zu teuer wären. Wenn wir die Reaktion aber in einem Mikroorganismus ablaufen lassen, so ist dieses Problem gelöst, da die Zellen die nötigen Cofaktoren ganz einfach aus Zucker und Luftsauerstoff bilden. Wir planen daher, den Microorganismus E. coli mit den nötigen Enzymen für eine Kaskadenrekation auszustatten. Aus chemisch hergestellten Vorstufen sollen die Enzyme dann Duftstoffe wie das nach Meer riechende TropionalTM bilden. Letztendlich arbeiten wir darauf hin, den chemischen Schritt der Substratsynthese in die Biotransformationskaskade zu integrieren und sämtliche Einzelschritte in einer einzigen chemo/enzymatischen Reaktion laufen zu lassen. Als besonders wichtiges Projektergebnis erwarten wir ein deutlich besseres Verständnis der komplexen Interaktionen fremder Enzyme und Verbindungen mit dem Stoffwechsel der E. coli Zellen. Nur wenn wir die Vorgänge auf molekularer Ebene untersucht haben, werden wir erkennen, wo Schwachstellen bestehen und können Ideen entwickeln, wie man diese beseitigen kann. Das ist nicht nur wichtig für die Optimierung der Duftstoffsynthesen, sondern allgemein auch für andere Kaskadenreaktionen mit Aldehyden.

Viele der uns vertrauten Gerüche basieren auf dem chemischen Baustein Aldehyd. Vanillin ist womöglich das bekannteste Beispiel, oder auch Zimtaldehyd, der für den Großteil des Dufts von Zimtrinde verantwortlich ist. Eine auf molekularer Ebene völlig andere Aldehydverbindung duftet nach frisch gemähtem Gras und es gibt unzählige weitere solcher Beispiele. Aldehyde herzustellen ist allerdings eine schwierige Aufgabe, besonders dann, wenn große Mengen davon benötigt werden. Dies trifft gleichermaßen auf chemische wie auch auf biologische Herstellungsverfahren zu. Carbonsäuren wären der wohl vielversprechendste nachwachsende Rohstoff für Aldehyde, denn es gibt sie in rauen Mengen und großer Vielfalt in der Natur. Unser Ziel in diesem Forschungsprojekt war es, neue Konzepte für die Herstellung von Duftstoffen zu erarbeiten. Eine enzymatische Reduktion von Carbonsäuren sollte mit biokompatiblen chemischen Schritten aus einfachen Vorläufermolekülen komplexe, chirale Zimtsäurederivate ergeben. Für die enzymatische Reduktion der Säure wurden Carbonsäurereduktasen - sogenannte CARs - verwendet. Diese Enzyme haben wir in den wohlbekannten Mikroorganismus Escherichia coli eingebettet. Das Bakterium sorgt für die nötige Energie und Stoffe, die die Reduktion antreiben. Eine Herausforderung dieses Projekts war, das komplexe Zusammenspiel zwischen Enzymen und Stoffen, die dem Bakterium fremd sind, und die Auswirkungen auf dessen Metabolismus besser zu verstehen. Eine zweite Hürde, die es zu überwältigen galt, war der Umstand, dass es noch keine brauchbaren Methoden gab, unsere Zielprodukt Aldehyd in Anwesenheit von Wasser und lebenden Zellen zu detektieren und zu quantifizieren. Daher haben wir zunächst eine neue Methode entwickelt. Der sogenannte 'ABAO-Assay' erlaubt es uns und anderen Forschern nun, tausende Reaktionen in sehr kurzer Zeit zu untersuchen. Diese Methode wird nicht nur von Vorteil für die Duftstofferzeugung sein, sondern auch für andere Reaktionen, in denen Aldehyde eine Schlüsselrolle als Endprodukt oder Zwischenstufe einnehmen.