Tropfenmikrofluidik zur Durchführung von biokatalytischen Kaskadenreaktionen

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Iordania Constantinou; Professorin Dr. Anett Schallmey
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502287023

Biokatalytische Reaktionskaskaden bieten vielfältige Vorteile gegenüber schrittweisen Reaktionssequenzen, da durch Vermeidung von intermediären Aufarbeitungsschritten Zeitaufwand, Kosten und Abfallproduktion deutlich gesenkt werden können. Die Entwicklung effizienter Reaktionskaskaden birgt jedoch auch große Herausforderungen, da die Kombination mehrerer enzymkatalysierter Reaktionsschritte in einem Gefäß zu unerwünschten Nebenreaktionen oder Inhibitionen führen kann. Dagegen stellen mikrofluidische Systeme ideale Reaktionsbehälter für die Entwicklung und Durchführung von kontinuierlich betriebenen Biokaskaden dar, weil sie eine einfache Kompartimentierung von Reaktionsschritten und deren unabhängige Kontrolle erlauben.Innerhalb des vorliegenden Projektes sollen die spezifischen Vorteile der Miniaturisierung, d.h. die Möglichkeit zur präzisen und individuellen Kontrolle von Reaktionsbedingungen einzelner Reaktionsschritte, für die Entwicklung von biokatalytischen Reaktionskaskaden im Zweiphasensystem nutzbar gemacht werden. Dafür soll eine modulare mikrofluidische Plattform entwickelt und für die Durchführung einer 2-Schritt-Kaskade bestehend aus biokatalytischer Alkenepoxidierung und enzymatischer Epoxidringöffnung eingesetzt werden. Dieser modulare Ansatz bietet dabei eine flexible Alternative zu Eintopf-Kaskadenreaktionen, weil die Reaktionsbedingungen für jeden Reaktionsschritt hier unabhängig voneinander eingestellt werden können. Für die Alkenepoxidierung sollen dabei sowohl die Lipase- und Acyltransferase-katalysierte Persäurebildung zur chemischen Alkenepoxidierung, als auch die Peroxygenase-katalysierte direkte Epoxidierung verschiedener Alkensubstrate untersucht werden. Durch Kombination mit anschließender Halohydrindehalogenase-katalysierter Epoxidringöffnung sollen die resultierenden Biokaskaden einen Zugang zu wichtigen β-substituierten zyklischen Alkoholen als Bausteine für die pharmazeutische und chemische Industrie liefern. Mikrofluidische Tropfen aus organischem Lösungsmittel, welche als Substratreservoir und Produktsenke dienen, sollen für die Durchführung der biokatalytischen Reaktionen im Zweiphasensystem genutzt werden. Dabei soll u.a. der Einfluss der gezielten Tropfenabtrennung zur Produktisolierung zwischen einzelnen Reaktionsschritten auf die Reaktionseffizienz der Kaskade untersucht werden. Besonderes Augenmerk wird zudem auf die Mikrostrukturierung der Mikrokanaloberfläche gelegt, um die verfügbare Oberfläche für die Enzymimmobilisierung an der Kanalwand zu erhöhen. Abschließend soll der direkte Vergleich der Durchführung der Reaktionskaskaden im mikrofluidischen System sowie im Eintopfverfahren (batch) wichtige Erkenntnisse hinsichtlich Vorteilen und Grenzen der Tropfen-Mikrofluidik für die Entwicklung, Optimierung und Durchführung von Biokaskaden liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen