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Titel: Development of a Whole Cell Fermentation Process for Glycosylation of Small Molecule Flavonoids
Sonstige Titel: Entwicklung eines Fermentationsprozesses zur Glykosylierung von Flavonoiden
Sprache: Englisch
Autor*in: Heyer, Tanja Vanessa
Erscheinungsdatum: 2019
Tag der mündlichen Prüfung: 2019-11-08
Zusammenfassung: 
Flavonoids are known to have multiple beneficial effects on human health. These make them desired compounds as bioactives, e.g. in cosmeceutical products. The glycosylation of flavonoids has positive impact on their solubility, bioavailability, and stability and is furthermore able to improve their physiological effects. In this study, flavonoid glycosides were produced in a whole-cell biocatalytic process in Escherichia coli by directed transfer of activated sugar residues to hydroxy groups of the polyphenolic scaffold within an enzymatic reaction by use of glycosyltransferases.
The goal of this work was the development and optimization of the production process for glycosylated flavonoids in gram-scale, comprising the upstream (USP) and downstream (DSP) processing. Metagenome-derived glycosyltransferase GtfC and the glycosyltransferase GtfD from Dyadobacter fermentans were used for production of two promising flavonoid-rhamnosides as active ingredients in cosmetics: hesperetin-5-O-rhamnoside, a candidate for anti-aging, and naringenin-5-O-rhamnoside, a candidate for hair growth.
First optimizations were achieved by high cell density fermentation in a fed-batch process with addition of glucose feed for cell growth as well as for the glycosylation itself. Further a repeated fed-batch fermentation process with exchange of the culture medium was established to feed the polyphenol step by step in small amounts after complete biotransformation of the first added amount, due to the fact that polyphenols are highly insoluble in water and high amounts could be toxic to the cells. First improvements of the process, e.g., from low to high cell density and repeated feeding of the polyphenol in several batches already increased the production yield by a factor of 5 to 10. The choice of the glycosyltransferase had a great impact on the production. The productivity and the product spectrum varied according to the different glycosyltransferases. Naringenin biotransformation with GtfD showed more than twice as high naringenin-5-O-rhamnoside titer than with GtfC and biotransformation of hesperetin with GtfD resulted in a complete different product spectrum with 30-fold higher hesperetin-5-O-rhamnoside production.
Another goal within this work was to improve the membrane transport of flavonoid-glycosides out of the cell. Accumulation of flavonoid-glycosides in the cells can be a limiting factor in the production. The export from the cells could be increased by overexpressing of the outer membrane protein TolC and an 8-fold higher production titer of naringenin-5-O-rhamnoside could be achieved.
For purification of flavonoid-rhamnosides a DSP consisting of a tangential flow filtration for cell removal, followed by a solid phase extraction with reversed-phase material for further separation of the hydrophobic glycosides from the complex culture supernatant, and a crystallization process was developed. The products could be received as a white amorphous powder.

Flavonoide besitzen eine Vielzahl gesundheitsfördernder Eigenschaften für den Menschen, was sie zu gefragten Inhaltsstoffen für u.a. kosmetische Produkte macht. Die Glykosylierung von Flavonoiden kann dessen Eigenschaften wie die Löslichkeit, Bioverfügbarkeit und Stabilität positiv beeinflussen und sie zusätzlich in ihrer physiologischen Wirkung verbessern.
In dieser Arbeit wurden Flavonoid-Glykoside in einer Ganzzellkatalyse in Escherichia coli Zellen mittels Glykosyltransferasen hergestellt, die in einer enzymatischen Reaktion aktivierte Zuckerreste an die freien Hydroxylgruppen der Flavonoide übertragen.
Das Ziel der Arbeit war die Entwicklung und Optimierung eines Produktionsprozesses, bestehend aus Up-Stream-(USP) und Down-Stream-Prozess (DSP), für die Produktion von glykosylierten Flavonoiden im Gramm-Bereich. Dafür wurden eine Metagenom-basierte Glykosyltransferase GtfC und die Glykosyltransferase GtfD aus dem Bakterium Dyadobacter fermentas verwendet und zwei vielversprechende Flavonoid-Rhamnoside als potenzielle Kosmetikinhaltsstoffe produziert: das Hesperetin-5-O-rhamnosid im Bereich Anti-Aging und das Naringenin-5-O-rhamnosid als Kandidat für Haarwachstum. Erste Optimierungen wurden mit einer Hochzelldichtefermentation im Fed-Batch Prozess durch Zugabe eines Glucose-Feeds erzielt, der zu einem verbesserten Zellwachstum und höheren Ausbeuten bei der Glykosylierung führte. Weiterhin wurde ein Repeated-Fed-Batch Prozess entwickelt, bei dem nach jedem Batch ein Mediumwechsel durchgeführt wurde und die vorherige Menge des Ausgangsstoffs nach vollständiger Umsetzung erneut zugegeben wurde. Dies ist von Vorteil, da Polyphenole schwer wasserlöslich sind und in hohen Konzentrationen für die Zellen toxisch sein können. Die ersten Verbesserungen am Prozess, die durch hohe Zelldichten und mehrere hintereinander folgende Batches im Repeated-Batch Verfahren erreicht werden konnten, führten bereits zu einer Steigerung der Produktausbeute um den Faktor 5 bis 10. Einen großen Einfluss auf die Produktion hatte die Wahl der Glykosyltransferase, aufgrund der unterschiedlichen Produktivität und der Produktspektren von GtfC und GtfD bei der Umsetzung von Naringenin und Hesperetin. Mit GtfD konnten doppelt so hohe Konzentrationen an Naringenin-5-O-rhamnosid erreicht werden wie mit GtfC und bei der Umsetzung von Hesperetin zeigte GtfD ein komplett anderes Produktspektrum als GtfC mit einer 30-fach höhere Konzentration des Hesperetin-5-O-rhamnosids.
Ein weiteres Ziel im Rahmen dieser Arbeit war es, den Membrantransport der gebildeten Flavonoid-Glykoside aus der Zelle heraus zu verbessern. Eine Akkumulierung des Produktes in der Zelle wirkt sich inhibierend auf die Glykosylierung aus. Durch die Überexpression des Membrantransporters TolC konnte die Produktausbeute des Naringenin-5-O-rhamnosids um ein 8-Faches gesteigert werden.
Für die Aufarbeitung der produzierten Flavonoid-Rhamnoside wurde ein DSP entwickelt, der aus einer Tangential-Fluss-Filtration zur Zellabtrennung, einer Festphasenextraktion mit Umkehrphase für die weitere Aufreinigung der hydrophoben Glykoside aus dem komplexen Kulturüberstand und einem Ausfällungsprozess besteht. Das Endprodukt ist ein amorphes weißes Pulver.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/6101
URN: urn:nbn:de:gbv:18-101508
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Streit, Wolfgang (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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