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Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik
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leer Bluedot   Strukturbasiertes Screening zur Gewinnung von Co-Enzym Q10 aus phototrophen Mikroorganismen
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Barbara Klein
Dipl.-Ing., Dr.-Ing.
Studium: Chemieingenieurwesen, FAU Erlangen-Nürnberg
Tätigkeit: nicht mehr am Lehrstuhl
Promotion abgeschlossen


Antioxidantien sind Verbindungen, die in der Lage sind, freie energiereiche Radikale zu reduzieren. Auto- und photooxidative Kettenreaktionen in Zellsystemen werden dadurch unterbrochen, so dass oxidationsempfindliche Metabolite in Form von Wert- und Wirkstoffen vor ihrer Zerstörung geschützt werden. Neueste wissenschaftliche Untersuchungen belegen zudem, dass ein intrazellulärer Mangel an natürlichen Antioxidantien im Menschen mit verschiedenen neurodegenerativen Krankheiten korreliert. Co-Enzym Q10 stellt in seiner reduzierten Form eines der effektivsten Antioxidantien in der humanen Zelle dar. Ubiquinon ist ein integraler Bestandteil der mitochondrialen Atmungskette und aktiv am respiratorischen Elektronentransport beteiligt. Die physiologische Eigenschaft des Co-Enzym Q10, zelluläre Membrane durch Unterdrückung der Lipidperoxidation zu schützen, wird in vielen Anti-Aging-Produkten der Kosmetikindustrie beworben. Konventionelle Produktionsverfahren für Co-Enzym Q10 basieren auf der Verwendung gentechnisch veränderter Prokaryonten. Phototrophe, eukaryontische Zellen verfügen über intrazelluläre, Co-Enzym Q-haltige Organellen, so dass ein darauf basierendes Produktionsverfahren unter Verwendung nicht gentechnisch veränderter Organismen ebenfalls ökonomisch effizient sein könnte. Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeiten wird vor diesem Hindergrund ein Verfahren zur Co-Enzym Q10-Produktion mit phototrophen Mikroorganismen etabliert. In der ersten Phase erfolgt ein umfangreiches Screening phototropher Mikroorganismen hinsichtlich ihres metabolischen Potentials für eine Co-Enzym Q10-Biosynthese. Kultivierungen in Photobioreaktor-Screening-Modulen, eine manuelle Extraktion der Biomasse und die Etablierung eines Detektionssystems auf Basis einer off-line-Kopplung RP-HPLC und MALDI-ToF-Massenspektrometrie werden zur Absicherung des Screening-Programmes entwickelt. Die einzellige Rotalge Porphyridium purpureum kann unter optimierten Kultivierungsbedingungen bis zu Zelldichten von ca. 50.000.000 Zellen/mL und einer Biomassenkonzentration von 14 g/L angezogen werden. Da gleichzeitig in den Extrakten dieser Rotalge ein Ubiquinongehalt von 25 µg/g BTM nachgewiesen werden kann, ist diese Mikroalge aus Effizienzgründen als Modellorganismus für die Optimierung der Produktbildung aus dem Screening-Programm ausgewählt worden. Die Optimierungsstrategien in der zweiten Phase des Forschungsvorhabens basieren auf Veränderungen der photosynthetischen Photonenflussdichte, einer Variation der Nährmedienzusammensetzung, einer Mitochondrienproliferation und der zu erwartenden Biosynthese des Produktes nach Initiierung von oxidativem Stress durch membranschädigende Peroxide. Der Einfluss variierender Prozessparameter auf die Ubiquinonproduktion wird durch die volumetrische und spezifische Produktausbeute sowie durch die Bestimmung der antioxidativen Kapazität ermittelt. Durch die Optimierung der Prozessparameter wird eine Steigerung der Co-Enzym Q10-Konzentration in den Biomasseextrakten von P. purpureum um den Faktor 7 erreicht. Die entsprechende spezifische Produktkonzentration von 52,3 µg/g BTM bei Supplementierung von 2,25 g/L Ölsäure zum Kulturmedium korreliert mit einer volumetrischen Ubiquinonkonzentration von 439 µg/L. Hinsichtlich der antioxidativen Kapazität der lipophilen Zellextrakte zeichnet sich die Initiierung von oxidativem Stress durch die Supplementierung von 36,5 mg/L (S)-13-Hydroperoxy-(Z,E)-9,11, -octadecadiensäure und 5 mg/L Fe2+ zum Kultivierungsmedium, verglichen mit einer Kultivierung ohne Medienzusätze (229 µg TÄ/g BTM), durch eine Steigerung um den Faktor 7 auf 1652 µg TÄ/g BTM aus. In der dritten Phase des Projektes ist ein scale-up des Prozesses in den 120 L-Maßstab und eine Produktextraktion mit Hilfe einer ASE® durchgeführt worden. Die spezifische Ubiquinonkonzentration einer Kultivierung im 120 L-Maßstab beträgt unter Verwendung dieser Extraktionsmethodik 141 µg/g BTM. Dies entspricht einer volumetrischen Co-Enzym Q10-Konzentration von 1,96 mg/L. Im Vergleich zur manuellen Extraktion wird dabei die Produktausbeute um den Faktor 14 gesteigert.

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