Umsatz von Harzsäuren durch die bakteriellen Cytochrome CYP105A1 und CYP106A2 - strukturelle Grundlagen und potentielle Anwendungen

Abstract

Harzsäuren sind pflanzliche Sekundärmetabolite mit einer Vielzahl an interessanten biologischen Eigenschaften. Zielsetzung dieser Arbeit war die Untersuchung des Umsatzes ausgewählter Vertreter dieser Stoffklasse durch die bakteriellen Cytochrome P450 CYP105A1 aus Streptomyces griseolus und CYP106A2 aus Bacillus megaterium sowie die Evaluierung möglicher biotechnologischer Anwendungen. Um darüber hinaus die molekularen Mechanismen der Substratbindung aufzuklären, erfolgten die Kristallisation und Strukturaufklärung der beiden Enzyme im Komplex mit der Abietinsäure. Für das CYP105A1 konnten hierdurch interessante Details über den Einfluss des Lösemittels bei der Substratbindung aufgeklärt werden. Im Fall des CYP106A2 stellt diese Arbeit die erste Beschreibung der Struktur des Enzyms überhaupt dar und bildet eine wichtige Grundlage für gezielte Modifikationen dieses biotechnologisch hochinteressanten Cytochroms P450. Tatsächlich konnte mit der Analyse von Affinität und Aktivität des CYP105A1 gegenüber der Abietinsäure außerdem eine vielversprechende Ausgangsposition für die Nutzbarmachung dieser Biokatalyse etabliert werden. Das Reaktionsprodukt wurde als 15-Hydroxyabietinsäure identifiziert, eine auf chemischen Weg nur sehr schwer zu synthetisierende Substanz, die von großem Interesse für die Allergieforschung ist. Aus diesem Grund wurde ein Ganzzellsystem entwickelt und optimiert, welches die Basis für eine industrielle Anwendung dieser Biokatalyse bildet.

Resin acids are secondary metabolites of plant origin that exhibit a tremendous amount of interesting biological characteristics. The aim of this work was the analysis of conversion of chosen resin acids with the bacterial cytochromes P450 CYP105A1 from Streptomyces griseolus and CYP106A2 from Bacillus megaterium. Furthermore, possible biotechnological applications of the observed reactions were to be evaluated. To further examine the molecular basics of the substrate binding, both enzymes were crystallized in complex with abietic acid for the purpose of structure determination. The latter resulted in interesting scientific findings about the influence of solvent on substrate binding of CYP105A1. In case of CYP106A2, this work represents the very first description of the crystal structure which can now serve as a molecular basis for site directed modifications of this biotechnologically extremely interesting enzyme. In vitro characterization of binding and conversion of abietic acid with CYP105A1 showed in fact promising results for the utilization of this biocatalysis. The reaction product could be identified as 15-hydroxyabietic acid, a highly interesting substance for the investigation of allergy mechanisms that is very difficult to obtain by chemical means. For this reason, a whole cell system was designed and characterized that forms the basis for an industrial application of this biocatalysis.