Bacterial cytochrome P450 monooxygenases [Elektronische Ressource] : investigations on redox partners and optimization for whole-cell biocatalysis / vorgelegt von Marco Girhard

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• Publié par: heinrich-heine-universitat_dusseldorf
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 50
• Langue: Deutsch
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Extrait

Bacterial Cytochrome P450 Monooxygenases:
Investigations on Redox Partners and
Optimmizatioon for WWhole-Cell BBiocataalysis





Inauguural-Disseertation




zur Erlangung des Doktorgrades
der Mathemaatisch-Naaturwissenschaftlicchen Fakkultät
der Heinrich-Heiine-Universität Düsseldorf




vorgelegt von

Marco Girhard
auus Dernbaach




Düsseldorf, November 2010





Aus dem Institut für Biochemie, Lehrstuhl II
der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf


























Gedruckt mit der Genehmigung der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Referent: Prof. Dr. Vlada B. Urlacher
Koreferent: Prof. Dr. Martina Pohl
Tag der mündlichen Prüfung: 17.11.2010

Eidesstattliche Erklärung

Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und nur unter
Verwendung der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe.



Düsseldorf, 17.11.2010 ________________________
(Marco Girhard)













Also lautet ein Beschluß,
Daß der Mensch was lernen muß. –
Doch nicht allein das Abc
Bringt den Menschen in die Höh’;
Nicht allein in Rechnungssachen
Soll der Mensch sich Mühe machen,
Sondern auch der Weisheit Lehren
Muß man mit Vergnügen hören. –


Frei nach Wilhelm Busch; Max und Moritz (1865) – Vierter Streich

Teile dieser Arbeit wurden bereits veröffentlicht:

Seiten 25-56: Gedruckt mit freundlicher Genehmigung von Springer aus der
Publikation: „Characterization of the versatile monooxygenase CYP109B1 from
Bacillus subtilis“, M. Girhard, T. Klaus, Y. Khatri, R. Bernhardt and V.B. Urlacher,
2010, Applied Microbiology and Biotechnology, 87(2):595-607.
Originalpublikation unter: http://www.springerlink.com

Seiten 57-71: Frei zugänglicher Artikel, lizenziert unter „Creative Commons“, aus der
Publikation: „Regioselective biooxidation of (+)-valencene by recombinant E. coli
expressing CYP109B1 from Bacillus subtilis in a two liquid phase system“, M.
Girhard, K. Machida, M. Itoh, R.D. Schmid, A. Arisawa and V.B. Urlacher, 2009,
Microbial Cell Factories 8:36.
Originalpublikation unter: http://www.microbialcellfactories.com

Seiten 72-99: Gedruckt mit freundlicher Genehmigung von Springer aus der
Publikation: „Regioselective hydroxylation of norisoprenoids by CYP109D1 from
Sorangium cellulosum“, Y. Khatri, M. Girhard, A. Romankiewicz, M. Ringle, F.
Hannemann, V.B. Urlacher, M.C. Hutter and R. Bernhardt, 2010, Applied
Microbiology and Biotechnology, 88(2):485-495.
Originalpublikation unter: http://www.springerlink.com

Seiten 100-106: Gedruckt mit freundlicher Genehmigung von Elsevier aus der
Publikation: „Cytochrome P450 monooxygenase from Clostridium acetobutylicum: A
new fatty acid hydroxylase“, M. Girhard, S. Schuster, M. Dietrich, P. Dürre and V.B.
Urlacher, 2007, Biochemical and Biophysical Research Communications,
362(1):114-119.
Originalpublikation unter: http://www.sciencedirect.com/science/journal/0006291X

Seiten 107-117: Gedruckt mit freundlicher Genehmigung von Elsevier aus der
Publikation: „Expression, purification and characterization of two Clostridium
acetobutylicum flavodoxins: Potential electron transfer partners for CYP152A2“, S.
Honda Malca, M. Girhard, S. Schuster, P. Dürre and V.B. Urlacher, 2010, Biochimica
et Biophysica Acta, doi:10.1016/j.bbapap.2010.06.013.
Originalpublikation unter: http://www.sciencedirect.com/science/journal/15709639

Danksagung

Ich bin vielen Personen zu Dank verpflichtet, ohne die die Erstellung dieser Arbeit
nicht möglich gewesen wäre!

Mein ganz besonderer Dank gilt Frau Prof. Dr. Vlada Urlacher für die Überlassung
des interessanten Themas, die hervorragende Betreuung, gute Arbeitsbedingungen,
unermüdliches Interesse und Unterstützung, kritische Diskussionen und viele
hilfreiche Tipps für meine Arbeit. Außerdem möchte ich mich für die
Erstbegutachtung meiner Arbeit bedanken.

Frau Prof. Dr. Martina Pohl danke ich für die freundliche Übernahme des Koreferats.

Mein Dank gilt Herrn Prof. Dr. Rolf D. Schmid und Herrn Prof. Dr. Bernhard Hauer für
Ihre Unterstützung und die hervorragenden Arbeitsbedingungen während meiner Zeit
am Institut für Technische Biochemie an der Universität Stuttgart.

Herrn Dr. Akira Arisawa möchte ich stellvertretend für alle Kollegen der Firma
Mercian Corporation danken, die meinen dreimonatigen Forschungsaufenthalt in
Japan zu einem unvergesslichen Erlebnis gemacht haben.

Frau Prof. Dr. Rita Bernhard und Herrn Dr. Yogan Khatri danke ich für die fruchtbare
Kooperation und hervorragende Zusammenarbeit mit dem Institut für Biochemie der
Universität des Saarlandes.

Für die Zusammenarbeit im Sesquiterpenprojekt danke ich Herrn Dr. Jens Schrader
und Herrn Dr. Dirk Holtmann (Dechema e.V.).

Danke auch an Herrn Prof. Dr. Peter Dürre und Frau Stefanie Schuster vom Institut
für Mikrobiologie und Biotechnologie an der Universität Ulm für die Klonierung und
Überlassung von Plasmiden mit Genen aus C. acetobutylicum.

Mein Dank gilt ferner allen Diplomstudenten und Forschungspraktikanten, die mich
während meiner Arbeit unterstützt haben. Im einzeln waren dies: Tobias Klaus,
Sumire Honda Malca, Björn Mückschel, Svetlana Tihovsky, Marion Iwanizwa und
Sebastian Kriening.

Das gute Arbeitsklima und die freundschaftliche Zusammenarbeit mit meinen
Arbeitskollegen des Instituts für Biochemie, Lehrstuhl II und den ehemaligen
Kollegen des Instituts für Technische Biochemie haben ebenfalls zum Gelingen
meiner Arbeit beigetragen.

Für die finanzielle Unterstützung danke ich der Arbeitsgemeinschaft internationaler
Forschungsgemeinschaften (AiF) im Rahmen des Forschungsvorhabens 14781 N/2
(Entwicklung eines bioelektrochemischen Verfahrens zur selektiven in vitro
Hydroxylierung von Sesquiterpenen mit molekularbiologisch optimierten P450-
Monooxygenasen), sowie der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem
Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst des Landes Baden-Württemberg
im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 706 (Katalytische Selektivoxidationen
von C–H-Bindungen mit molekularem Sauerstoff).

Zum Schluss möchte ich mich bei meinen Eltern bedanken, die mich während
meines Studiums immer in jeder Hinsicht unterstützt haben, und bei meinen
Freunden, die mir Rückhalt und Aufmunterung gaben, wenn es mit der Arbeit mal
schlechter lief. VI |
Table of contents
Zusammenfassung ................................................................................................ VIII
Abstract ..................................................................................................................... X
1. Introduction ................................................................................................ 1
1.1. Industrial biocatalysis (White biotechnology) ............................................. 1
1.1.1. Bulk and fine chemicals ................................................................................ 1
1.1.2. Flavors and fragrances ................................................................................. 2
1.2. Cytochrome P450 monooxygenases ............................................................ 4
1.2.1. Sources, functions and nomenclature ........................................................... 4
1.2.2. Structure ....................................................................................................... 5
1.2.3. Substrate binding .......................................................................................... 7
1.2.4. Catalytic mechanism ..................................................................................... 8
1.2.5. Catalyzed reactions .................................................................................... 11
1.2.6. Industrial application of P450s: Examples and limitations .......................... 12
1.3. Electron transfer proteins ............................................................................ 14
1.3.1. Topology ..................................................................................................... 14
1.3.2. Reductases, ferredoxins and flavodoxins ................................................... 16
1.3.2.1. Reductases ....................................................................................................... 17
1.3.2.2. Ferredoxins ...........................................................................................