Dokument 2.pdf - OPUS-Datenbank - Universität Hohenheim

3.2 Biotransformationen
3.2.3 Biotechnologische Herstellung von Butanol
Ziel dieses Teilprojekts ist es, einen neuartigen biotechnologischen Weg zur Gewinnung
von n-Butanol aus Glucose zu etablieren. Die mikrobiologische Herstellung von Butanol
wurde bereits Anfang des 20. Jahrhunderts in Clostridien realisiert und großtechnisch
angewandt. Das von Weizmann (1915) isolierte Bakterium, welches von McCoy et al.
(1926) als Clostridium acetobutylicum charakterisiert wurde, synthetisiert sowohl Aceton
als auch Butanol und Ethanol. Im Gegensatz zum heutigen wirtschaftlichen Interesse
an Butanol war seinerzeit das in diesem Prozess synthetisierte Aceton von großer
wirtschaftlicher Bedeutung, da es für die Herstellung von Kordit benötigt wurde. Butanol
fiel im Rahmen der Herstellung von Aceton lediglich als Nebenprodukt an und wurde
erst später als Lösungsmittel in Lacken industriell relevant (Dürre, 1998). In den 1950er
Jahren wurde die mikrobielle Herstellung von Butanol zunehmend durch die petrochemische
Herstellung verdrängt. Das erneute Interesse an „Biobutanol“ in der heutigen
Zeit ist eng mit der Suche nach regenerativen Energieträgern, großen Fortschritten in
der synthetischen Biologie (und Biotechnologie) sowie steigenden Preisen für petrochemische
Produkte verknüpft. Aus wirtschaftlicher Sicht bringt die noch heute in China
und Brasilien praktizierte klassische ABE-Fermentation (Hauptprodukte der Synthese:
Aceton, Butanol, Ethanol) jedoch einige Nachteile mit sich (Dürre, 2011). Neben hohen
Kosten für die benötigten Edukte wie Zucker oder Stärke, auf welche Clostridien
als Kohlenstoffquelle angewiesen sind, fallen auch die niedrigen Ausbeuten (max. 2%
(w/v)), die hohe Anzahl an Nebenprodukten sowie die energieintensive Abtrennung des
Butanols wirtschaftlich ins Gewicht (Green, 2011). Zusätzliche Probleme bereiten die
schlechte genetische Zugänglichkeit sowie der sporenbildende Lebenszyklus der obligat
anaeroben gram-positiven Clostridien.
Neben diversen Ansätzen, welche entweder durch prozesstechnische Optimierung (Beimischung
von Glycerol (Vasconcelos et al., 1994) oder durch biotechnologische Eingriffe
(Mermelstein et al., 1993) versuchten, die Ausbeuten der klassischen ABE-Fermentation
zu erhöhen, gab es in den vergangenen Jahren vermehrt Versuche, die für die Butanol-
Synthese entscheidenden Enzyme heterolog in einfacher zugänglichen Organismen zu
exprimieren. Die Expression des Butanol-Synthesewegs aus Clostridium acetobutylicum
in Escherichia coli wurde 2008 erstmals von Inui und Atsumi et al. publiziert (Inui et
al., 2008; Atsumi et al., 2008a), die Expression dieser Gene in Saccharomyces cerevisiae
von Steen et al. (2008). Ein alternativer Ansatz, welcher die Synthese des Butanols an
den Aminosäurestoffwechsel koppelt, wurde von Shen und Atsumi et al. (Shen et al.,
2008; Atsumi et al., 2008b) vorgestellt. Bis heute konnten jedoch mit keinem dieser
Ansätze nennenswerte Butanolausbeuten erzielt werden.
Der im Rahmen dieses Projektes angestrebte Syntheseweg verläuft von Glucose über
15