Biotransformationen natürlicher und unnatürlicher Substrate zur Bildung von Terpenoiden mit olfaktorischen Eigenschaften

Abstract

Terpene bilden mit mehr als 80000 bekannten Verbindungen die größte Klasse sekundärer Naturstoffe. Terpene sind strukturell komplexe Verbindungen, die definierte Stereozentren aufweisen und in allen Bereichen des Lebens vorkommen. Die Terpene werden dabei ausgehend von azyklischen Prenyldiphosphaten durch Terpensynthasen gebildet. Infolge ihrer vielfältigen Eigenschaften und strukturellen Besonderheiten werden sie als Pharmazeutika und Bausteine vor allem für die „ex-chiral-pool“ Synthese neuer Verbindungen verwendet. Das größte Einsatzgebiet haben Terpene allerdings in der Duft- und Aromaindustrie, wo sie aufgrund ihrer ansprechenden Olfaktorik sowohl in Form von Reinstoffen als auch etherischen Ölen Anwendung finden. Durch ihre besonderen pharmazeutischen und olfaktorischen Eigenschaften erfahren die Terpene eine steigende kommerzielle Aufmerksamkeit, weshalb insbesondere die Suche nach neuen Terpenoiden und die Funktionalisierung vorhandener Terpene in den Blickpunkt gerückt sind. Im Rahmen der vorliegenden Promotionsarbeit wurden zwei verschiedene biotechnologische Ansätze für die Bildung neuer Terpenoide gewählt. Zum einen wurden unnatürliche Farnesyldiphosphate mit heterolog exprimierten Sesquiterpensynthasen zu neuen komplexen Terpenoiden umgesetzt. Die unnatürlichen Derivate wurden zunächst auf die Substratakzeptanz überprüft und entstehende Produkte anschließend durch die Anwendung der präparativen Gaschromatographie isoliert und die Struktur aufgeklärt. Ferner wurden die Biotransformations-produkte einer olfaktorischen Analyse unterzogen, um potentielle Terpenoide für den Einsatz als Duftstoffe zu identifizieren. Anschließend wurden Biosynthesewege für die gebildeten Produkte postuliert und diskutiert. Ein biotransformiertes Terpenoid wurde zudem durch Semisynthese weiter verändert und funktionalisiert, um den Strukturraum der Terpenoide zu erweitern. Des Weiteren wurden mehrere Mutanten einer Sesquiterpensynthase hergestellt und deren Einfluss auf die carbokationische Reaktionskaskade beurteilt. Zum anderen wurden Terpene und etherische Öle durch enzymatische Katalyse oxyfunktionalisiert, wobei kommerziell verfügbare Enzyme genutzt wurden. Im Fokus steht hierbei die Bildung von duftstoffrelevanten Verbindungen sowie die Erweiterung des Einsatzgebietes der etherischen Öle. Dazu wurden zunächst reproduzierbare Enzymtests entwickelt und optimiert. Anschließend wurde die Substratakzeptanz der eingesetzten Terpene überprüft und die entstehenden Produkte massenspektrometrisch analysiert. Unbekannte Produkte wurden ebenfalls isoliert, strukturell aufgeklärt und Reaktionsmechanismen zur Bildung der Produkte postuliert und diskutiert.