Metabolische Stoffflussanalyse des Maisbrandpilzes Ustilago maydis zur Modellierung der Itakonsäureproduktion in einer kontinuierlichen Fermentation

Abstract:
Es wird erwartet, dass der zukünftige Weltenergiebedarf steigen wird, während die Verfügbarkeit an fossilen Rohstoffen sinkt. Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen des Exzellenzclusters „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“ der RWTH Aachen neue Synthesewege für auf Biomasse basierende Kraftstoffe untersucht. Als Plattformchemikalie für die direkte Fermentation grüner Biomasse wurde Itakonsäure ausgewählt, die vom Maisbrandpilz Ustilago maydis aus Glukose hergestellt wird. In dieser Diplomarbeit wird die Modifizierung und Erweiterung eines bestehenden metabolischen Modells für Ustilago maydis vorgestellt. Das Ziel dieser Arbeit ist, den Einfluss einer Stickstofflimitierung auf die Itakonsäureproduktion mit Ustilago maydis darzustellen. Für die Erweiterung des bestehenden Modells werden die Synthesewege der Aminosäuren, Nukleotide und von Chitin modelliert und somit die wichtigsten Träger von Stickstoff in Pilzen berücksichtigt. Die Reaktionsgleichungen des Aminosäuremetabolismus werden aufbauend auf einer vergleichenden Genomanalyse für Ustilago maydis entwickelt, während die Reaktionen der Nukleotid- und Chitinsynthese einem Modell für Aspergillus niger entnommen werden. Simulationen für unterschiedliche Substrataufnahmeraten zeigen, dass unter Stickstofflimitierung ein Überflussmetabolismus in der Zelle für die Herstellung unterschiedlicher Produkte, unter anderem Itakonsäure, verantwortlich ist. Das Modell ist somit in der Lage, die Ursache für die Itakonsäureproduktion zu erklären. Darüberhinaus kann mit Hilfe dieses metabolischen Modells das Verhalten von Ustilago maydis sowohl im stickstofflimitierten als auch im nicht stickstofflimitierten Medium gut simuliert werden.

Keywords:
Ustilago maydis, Itakonsäure, Stoffflussanalyse