Biokatalys innebär en betydande möjlighet att förbättra hållbarheten inom den kemiska industrin. Att använda enzymer för kemisk produktion är helt i linje med principerna för grön kemi och möjliggör en snabb, selektiv och avfallssnål syntes av värdefulla föreningar. Transaminaser, i synnerhet, erbjuder potential för selektiv, hållbar och ekonomisk aminproduktion. Flera utmaningar hindrar dock deras bredare industriella tillämpning. Denna avhandling undersöker transaminaset från Silicibacter pomeroyi (SpATA) och hur dess tillämplighet kan förbättras. 

En kritisk utmaning för transaminaser är deras stabilitet, eftersom det dimeriska enzymet lätt kan dissocieras, vilket leder till en total förlust av funktionalitet. Olika faktorer som påverkar stabiliteten hos SpATA undersöktes, vilket visade att valet av buffert, kofaktorkoncentration och ljusexponering har en betydande inverkan på enzymets stabilitet. Genom att optimera dessa förhållanden förlängdes halveringstiden för SpATA till över 700 timmar.

För storskaliga tillämpningar är det viktigt att enzymerna kan återanvändas på grund av de höga kostnaderna för enzymproduktion. Därför immobiliserades SpATA, tillsammans med tre andra transaminaser, på en bärare, vilket gav utmärkt återanvändbarhet utan någon aktivitetsförlust. Dessutom var SpATA:s användning i en flödesreaktor framgångsrik, vilket ytterligare visar på dess industriella potential.

För att förbättra hållbarheten hos transaminasreaktionen undersöktes användningen av den ”smarta amindonatorn” kadaverin. Höga utbyten av föreningen HMFA uppnåddes med användning av ekvimolära mängder kadaverin och HMF. För att förbättra processens ekonomiska lönsamhet utvecklades en in-situ kaskadreaktion med lysindekarboxylas och SpATA för produktion av kadaverin.

Sammanfattningsvis presenterar denna avhandling utvecklingen av en stabil, återanvändbar biokatalysator som kan uppnå höga produktutbyten, vilket avsevärt främjar tillämpningen av transaminaser i hållbara industriella processer.

Biocatalysis presents a significant opportunity to enhance the sustainability of the chemical industry. Using enzymes for chemical production aligns closely with the principles of green chemistry, enabling a rapid, selective and low-waste synthesis of valuable compounds. Transaminases in particular offer the potential for selective, sustainable, and economical amine production. However, several challenges hinder their broader industrial application. This thesis investigates the transaminase from Silicibacter pomeroyi (SpATA) and how its applicability can be improved. 

A critical challenge for transaminases is their stability, as the dimeric enzyme can readily dissociate, leading to a total loss of functionality. Various factors influencing the stability of SpATA were examined, demonstrating that buffer choice, cofactor concentration, and light exposure significantly impact enzyme stability. Optimising these conditions extended the half-life of SpATA to over 700 hours.

For large-scale applications, enzyme reusability is essential due to the significant cost of enzyme production. Therefore, SpATA, along with three other transaminases, was immobilised on a carrier, achieving excellent reusability without any loss of activity over five reaction cycles. Additionally, SpATA's application in a flow-reactor was successful, further demonstrating its industrial potential.

To enhance the sustainability of the transaminase reaction, the use of the “smart amine donor” cadaverine was investigated. High yields of the compound HMFA were achieved using equimolar amounts of cadaverine and HMF. To improve the economic viability of the process, an in-situ cascade reaction involving lysine decarboxylase and SpATA was developed for cadaverine production.

In summary, this thesis presents the development of a stable, reusable biocatalyst capable of achieving high product yields, significantly advancing the application of transaminases in sustainable industrial processes.

Biokatalyse bietet eine große Chance, die Nachhaltigkeit der chemischen Industrie zu verbessern. Die Verwendung von Enzymen für die chemische Produktion steht in engem Einklang mit den Grundsätzen der Grünen Chemie und ermöglicht eine schnelle, selektive und abfallarme Synthese wertvoller Chemikalien. Insbesondere Transaminasen bieten das Potenzial für eine selektive, nachhaltige und wirtschaftliche Aminproduktion. Ihre breitere industrielle Anwendung wird jedoch durch verschiedene Herausforderungen behindert. Diese Arbeit untersucht die Transaminase von Silicibacter pomeroyi (SpATA) und wie ihre industrielle Anwendbarkeit verbessert werden kann. 

Eine kritische Herausforderung für Transaminasen ist ihre Stabilität, da das dimere Enzym leicht dissoziieren kann, was zu einem vollständigen Verlust der Funktionalität führt. Es wurden verschiedene Faktoren untersucht, die die Stabilität von SpATA beeinflussen. Dabei zeigte sich, dass die Wahl des Puffers, die Kofaktorkonzentration und die Lichtexposition die Stabilität des Enzyms erheblich beeinflussen. Durch die Optimierung dieser Bedingungen konnte die Halbwertszeit von SpATA auf über 700 Stunden verlängert werden.

Für großtechnische Anwendungen ist die Wiederverwendbarkeit des Enzyms aufgrund der erheblichen Kosten der Enzymproduktion von entscheidender Bedeutung. Daher wurde SpATA zusammen mit drei weiteren Transaminasen auf einem Träger immobilisiert, wodurch eine hervorragende Wiederverwendbarkeit ohne Aktivitätsverlust erreicht wurde. Außerdem wurde SpATA erfolgreich in einem Durchflussreaktor eingesetzt, was sein industrielles Potenzial weiter unter Beweis stellt.

Um die Nachhaltigkeit der Transaminase-Reaktion zu verbessern, wurde der Einsatz des „intelligenten Amin-Donors“ Cadaverin untersucht. Unter Verwendung äquimolarer Mengen von Cadaverin und HMF wurden hohe Ausbeuten der Verbindung HMFA erzielt. Um die Wirtschaftlichkeit des Prozesses zu verbessern, wurde eine In-situ-Kaskadenreaktion mit einer Lysin Decarboxylase und SpATA für die Cadaverinproduktion entwickelt.

Zusammenfassend wird in dieser Arbeit die Entwicklung eines stabilen, wiederverwendbaren Biokatalysators vorgestellt, mit dem hohe Produktausbeuten erzielt werden können und der die Anwendung von Transaminasen in nachhaltigen industriellen Prozessen erheblich voranbringt.