Itaconic acid production by ustilago maydis

  • Itakonsäureproduktion von Ustilago maydis

Geiser, Elena; Blank, Lars M. (Thesis advisor); Bölker, Michael (Thesis advisor)

1. Aufl.. - Aachen : Apprimus-Verl. (2015, 2015)
Buch, Doktorarbeit

In: Applied microbiology 1
Seite(n)/Artikel-Nr.: XIII, 131 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Kurzfassung

Das Hauptziel dieser Arbeit war die Etablierung von Ustilago maydis als alternativen Ganzzell-Biokatalysator zur Biosynthese von Itaconsäure aus erneuerbaren Substraten, wie zum Beispiel Cellulose oder Hemicellulose. Da die mikrobielle Produktion von biotechnologisch wertvollen und bedeutenden Chemikalien stark durch die Medienzusammensetzung beeinflusst wird, ist diese ein integraler Bestandteil der biotechnologischen Prozessentwicklung. Aus diesem Grund wurde eine neue Medienzusammensetzung (modifiziertes Tabuchi Medium) für die Itaconsäureproduktion mit Ustilaginaceae entwickelt. Dieses modifizierte Tabuchi Medium beinhaltet 50 g L-1 Glukose, 0.8 g L-1 NH4Cl, 0.2 g L-1 MgSO4•7H2O, 0.01 g L-1 FeSO4•7H2O, 0.5 g L-1 KH2PO4, 1 mL L-1 Vitaminlösung, 10 mL L-1 Spurenelementlösung und als Puffer 19.5 g L-1 2-(N-Morpholino)ethansulfonsäure (MES). Dadurch werden die Nachteile, wie geringe Reproduzierbarkeit und komplexe und unlösliche Medienkomponenten des Standard-Tabuchi Mediums umgangen, wodurch verlässliche physiologische Experimente ebenso wie Hochdurchsatzscreenings (HDS) ermöglicht werden.Um potenzielle neue, natürliche Biokatalysatoren für mögliche Plattformchemikalien, wie z.B. Itaconsäure, Malat oder Succinat, zu identifizieren, wurde in diesem Medium via HDS die Biodiversität der Pilzfamilie Ustilaginaceae (insgesamt 68 Ustilaginaceae aus 13 Spezies) untersucht, welche ein breites Spektrum in der Produktion von hochwertigen Chemikalien aufwies. Zusätzlich wurde der Einfluss der Pufferkonzentration (pH) auf die Säureproduktion untersucht. Ausgehend von diesem Screening wurde U. maydis MB215 als bestgeeignetster Itaconsäureproduzent ausgewählt und in Bioreaktorexperimenten näher charakterisiert. In diesen wurden Gesamtsäurekonzentration (Itaconsäure, Malat und Succinat) von 35 ± 4 g L-1 erzielt.Um die Verwendung von unbehandelten Biomassebestandteilen, wie Cellulose oder Hemicellulose, mit der Herstellung von wertvollen Plattformchemikalien, wie Itaconsäure, kombinieren zu können, wurde die Fähigkeit dieses Stammes Xylan abzubauen, untersucht. Dabei wurde die Endo-1,4-beta Xylanase UmXyn11A (um06350.1) von U. maydis, welche unter anderem für den Xylanabbau verantwortlich ist, identifiziert, charakterisiert und heterolog exprimiert. Des Weiteren wurden die geclusterten Gene (um05074 (cyp3), um05076 (tad1), um11777 (itp1), um11778 (adi1), um05079 (mtt1) und um05080 (ria1)) identifiziert, welche die für die Itaconsäureproduktion und möglicherweise deren Abbau verantwortlichen Proteine kodieren. Darauf basierend wurde ein neuer Stoffwechselweg für die Itaconsäurebiosynthese etabliert. Dieses Wissen wurde genutzt, um die Itaconsäureproduktion von U. maydis weiter zu erhöhen. Die Überexpression des Transkriptionsfaktors, welcher die Genexpression des Itaconsäure-Clusters reguliert, führte zu einer verdoppelten Itaconsäureproduktion. Mit der Identifizierung des Itaconsäure-Stoffwechselweges von U. maydis legt diese Arbeit den Grundstein für dessen weitere Optimierung und ist ein erster Schritt zur industriellen Anwendung.

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