14 Bioplastics by 203x8y1

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									Bioplastik
          Die Geschichte der Kunststoffe
                                http://de.wikipedia.org/wiki/Kunststoff

• Vorläufer in vielen Kulturen (Gummi, Bernstein, Tierhorn)
• Name: "Kunststoffe" - synthetische Polymere (1910, Dr. Ernst Richard Escales)

         1869             Celluloid                                       John Wesley Hyatt
         1912             PVC (Polyvinylchlorid)                          Fritz Klatte
(1838 erstmals erzeugt)
       1920-28            Theorien über den Aufbau von Kunststoffen       Hermann Staudinger
                          (Nobelpreis 1953)
         1930             Neopren                                         DuPont / USA
         1930             Polystyrol (Styropor)                           BASF, IG Farben
         1931             Polyethylen                                     ICI / UK
         1935             Polyamid (Nylon)                                DuPont / USA
         1937             Polyamid (Perlon)                               BASF, IG Farben
         1937             Polyurethan                                     BASF, IG Farben
         1938             Polytetrafluorethylen (Teflon)                  DuPont / USA
         1941             Polyethylenterephthalat (PET)                   Calico Printers / UK
         1951             Polypropylen                                    Philipps Petroleum / USA
         1953             Polycarbonat                                    Bayer
               Kunststoffe - Plastik

Thermoplaste       • lange lineare Moleküle   durch Erwärmung formbar
                     (nicht quervernetzt)




Duroplaste         • räumlich eng vernetzt    hart, spröde
                     (bei Verarbeitung)       bei Erwärmung nicht weich
                   • nicht reversibel



Elastomere         • weitmaschig vernetzter   flexibel
                     Kautschuk                bei Erwärmung nicht weich




        • seit 1950 setzen sich die Thermoplaste durch
          (2000: 15% Duroplaste)
Thermoplaste




   Polypropylen


         PET
                                    Kunststoffe
                          • 1910 - 1950: vom besonderen Ersatzstoff zum Massenprodukt
  Vorteile                       Weltproduktion                Pro-Kopf-Verbrauch
• formbar
• chemisch resistent             1949: 1 Mio. t                West-Europa: 92 kg
• +/- elastisch                  1976: 50 Mio. t               Nordamerika: 130 kg
• billig herzustellen            2003: 200 Mio. t              Afrika:        8 kg

                          • Plastikindustrie (US): $ 50 Milliarden/Jahr



  Problem:
• 20% aller Festabfälle (US) ≈ 25 Mio t/a
                                                  "Zeitalter des Plastiks"
• aus fossilen Brennstoffen hergestellt
              natürliche Polymere (Biopolymere)

                      • Zellulose       : Celluloid,
                                          Acetylcellulose

biologisch abbaubar   • Proteine        : Kunsthorn
"biodegradable"

nicht toxisch         • Kautschuk       : Gummi
"biocompatible"
                      • Stärke          : Stärkefolien
                                          Verpackungschips
                      • Mischpolymere

                      • Polyester (Bakterien) : PHB

                      • Polylactide (PLA); Polyglycolide (PGA)
                        (künstliche Polymerisation natürlicher Stoffe)
                  "Bakterielles Polyester"
                        PHA - Polyhydroxyalkanoate
• Poly-3-Hydroxybutyrat (PHB) 1926 von Maurice Lemoigne (Institut Pasteur)
  in Bacillus megaterium entdeckt




                  - Speicherstoff für Kohlenstoff und Energie
                  - intrazelluläre Körnchen, von Membran umgeben
                  - Polymerisierende & Depolymerisierende Enzyme
                         Polyhydroxyalkanoate

                                                R               O

                                        [ - O - CH - (CH2)n - C - ] 100-30000
 Eigenschaften
                                          PHA - Polyhydroxyalkanoate
• Thermoplaste
• "biodegradable"
• aus erneuerbaren Quellen verfügbar
• unlöslich in Wasser
• nicht toxisch
                                       "short":  scl-PHA (< C5)
                                       "medium": mcl-PHA (C5 - C14)
                                       "long":   lcl-PHA (> C14)
              Biosynthese von PHB
Ralstonia eutropha
                                      • häufigstes PHA
(Alcaligenes eutrophus)               • nicht wasserlöslich
>70% PHB im Trockengewicht




                             Phasin           Depolymerase
  Schlüsselenzym: PHA-Synthase




• katalysiert kovalente Verknüpfung aktivierter Vorstufen
  Substrat: (R)-3-Hydroxyacyl-CoA Thioester (3-14 C-Atome)

• 59 PHA-Synthasegene isoliert (hohe Homologie)

• 150 verschiedene Bausteine in PHA nachgewiesen
  PHA-Synthasen haben breite Substratspezifität
PHB-Cycle
Metabolische Verbindungen zum PHA Körnchen
              Anreicherung von PHAs




Pseudomonas putida
                     Maximum: 85-90% Trockengewicht
Extrazelluläre Anreicherung von PHAs
   Alcanivorax borkumensis




                                          Prieto (2007) J. Bacteriol. 189:289-290



                    einfacher & billiger zu isolieren!
                                       Bioplastik
  ICI (UK, 1975)      1982: BIOPOL™             A. eutrophus - Fermentation
                                           C-Quelle: Glukose/Saccharose (PHB)
                                                     + Propionsäure (PHV)
• Eigenschaften ähnlich dem PP
• PHB-Homopolymer: steif & brüchig
• Heteropolymer aus PHB und PHV (PHBV): flexibel (5-12% PHV)                    1990




• 1990er: Produktion: wenige 100 t/a
• 1996 Rechte an Monsanto verkauft                Problem: hoher Preis!
                                         BIOPOL: 6-7 $/ Pfund - PVC: 60 Cent/Pfund
        Kompostierung von PHB




PET   PHBV
PHA-Synthese in nicht-produzierenden
           Organismen

        1.) Gene zur PHA-Synthese einbringen



        2.) Expression der PHA-Synthesegene



 3.) Bereitstellung von Substraten für die PHA-Synthese
PHA-Produktion in Bakterien
                   PhaA: -Ketothiolase
                   PhaB: Acetoacetyl-CoA-Reduktase
                   PhaC: PHA-Synthase

                   PhaJ: (R)-specific Enoyl-CoA-Hydratase
                   PhaG: Hydroxyacyl-ACP:CoA Transacylase
           PHA-Produktion in Bakterien




• entscheidend: Synthese vom Propionyl-CoA - Vorläufer zur PHBV Synthese
 Vergleich PHA-Synthese in Bakterien /
          transgenen Pflanzen
Pflanzen


                                                            Bakterien
             90%                90%                   30%                  90%

Produktion         Isolierung         Verflüssigen,         Fermentation         Isolierung
von Stärke         von Stärke          Hydrolyse                                  von PHA


transgene
 Pflanzen

                                                      • höhere Ausbeute
             90%                                      • geringere Kosten
Produktion         Isolierung
 von PHA            von PHA
            Synthese von PHA durch gentechnisch
                     veränderte Pflanzen
Poirier, Dennis, Klomparens and Somerville (1992) Polybydroxybutyrate, a biodegradable thermoplastic, Science 256:520-523.
Akkumulation von PHA in transgenen A. thaliana




                     Chloroplast                Nukleus          Peroxisom
• 3-Ketothiolase endogen (Cytoplasma)
  Reduktase (phaB) & Synthase (phaC) transgen (R. eutropha)
  0,1% TG
• Transgenexpression schädlich für Pflanze (Zwergwuchs)
                                                                                 NOS-
                                                     35S 35S TPSS      phaB
                                                                     phaB
                                                                              NOS-
                                                                                 PolyA
                                                                              PolyA
• Expression in Plastiden (phaA, phaB, phaC):
  14% TG (Multigenvektor: bis 40%)                                               NOS-
                                                     35S 35S TPSS      phaA
                                                                     phaC
                                                                              NOS-
• geringe Chlorosen; z.T. Zwergwuchs                                             PolyA
                                                                              PolyA

                                                                                NOS-
                                                     35S      TPSS     phaC     PolyA
   Synthese des PHBV-Copolymers in Pflanzen
                                                                     (Monsanto)
           Arabidopsis thaliana


• Ausgangssubstanzen: Acetyl-CoA & Propionyl-CoA

• 4 Transgene                                             nicht in Pflanzen vorhanden!

• Expression: A. thaliana: 35S-Promotoren
                           RuBisCo-small-subunit Transit-Peptid (Chloroplasten)
                           2 Vektoren
                                                              • < 3% PHBV

modifiziert aus: Slater et al. 1999 Nature Biotechnol. 17:1011-1016.
Synthese des PHBV-Copolymers in Pflanzen

       Zu geringe Ausbeute für kommerziellen Erfolg!

                            Problem:
         • Pflanzen zeigen Zwergwuchs und Chlorosen
                     bei erhöhter Expression

  • PHBV-Synthese geht auf Kosten des normalen Metabolismus
          (vor allem bei cytoplasmatischer Synthese)

   • PHBV-Synthese interferiert z.T. mit Abläufen in der Zelle
            (besser bei Lokalisation in Plastiden)
   Synthese des PHBV-Copolymers in Pflanzen
                                                                     (Monsanto)
           Arabidopsis thaliana


• Ausgangssubstanzen: Acetyl-CoA & Propionyl-CoA

• 4 Transgene                                             nicht in Pflanzen vorhanden!

• Expression: A. thaliana: 35S-Promotoren
                           RuBisCo-small-subunit Transit-Peptid (Chloroplasten)
                           2 Vektoren
   Synthese des PHBV-Copolymers in Pflanzen
                                                                     (Monsanto)
           Arabidopsis thaliana, Brassica napus


• Ausgangssubstanzen: Acetyl-CoA & Propionyl-CoA

• 4 Transgene                                             nicht in Pflanzen vorhanden!

• Expression: A. thaliana: 35S-Promotoren
                           RuBisCo-small-subunit Transit-Peptid (Chloroplasten)
                           2 Vektoren

                B. napus: Samen-spezifische Promotoren (P-Lh; Hydroxylase; Lesquerella)
                          RuBisCo-small-subunit Transit-Peptid (Leukoplasten)
                          1 Vektor
                                  bis 7,7% Samen-Frischgewicht
                  bessere Baumwolle (?)
                                               GUS                Nile blue
E6/                   NOS-
           phaB       PolyA
FbL2A


                      NOS-
35S        phaC       PolyA


                      NOS-
35S        uidA       PolyA


  (Partikel-Bombardment)               John and Keller (1996) PNAS 93:12768-12773.




        • Faser-spezifischer Promotor (Faser ≈ 1 Zelle)
        • bis 0,3% (TG) PHB
        • verbesserte Wärmeeigenschaften der Baumwollfasern
        Die Zukunft des Bioplastiks


bis heute:   > 160 unterschiedliche Polyester mit
               Plastikeigenschaften beschrieben



rekombinante Mikroben:        Struktur
                              Eigenschaften
                              Anwendungsgebiete

								
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