Engineering of Pseudomonas taiwanensis VLB120 for the sustainable production of hydroxylated aromatics

Wynands, Benedikt Niklas Daniel; Blank, Lars Mathias (Thesis advisor); Wierckx, Nick (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2019)
Buch, Doktorarbeit

In: Applied microbiology 12
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (XVII, 165 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Aromaten sind wertvolle Bulk- oder Feinchemikalien mit einer Vielzahl von Anwendungen. So werden sie beispielsweise zur Herstellung von Polymeren und Arzneimitteln verwendet. Daher besitzen sie eine große Bedeutung für die moderne Gesellschaft. Sie werden fast ausschließlich aus fossilen Rohstoffen gewonnen, womit viele Nachteile verbunden sind. Ein ganzzellkatalytischer Prozess zur Aromatenproduktion würde zu einer nachhaltigen Bioökonomie beitragen. Die Toxizität vieler Aromaten erschwert jedoch die mikrobielle Synthese, weshalb in früheren Studien oft nur geringe Ausbeuten erzielt wurden. Aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit und ausgeprägten Toleranzmechanismen stellen Pseudomonaden vielversprechende Wirte für die Produktion von Aromaten dar. Das Hauptziel dieser Dissertation bestand in der effizienten Herstellung hydroxylierter Aromaten via de novo-synthetisiertes Tyrosin, ausgehend von erneuerbaren Rohstoffen unter Verwendung des lösemitteltoleranten Bakteriums Pseudomonas taiwanensis VLB120 als Zellfabrik. Aufgrund seiner Toxizität und industriellen Bedeutung diente Phenol als erstes ausgewähltes Beispielerzeugnis. Durch das Integrieren einer Tyrosin-Phenol-Lyase sowie durch die intensive Manipulation des Stoffwechsels wurden ausgehend von Glukose und Glycerin hohe Phenolausbeuten erzielt. Für Glycerin wurde die höchste je ausgewiesene Ausbeute von 18,8% (Cmol/Cmol) in einem Minimalmedium ohne komplexe Additive erreicht. Das Einbringen weiterer Modifikationen in den Tyrosin-überproduzierenden Stamm erlaubte die Synthese von 4-Vinylphenol, für das Ausbeuten von bis zu 64,6% (Cmol/Cmol) erreicht wurden. Dies entspricht etwa 88% der theoretisch maximalen Ausbeute. Die extrem effiziente Produktion ging zu Lasten schlechten Wachstums des Produktionsstammes, was die volumetrische Produktionsrate limitierte. In weiterführenden Studien sollten daher im Rahmen einer Prozessoptimierung die Produktivität und Produkttiter erhöht werden. Neben der Stammentwicklung zur Aromatenproduktion wurden optimierte Chassis-Stämme durch die gezielte Deletion unnotwendiger und nachteiliger Zellelemente generiert. Das Megaplasmid pSTY, provirale Segmente und Flagellen- sowie Biofilm-assoziierte Gencluster wurden eliminiert. Dadurch wurde die Genomgröße bis zu 10% reduziert. Die erhaltenen Stämme zeigten verbesserte Leistungen einschließlich erhöhter Wachstumsraten und Biomasseausbeuten, was für viele Anwendungen vorteilhaft ist. Für eine prozessorientierte Verwendung hinsichtlich verschiedener Ausprägungen der Lösemitteltoleranz wurden Stämme generiert, die sich nur in der Expression der Lösemittel-Effluxpumpe TtgGHI unterscheiden und somit eine Auswahl gemäß des Chassis à la carte-Prinzips erlauben. Um von den Vorteilen dieser Stämme in Hinsicht auf Biokatalyse zu profitieren, wurden diese zur Herstellung von Phenol und 4 Vinylphenol modifiziert. Dadurch konnten der Produkttiter, die -ausbeute und die volumetrische Produktionsrate weiter gesteigert werden. Zusammenfassend hat diese Dissertation zum Gewinn grundlegender Erkenntnisse hinsichtlich metabolischer Synthesewege für Aromaten und der Lösemitteltoleranz in P. taiwanensis beigetragen. Dadurch wurde die Bedeutung von P. taiwanensis VLB120 und seiner genomreduzierten Chassis-Stämme für die industrielle Anwendung weiter gestärkt.

Identifikationsnummern

Downloads