Plastic monomer degradation - Engineering Pseudomonas putida KT2440 for plastic monomer utilization

Li, Wing Jin; Blank, Lars M. (Thesis advisor); Wierckx, Nick (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus (2019, 2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Applied microbiology 20
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (XVII, 162 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Kunststoffe sind robuste, allgegenwärtige und vielseitige Materialien, die unseren Alltag erleichtern. Aber diese Polymereigenschaften machen sie zu Fluch und Segen zugleich. Die Umweltauswirkungen von Kunststoffen sind immens und es gibt bislang nur wenige Strategien, um mit Kunststoffabfällen umweltfreundlich und wirtschaftlich umzugehen. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurde eine Strategie namens Bio-Upcycling entwickelt, die auf eine biotechnologische Umwandlung von Kunststoffabfällen wie PET und PU abzielt. Diese Polymere können durch Enzyme hydrolysiert werden, wobei Monomere wie Ethylenglykol (EG), 1,4-Butandiol (BDO) und Adipinsäure (AA) freigesetzt werden. Diese können von Mikroorganismen, wie dem biotechnologisch relevanten Pseudomonas putida KT2440, als Kohlenstoffquelle genutzt werden, um wertschöpfende Verbindungen herzustellen. Mit dieser Strategie können aus Kunststoffabfällen Wertstoffe hergestellt werden. Diese Arbeit soll es P. putida KT2440 ermöglichen, die Kunststoffmonomere EG, BDO und AA effizient zu metabolisieren. Da P. putida KT2440 nicht auf EG wachsen kann, wurde eine adaptive Laborevolution (ALE) durchgeführt, um die adaptierten Mutanten zu isolieren. Genom-Resequenzierung und Reverse Engineering zeigten, dass die Deletion eines Regulators, gclR, ausreichte, um Wachstum auf EG zu ermöglichen. Die Deletion von zwei zusätzlich identifizierten Genen, PP_2046 und PP_2662, konnte dieses Wachstum weiter verstärken. Mit diesem Wissen wurde der EG-Metabolismus und seine Regulation in P. putida weiter enträtselt. Eine ähnliche ALE-basierte Strategie wurde angewendet, um das Wachstum von BDO zu verbessern und die zugrunde liegenden Abbauwege aufzuklären. Ziele wie PP_2046 wurden durch Genom-Resequenzierung identifiziert, und die Proteomanalyse lieferte Erkenntnisse über die Beteiligung von Dehydrogenasen. Mit der Überexpression des Operons PP_2047-51 wurden höhere Wachstumsraten erreicht. Weitere Charakterisierungen deuten darauf hin, dass BDO zumindest teilweise durch β-Oxidation metabolisiert wird. Der AA-Stoffwechsel wurde in P. putida durch Einführung der heterologen Gene dcaAKIJP aus Acinetobacter baylyi und anschließendem ALE ermöglicht. Darüber hinaus legt die Genom-Resequenzierungsanalyse einen hybriden AA-Stoffwechselweg nahe, an dem DcaAKIJP von A. baylyi in Kombination mit Teilen des nativen Phenylacetat-Abbaus und β-Oxidationswegen beteiligt ist. Zusätzlich dazu, dass P. putida KT2440 auf diesen Substraten individuell wachsen kann, wurde ein Stamm entwickelt, um alle drei dieser aus Kunststoff abgeleiteten Verbindungen zu metabolisieren. Somit legt diese Arbeit die Grundlage für das Bio-Upcycling von PET und PU und ist wegweisend für das rationelle Design eines konsolidierten Kunststoff-degradierenden Organismus.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie [161710]