In Situ O₂ Generation for Biocatalytic Oxyfunctionalization Reactions

Abstract

O2‐dependent whole‐cell bioprocesses, such as C−H oxyfunctionalizations, are constrained by technically limited O2 mass transfer and biocatalyst‐inherent O2 respiration. In large‐scale bioprocesses, this restricts the maximum achievable productivity to 5.6 gproduct L−1 h−1 assuming a resting cell concentration of 9.4 gCDW L−1. This concept paper discusses strategies to enhance the O2 availability for biocatalytic oxyfunctionalizations with a focus on the in situ generation of O2 from water. This promising approach was addressed recently by the exploitation of microbial photosynthesis for light‐driven C−H oxyfunctionalization. Via intracellular O2 evolution, phototrophic biocatalysts increase the maximum achievable productivity well beyond technical boundaries. This fundamental advantage over O2‐respiring biocatalysts now awaits scale‐up evaluations, combining established cultivation technologies for phototrophic organisms with bioprocessing techniques for heterotrophic organisms.

Anaerobic C–H Oxyfunctionalization: Coupling of Nitrate Reduction and Quinoline Hydroxylation in Recombinant Pseudomonas putida

“…In this study, we showed that Mo hydroxylase‐based whole‐cell biocatalysts enable complete anaerobic carbon oxyfunctionalization when coupled to alternative respiration schemes such as nitrate respiration. For aerobic cultivations and biotransformations, O 2 mass transfer at high rates is crucial, especially when oxygenase catalysis is involved . In scale‐up, O 2 mass transfer becomes a critical factor that, on the one hand, limits applicable biocatalyst concentrations and performance and, on the other hand, causes safety issues and increased energy costs.…”

Artificial Light‐Harvesting Complexes Enable Rieske Oxygenase Catalyzed Hydroxylations in Non‐Photosynthetic cells

“…Next to linking photochemistry to enzymes in vitro for cofactor regeneration, autotrophic and chemolithoautotrophic organisms have recently received attention as they are capable of utilizing inorganic compounds as electron donors . Light‐driven whole‐cell reactions in cyanobacteria show the same reaction rates as E. coli . Yet, the strong absorption of the photosynthetic apparatus lead to self‐shading of the cells at high densities, thus resulting in a low light utilization and a reduced photosynthetic activity .…”

Artifizielle Lichtsammelkomplexe ermöglichen Rieske‐Oxygenase‐ katalysierte Hydroxylierungen in nicht‐photosynthetischen Zellen

“…Um diese Herausforderung zu lösen, werden derzeit viele alternative Ansätze in Betracht gezogen . Neben der Verknüpfung der Photochemie mit Enzymen in vitro zur Cofaktor‐Regeneration, haben autotrophe und chemolithoautotrophe Organismen in jüngster Zeit Aufmerksamkeit erhalten, da sie dazu in der Lage sind, anorganische Verbindungen als Elektronendonoren zu nutzen . Licht‐getriebene Ganzzellreaktionen in Cyanobakterien zeigen die gleichen Reaktionsgeschwindigkeiten wie E. coli .…”

“…[16][17][18] Neben der Verknüpfung der Photochemie mit Enzymen in vitro zur Cofaktor-Regeneration, [18][19][20][21][22][23][24] haben autotrophe und chemolithoautotrophe Organismen in jüngster Zeit Aufmerksamkeit erhalten, da sie dazu in der Lage sind, anorganische Verbindungen als Elektronendonoren zu nutzen. [25][26][27][28][29] Lichtgetriebene Ganzzellreaktionen in Cyanobakterien zeigen die gleichen Reaktionsgeschwindigkeiten wie E. coli. [26,27,29] Die starke Absorption des Photosyntheseapparats führt jedoch zur Selbstbeschattung bei hohen Zelldichten, was in einer geringen Lichtausnutzung und einer verringerten Photosynthese-Aktivität resultiert.…”

“…[25][26][27][28][29] Lichtgetriebene Ganzzellreaktionen in Cyanobakterien zeigen die gleichen Reaktionsgeschwindigkeiten wie E. coli. [26,27,29] Die starke Absorption des Photosyntheseapparats führt jedoch zur Selbstbeschattung bei hohen Zelldichten, was in einer geringen Lichtausnutzung und einer verringerten Photosynthese-Aktivität resultiert. [30] Andererseits bietet die Einführung einer künstlichen Photosynthese in heterotrophe Bakterien wie E. coli den Vorteil, dass ein genetisch einfach zu manipulierender Organismus verwendet werden kann und dass in den Zellen große Mengen lçslichen Proteins produziert werden kçnnen.…”