Metabolic Engineering hat in den letzten zwei Jahrzehnten erhebliche Verbesserungen der Produktion von Tryptophan in E. coli ermöglicht und somit zahlreiche Möglichkeiten für die Produktion von Tryptophan-Derivaten eröffnet. 5-Hydroxy-tryptophan (5HTP) und Serotonin sind zwei wichtige Beispiele hierfür, welche nicht nur im Hinblick auf ihren pharmazeutischen Wert bedeutend sind, sondern auch als Vorläufer anderer Moleküle dienen können. Hierzu gehören unter anderem Schlafzyklusregulatoren, Antimigräne-Medikamente, Sedativa, Antikonvulsiva, Medikamente zur Tumorbekämpfung, antimikrobielle Mittel, antivirale Mittel und viele weitere mehr. Gegenwärtig wird 5HTP hauptsächlich durch Extraktion aus der Pflanze Griffonia simplicifolia gewonnen; Serotonin wird durch chemische Synthese hergestellt. In beiden Fällen werden organische Lösungsmittel und hohe Temperaturen benötigt. Außerdem beginnt im Falle von Serotonin die chemische Synthese bei einem komplexen Molekül (5-Benzyloxyindol). Daher ist ein einfaches biotechnologisches Verfahren zur Herstellung dieser Verbindungen erwünscht. Diese Dissertation umfasst die Arbeiten hinsichtlich der Erweiterung des Tryptophan-Metabolismus‘ für die Produktion von 5HTP und Serotonin. Zu diesem Zweck wurde die Serotoninproduktion via Tryptamin oder 5HTP verglichen und analysiert. In beiden Fällen schien der Hydroxylierungsschritt einen Engpass darzustellen, da die Enzyme geringe Aktivität aufwiesen, wenn sie in E. coli exprimiert wurden. Ein weiterer Aspekt war die Notwendigkeit eines Kofaktors und eines entsprechenden Regenerations¬wegs. Die Entscheidung fiel zugunsten des Serotonin-Produktionsweg via 5HTP. Hierfür wurde eine aromatische Aminosäure-Hydroxylase aus Cupriavidus taiwanensis (CtAAAH) unter Verwendung eines in silico strukturbasierten Ansatzes ausgewählt. Mehrere substratpräferenzbestimmende Aminosäurereste wurden unter Verwendung von Sequenz-, phylogenetischer und funktioneller Divergenzanalyse vorhergesagt und ausgewählt. Ganzzellanalysen wurden mit dem Wildtyp und den Mutanten durchgeführt, um die Verschiebung der Enzympräferenz von Phenylalanin hin zu Tryptophan zu untersuchen. Alle Varianten erhöhten die Hydroxylierungsaktivität von Tryptophan zuungunsten von Phenylalanin. Die beste Variante, CtAAAH-W192F, wurde in einen Stamm mit inaktiviertem tryptophanase A-Gen und einem menschlichen Tetrahydrobiopterin (BH4)-Regenera-tions¬weg transformiert. Der resultierende Stamm war in der Lage, 2,5 mM 5HTP nach 24 Stunden in Medium mit Tryptophan zu synthetisieren. Nach dieser ersten rationalen Entwurfsrunde wurde ein zweiter semi-rationaler Ansatz ausgewählt, um die Effizienz des Enzyms zu verbessern. Ein intra-zellulärer Tryptophan-Konzentrationssensor wurde verwendet, um zwei unabhängige Varianten-sammlungen (Library) zu durchsuchen. Die besten Varianten aus jeder Library wurden kombiniert, um CtAAAH-LC zu erzeugen. Diese Doppelmutante zeigte eine erhöhte Aktivität und Reaktions-geschwindigkeit als ihr Vorgänger. CtAAAH-LC wurde in einen Tryptophan-Produzentenstamm (S028) mit zuvor hinzugefügtem Pterin-Regenerationsweg transformiert (Pterin ist ein Kofaktor, der während der Hydroxylierung verbraucht wird). In diesem Fall wurde 5HTP aus Glukose synthetisiert. Tryptophan-Decarboxylase (TDC) wurde in den 5HTP-Produzentenstamm eingebaut, um Serotonin aus Glukose zu erzeugen. Allerdings war die Serotoninproduktion niedrig und es wurden unerwünschte Nebenreaktionen identifiziert. Ein zweistufiges System wurde entwickelt, um dieses Problem zu überwinden. Hierdurch wurden die 5HTP-Produktion und die Serotonin-Umwandlung voneinander getrennt. In dieser Arbeit werden Ergebnisse mit der bisher höchsten berichteten biotechnologisch hergestellten Konzentration von 5HTP gezeigt. Zu diesem Zweck wurde Protein-Engineering an CtAAAH durchgeführt und ein neuer Syntheseweg in E. coli implementiert. Anschließend wurde Serotonin mittels Decarboxy-lierung von 5HTP in einer zweiten Fermentation produziert. Dies ist der erste Bericht einer Serotoninproduktion aus Glukose. Das Verfahren kann durch Kombination der Hydroxylierungs- und Decarboxylierungsreaktion in einem Stamm weiter optimiert werden. Die TDC-Selektivität kann in Richtung 5HTP zuungunsten von Tryptophan verschoben werden. Hierfür ist die Entwicklung eines neuen 5HTP-sensitiven Biosensors entscheidend.