Deep genome editing of Pseudomonas putida for rhamnolipid production using non-conventional substrates

Bator, Isabel; Blank, Lars M. (Thesis advisor); Jaeger, Karl-Erich (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Applied microbiology 24
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (XV, 184 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Biotenside, wie z.B. Rhamnolipide, sind wertvolle Produkte mit vielen möglichen Anwendungen. Aufgrund ihrer amphiphilen Struktur können sie in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. Das Gesamtziel dieser Arbeit war die Produktion von Rhamnolipiden aus nachwachsenden Substraten unter der Verwendung des nicht-pathogenen Pseudomonas putida KT2440, was zu einer nachhaltigen Bioökonomie beitragen würde. Es wurden verschiedene Substrate eingesetzt, die neue Einblicke in den jeweiligen Metabolismus ermöglichten. Um die Produktionskosten zu reduzieren, können lignocellulose-abgeleitete Substrate, wie Xylose und Galacturonsäure, genutzt werden. Während P. putida Galacturonsäure natürlich verwerten kann, führt das Nutzen von Xylose zu keinem Zellwachstum. Es wurden drei bakterielle Xylose-Stoffwechselwege eingebracht und die modifizierten Stämme wurden bezüglich ihres Wachstums und ihrer Produktion charakterisiert. Während der Einsatz der oxidativen Xylose-Wege zu einer höheren Biomasseproduktion und höheren Rhamnolipid-Titern führte, war die Produktausbeute für den Isomerase-Weg besser aufgrund der unterschiedlichen Stöchiometrien der Wege. Die Rhamnolipidproduktion aus Galacturonsäure war direkt effizient. Die Produktionsrate wurde jedoch durch Laborevolution gesteigert. Ethanol ist eine weitere nachhaltige Kohlenstoffquelle, da es mittels Mikroben aus lignocellulosehaltiger Biomasse hergestellt werden kann. Eine Laborevolution wurde durchgeführt, um einen Stamm mit hoher Wachstumsrate auf Ethanol bei erhöhten Konzentrationen zu erhalten. Genom-Resequenzierung und Genexpressions-Studien offenbarten ein Umsteuern des Metabolismus für eine kohlenstoffeffiziente Ethanolverstoffwechselung. Der resultierende Biotensidproduzent wurde in einem Fed-Batch Prozess eingesetzt, bei dem das wasserlösliche Ethanol als Kohlenstoffquelle und Entschäumer diente. Dieser einzigartige Aufbau ermöglichte eine Biotensidproduktion von über 5 g/L innerhalb eines Tages mit einer großartigen Raum-Zeit-Ausbeute von 0.23 g/L/h. Zusätzlich wurde P. putida KT2440 modifiziert, um genomreduzierte Chassis durch die gezielte Entfernung von überflüssigen Elementen oder Prozessen zu generieren. Einige Deletionen führten zu einer um 66% gesteigerten Rhamnolipidproduktion. Da die Zufuhr von Vorläufermolekülen als möglicher Engpass galt, wurde die Überexpression der Phosphoglucomutase und des Rhamnose-Operons durchgeführt. Die Kombination der reduzierten Chassis und der Überexpression konnte die Rhamnolipidproduktion weiter auf bis zu 94% steigern. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit deutlich, dass die Rhamnolipidproduktion aus nachwachsenden Substraten realisierbar ist. Des Weiteren wird der Einsatz von P. putida KT2440 als mikrobielle Zellfabrik in industriellen Prozessen demonstriert. Eine Kombination der verbesserten Chassis und der Verwendung eines beliebigen nachwachsenden Lignocellulose-abgeleitetem Substrat wird wahrhaftig dazu beitragen einen wettbewerbsfähigen Produktionsprozess zu etablieren.

Einrichtungen

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