What can we do with smut? Organic acid production from glycerol with Ustilaginaceae

Aachen / Apprimus Verlag (2017) [Buch, Doktorarbeit]

Seite(n): XV, 132 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Der schnell wachsende Bedarf an Energie und Treibstoffen hat zusammen mit dem steigenden Bewusstsein für die schädlichen Auswirkungen fossiler Brennstoffe die Forschung nach erneuerbaren Alternativen, wie Biodiesel, hervorgerufen. Der Produktionprozess von Biodiesel resultiert jedoch in einem enormen Abfallstrom an Rohglycerin, wodurch der ökonomische und ökologische Vorteil geschmälert wird.Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es, einen Produktionsprozess für organische Säuren aus Glyzerin mit Ustilaginaceen zu etablieren. Die Biodiversität innerhalb dieser Familie ist gut bekannt und ein Screening von 126 Ustilaginaceen lieferte zwei vielversprechende Kandidaten für die organische Säureproduktion – Ustilago trichophora für Malat und U. vetiveriae für Itakonat. Durch adaptive Laborevolution wurden sowohl die Glyzerinaufnahme als auch die Wachstumsrate beider Stämme verbessert. Anschließend konnte durch Selektion der bestwachsenden Einzelkolonien für jeden Stamm und Medium und Prozessoptimierung die Produktionswerte drastisch verbessert werden.Der Itakonsäuretiter von U. vetiveriae TZ1 wurde auf 35 g L 1 erhöht, welche mit einer Rate von 0.09 g L 1 h 1 produziert wurden. Gleichzeitig wurden 60 g L 1 Malat gebildet. In ersten Ansätzen des „metabolic engineering" durch Überexpression des mitochondrialen Transporters Mtt1 und des Regulators für das Itakonsäurecluster Ria1 aus U. maydis, konnte die Produktion zu Gunsten von Itakonat verschoben werden, wobei der Titer auf das 1,5 fache bzw. 2,0 fache erhöht wurde. Gleichzeitig wurde der Malattiter drastisch um 96 %, bzw. 61 % gesenkt.Für U. trichophora TZ1 wurde der Malattiter auf fast 200 g L 1 erhöht, welche innerhalb von 264 h produziert wurden, wobei eine maximale Produktionsrate von 1.53 g L 1 h 1 erreicht wurde. Da bisher wenig über diesen obskuren U. trichophora Stamm bekannt war, wurden potentielle, native Zielgene für das anschließende „metabolic engineering“ durch de novo Genomsequenzierung identifiziert. Zur Verbesserung der Malatproduktion mit U. trichophora TZ1 wurden bereits existierende U. maydis Werkzeuge, wie Antibiotikamarker und Promotoren untersucht und angepasst. Durch Anwendung dieser Werkzeuge wurden Überexpressionsmutanten für zwei verschiedene Malatdehydrogenasen (Mdh1 und Mdh2), die Pyruvatcarboxylase (Pyc) und zwei unterschiedliche Malattransporter (Ssu1 und Ssu2) erstellt. Während die Überexpression der Pyc die Malatproduktion nicht verbesserte, zeigten die Überexpressionen von Mdh1 und Mdh2 und von den beiden Malattransportern Ssu1 und Ssu2 im Vergleich zur Referenz U. trichophora TZ1 eine bis zu 38 % erhöhte Malatproduktionsrate und eine bis zu 54 % erhöhte Ausbeute in Schüttelkolben. In Bioreaktoren konnte keine erhöhte Produktionsrate für die Überexpressionsmutante von Ssu2 beobachtet werden. Jedoch zeigte dieser Stamm aufgrund einer drastisch reduzierten optischen Dichte eine 29 % erhöhte spezifische Produktionsrate. Zusätzlich wurde die Produktausbeute um das 1,4 fache erhöht. Diese Ergebnisse stärken deutlich die Anwendbarkeit von Ustilaginaceen als industriell wertvolle Produktionsorganismen. Durch diese Valorisierung von Rohglyzerin wird das gesamte Biodiesel Bioraffinerie Konzept sowohl ökonomisch als auch ökologisch verbessert.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Zambanini, Thiemo

Gutachterinnen und Gutachter

Blank, Lars Mathias
Schirawski, Jan

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-86359-492-3
  • REPORT NUMBER: RWTH-2017-02718