Techn. Universiẗat, Diss., 2005--München.

In der vorliegenden Arbeit wurden Studien zur bakteriellen Biotransformation von N Alkyl- sowie N,N Dialkylarylaminen mit dem Ziel der arylischen Hydroxy-lierung und N-Dealkylierung durchgeführt. Bodenproben wurden einem Screening-Verfahren unterworfen, um selektiv nach Mikroorganismen zu suchen, die zu den genannten Biotransformationen fähig waren. In einem Screeningverfahren wurden unter Verwendung von N-Ethyl-N methyl-anilin als Standardsubstrat aus Boden-proben Mikroorganismen isoliert und auf ihre Fähigkeit zur Biotransformation überprüft. Einer der isolierten Stämme setzte das zugeführte Substrat effizient und reproduzierbar zu drei Hauptprodukten um. Deren Strukturaufklärung erfolgte mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) sowie anhand ein-dimensionaler NMR-Experimente (1H-NMR und 13C-NMR). Identifiziert wurden zwei hydroxylierte Produkte, N Ethyl-N-methyl-2-aminophenol und N-Ethyl-N-methyl-4-aminophenol, ferner wurde N-Ethylanilin, das N Demethylierungsprodukt gebildet. Die Identitäten wurden durch synthetisierte Referenzsubstanzen bestätigt. Die phänotypische und genotypische Charakterisierung dieses Bodenisolates als Bacillus megaterium erfolgte mittels mikroskopischer und färbetechnischer Methoden sowie der 16S rDNA-Sequenzierung. Zur eindeutigen Zuordnung wurde eine DNA/DNA-Hybridisierung gegenüber dem Bacillus megaterium Type-strain (DSM 32, ATCC 14581t) durchgeführt. In einem erweiterten Substratscreening wurden die strukturellen Voraussetzungen zur Biotransformation von N-Alkyl- und N,N Dialkylarylaminen durch Bacillus megaterium ermittelt. Ausführlich sind Sub-stituenteneffekte in Bezug auf Hydroxylierung und N-Dealkylierung untersucht worden. Sperrige und räumlich große Substrate wie N,N,N´,N´-Tetramethyl-p,p´ benzidin als auch N,N,N´,N´-Tetramethyl-p-benzidin wurden nicht hydro-xyliert; allerdings fand bei beiden Substrate eine N-Demethylierung statt, wobei das Erstere stärker N demethyliert wurde. Der Effekt des Austausches von Stickstoff gegen Phosphor in einigen Substraten wurde ebenfalls untersucht. So kamen Dimethylphenylphosphin und Diethylphenylphosphin mit Bacillus megaterium zur Anwendung. Phosphor-haltige Substrate wurden von B. megaterium nicht umgesetzt. Durch Versuche mit verschiedenen Induktoren und Repressoren wurde die Cytochrom-P-450-Aktvität des isolierten Bacillus megaterium bei der Bio-transformation von N,N-Diethylanilin untersucht. Hierbei wurde gezeigt, dass durch bestimmte Barbiturate die arylische Hydroxylierung als auch die N Deethylierung gesteigert wurden. Repression der Hydroxylierungs- und N Dealkylierungsaktivität zeigte sich durch Metyrapon, n-Octylamin, Pyridin und Imidazol. Die von Bacillus megaterium durchgeführte N-Demethylierung von N,N Dimethylanilin sowie N-Ethyl-N-methylanilin wurde im Hinblick auf Formaldehydbildung untersucht. Dies erfolgte im Inkubationsmedium direkt in-situ, mittels Cysteamin-Zugabe in das Medium, mit Umsetzung zu Thiazolidin. Anhand von Inkubationsversuchen mit den stabil-isotopenmarkierten Substraten N,N-Di-(trideuteromethyl)-anilin und N-Ethyl-N (trideuteromethyl)-anilin sowie N,N-Di-[methyl-13C]-anilin und N-Ethyl-N [methyl-13C]-anilin wurde anhand der Massenspektren der gebildeten Thiazolidine eindeutig festgestellt, dass die Methylgruppe als Formaldehyd abgespalten wird. Das Potential von Bacillus megaterium zur N-Dealkylierung wurde zur mikrobiellen N Demethylierung von natürlichem N-Methyl-methyl-anthranilat genutzt. Dadurch wurde der natürliche Aromastoff Methylanthranilat gewonnen. Zur Optimierung der bakteriellen Biotransformation von N-Methyl-methyl-anthranilat zu Methylanthranilat wurden in Bezug auf Wachstumsmedium, Inkubationstemperatur, pH-Wert des Inkubationsmediums sowie Substrat-konzentration verschiedene Variationen durchgeführt. Die antimikrobiellen Eigenschaften von N-Methyl-methylanthranilat und Methylanthranilat gegenüber Bacillus megaterium wurden durch Hemmhofbildung sowie der Bestimmung der Inhibierungskonzentration im Flüssigmedium nachgewiesen. Sowohl Substrat als auch Produkt erwiesen sich in den unterschiedlichen Tests als antibakteriell. Im Anschluß an Versuche zur Immobilisierung, die zu geringeren Ausbeuten führten, erfolgten schließlich Umsetzungen im Bioreaktor. Hierbei ließen sich die bei den Schüttelkulturen erhaltenen Ergebnisse direkt proportional auf den Fermenter übertragen. / The goal of this study was to conduct the microbial biotransformation of N-alkyl- and N,N dialkylarylamines. Main objective was the arylic hydroxylation and N-dealkylation of this class of substrates. By this, microorganisms were isolated from topsoil and a selective screening process was started to search for microorganisms capable of con-ducting the biotransformations mentioned above. In a screening process and by the use of N-ethyl-N methylaniline as substrate, microorganisms of soil samples were isolated and proven of their ability to biotransformate N-ethyl-N-methylaniline. One isolate showed three biotransformation products. Structure determination was done by gaschromatography-masspectrometry (GC-MS) and nuclear magnetic resonance experiments (1H-NMR and 13C-NMR). N-ethyl-N-methylaniline was biohydroxylated to N-ethyl-N-methylaniline-2-aminophenol and N ethyl-N-methyl-4-aminophenol, N demethylation of N-ethyl-N-methyl-aniline afforded N-ethylaniline. The soil isolate was characterized and identified phenotypical and genotypical by colour reactions and the standard 16S rDNA method being Bacillus megaterium. To complete the assignment of the isolate to the species Bacillus megaterium, DNA/DNA-hybridization analysis against the Bacillus megaterium type strain (DSM 32, ATCC 14581t) was conducted. In an extended substrate screening, structural properties for a successful bio-transformation of N-alkyl- and N,N-dialkylarylamines by Bacillus megaterium were investigated. Substituent influences were proven in a further substrate screening regarding hydroxylation as well as N-dealkylation. Bulky and large substrates like N,N,N´,N´-tetramethyl-p,p´-benzidine and N,N,N´,N´-tetramethyl-p-benzidine were not hydroxylated by the microorganisms. But, N-demethylation was observed whereas the first one was more accepted. Exchange of nitrogen against phosphorus by using dimethylphenylphosphine and diethylphenylphosphine as substrates finally stopped all biotransformation activity of Bacillus megaterium. Neither arylic hydroxylation nor P dealkylation occurred. Trials to influence the bacterial activity towards the substrate N,N-diethylaniline, elicitors and inhibitors were used to affect cytochrome-P-450. Certain barbiturates clearly increased arylic hydroxylation as well as N dealkylation. Repression of these metabolites was shown by metyrapone, pyridine, n-octylamine and imidazole. N-demethylation reaction of Bacillus megaterium was further investigated for a detection of formaldehyde. Formaldehyde, built after N-demethylation of N,N dimethylaniline or N ethyl-N-methylaniline, was caught by added cysteamine and derivatized to thiazolidine. Incubation of the stable isotope labelled substrates N,N-di-(trideuteromethyl)-aniline and N-ethyl-N-(trideuteromethyl)-aniline as well as N,N-di[methyl 13C]-aniline and N-ethyl-N-[methyl-13C]-aniline and the resulting mass spectral fragmentations of the build labelled thiazolidines clearly stated that formaldehyde comes from methylgroups. Observed N-dealkylation reactions of Bacillus megaterium were used to produce the food flavour methyl anthranilate by microbial N-demethylation of N methyl methyl anthranilate. Several variations of the standard conditions were proven for the optimization of the bacterial biotransformation from N-methyl methyl anthranilate to methyl anthranilate: incubation temperature, pH-value, substrate concentration and media. Antimicrobial activities of N-methyl methyl anthranilate and methyl anthranilate against Bacillus megaterium were tested by using the paper disc diffusion assay and determination of the minimum inhibitory concentration in liquid medium. Substrate as well as product exhibited antimicrobial activity in both tests. To improve the stability of Bacillus megaterium, bacterial cells were immobilized in sodium-alginate-globules resulting in very low yields of methyl anthranilate. Finally, as a summarization of all obtained methyl anthranilate results, an upscaling was done in the bioreactor in a direct proportional way.

Stuttgart, Univ., Diss., 2005.

Stuttgart, Univ., Diss., 2003.

Universiẗat, Diss., 2004--Düsseldorf.

Zugl.: Bonn, Univ., Diss.

Universiẗat, Diss., 2002--Stuttgart.

Zugl.: Dresden, Techn. Universiẗat, Diss., 2009.