Exploring and exploiting yeast volatile metabolites

Mengers, Hendrik Gerhard; Blank, Lars M. (Thesis advisor); Jupke, Andreas (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: Applied microbiology 30
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Der Sinn "Geruch" kommt in Lebewesen aus allen Reichen vor. Hervorgerufen wird dies durch flüchtige organische Verbindungen, die in ihrer Gesamtheit Volatilom genannt werden. Saccharomyces cerevisiae ist einer der meistverwendeten Organismen der modernen Biotechnologie, wird aber auch schon seit den Anfängen der menschlichen Zivilisation für die Herstellung von Ethanol eingesetzt. Aber noch immer ist die Gasphase über Hefefermentationen schlecht untersucht. Das Ziel dieser Arbeit ist es, zu dem Wissen über unterschiedliche Aspekte des Hefevolatiloms beizutragen.CO2 ist, trotz des anhaltenden Kampfes gegen den menschengemachten Klimawandel, ein wenig beachteter Metabolit. Durch die Kombination einer Bioethanolfermentation und eines Ru-Katalysators in organischer Phase mit hohem H2-Druck wurdeCO2 in Formiat umgewandelt. Mit optimierten Prozessparametern konnten über26 % des Treibhausgases in nicht-flüchtiges, nicht-toxisches Formiat überführt werden, welches zusätzlich als C-Quelle verwendet werden kann. Ein häufiges Problem der Biotechnologie sind hohe Aufreinigungskosten, welche deutlich gesenkt werden könnten, wenn gezielt volatile Stoffe produziert würden. Ein hervorstechendes Beispiel ist Acetaldehyd mit einer weltweiten Produktion von über1 Mt/a, allerdings aus fossilen Rohstoffen. S. cerevisiae mit komplett deletierten Alkoholdehydrogenasen wurde benutzt um Acetaldehyd in Raten bis zu 100 mg/g/h in Fermentationen bis zu 750 mL zu produzieren. Da aufgrund des niedrigen Siedepunkts diese zwangsläufig mit der Abluft aus dem Reaktor getragen wird, wurden für diese in-situ-Trennung water traps entwickelt, um das Acetaldehyd aus dem Abgas abzufangen. Als neue Methode für die Analyse flüchtiger Stoffe wurde SESI-Orbitrap MS am Beispiel des hitzelabilen Metaboliten Allicin etabliert. Allicin ist die wichtigste Geschmackskomponente des Knoblauchs und wurde in der Gasphase über einer synthetischen Lösung, frisch gepresstem Knoblauch und in der Atemluft nach Knoblauchverzehrgemessen. Weiterhin wurden die Unterschiede verschiedener AlliumGewächse untersucht. Das komplette Volatilom wurde aus dem Abgas einer Hefefermenation mit einer Zeitauflösung von 0.4 Hz gemessen. Während das Ethanolsignal eine hohe Übereinstimmung mit Standardmessverfahren aufwies, wurde Acetaldehyd, als Beispielhoch-flüchtiger Metabolite mit sehr niedrigen Konzentrationen, mehrere Stunden früher gemessen. Über 200 Verbindungen konnten mit Summenformeln identifiziert werden, jede mit einem eigenen Intensitätsverlauf mit über 16,000 Messpunkten. Zwei metabolic shifts waren sichtbar und z.B. wurden mittelkettige Fettsäureethylester ausschließlich nach C-quellen Depletion produziert. Insgesamt konnten unterschiedliche Aspekte des Hefevolatiloms untersucht werden: die Vermeidung von unerwünschten flüchtigen Stoffen, die Überproduktion wertvoller flüchtiger Stoffe und die Suche nach neuen Methoden zur Analyse flüchtiger Stoffe,

Einrichtungen

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