Engineering of Scale-Down Bioreactor Setup: Deciphering Metabolic Phenotype of Corynebacterium glutamicum under Simulated Bioreactor Inhomogeneity

• Entwicklung eines Scale-Down Bioreaktor-Setups: Entschlüsselung metabolischer Phenotypen von Corynebacterium glutamicum in nachgestellten Bioreaktorinhomogenitäten

Limberg, Michael H.; Oldiges, Marco (Thesis advisor); Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor); Blank, Lars Mathias (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Erhöhte Produktionskosten aufgrund von Leistungseinbußen bei der Maßstabsvergrößerung vom Labor- in den Produktionsmaßstab gefährden die Wettbewerbsfähigkeit der industriellen Produktion von biotechnologischen Produkten. Das zentrale Problem bei der Skalierung von Produktionsprozessen ist die zunehmende Inhomogenität der Produktionsumgebung. Die Simulation solch inhomogener Produktionsbedingungen im Labormaßstab und die damit einhergehende Vorhersage von Produktionseinbußen, hat sich so zu einem entscheidenden Faktor bei der Bioprozessentwicklung entwickelt. Diese Arbeit, die im Themengebiet Scale-Down zu verorten ist, beschreibt ein flexibles und einfach zu parallelisierendes Bioreaktorkonzept zur Simulation von inhomogenen Prozessbedingungen. Das auf dem Prinzip der Kompartimentierung basierende System, besteht aus zwei parallel betrieben Rührkesselreaktoren (STR), welche miteinander verbunden, jedoch individuell regelbar sind. Um diesen Reaktortypus zu validieren, wurde dieser zunächst mit einem bereits etablierten Scale-Down Konzept, bestehend aus einer Kombination von STR und Strömungsrohr, verglichen. Trotz entgegengesetzter hydrodynamischer Profile, konnten in einem Corynebacterium glutamicum Modellprozess vergleichbare Wachstums- und Produktbildungsphänotypen, als Reaktion auf inhomogene Sauerstoffkonzentrationen, beobachtet werden. Im Folgenden wurden mit Erfolg standardisierte Scale-Down Verfahrensweisen, für die zielgerichtete Untersuchung kritischer Prozessparameter entwickelt und mit modernsten Methoden zur intrazellulären Quantifizierung von Metaboliten, Proteinen und Transkripten kombiniert. Dies ermöglichte eine umfassende Charakterisierung eines C. glutamicum basierten 1,5-Diaminopentan-Produktionsprozesses unter produktionsnahen Bedingungen. In dieser Scale-down Studie, bestehend aus 13 verschiedenen Kombinationen von Sauerstoff-, Substrat- und pH-Fluktuationen, bewies C. glutamicum ein hohes Maß an Robustheit gegenüber Sauerstoff- und Substratschwankungen. Das zentrale Schlüsselelement dieser Robustheit stellt die flexible Adaptionsfähigkeit des Zentralstoffwechsels, an die vorherrschende NAD+-Limitation dar. Die Bildung von L-Laktat, schafft dabei einen reversiblen extrazellulären Puffer für Kohlenstoff und Redoxäquivalente. Lediglich pH-Fluktuationen konnten die Produktivität von C. glutamicum nachhaltig beeinträchtigen. Speziell leicht saure Bedingungen unterbanden die beschriebene Adaption an eine sauerstofflimitierte Umgebung. Somit konnte der pH-Wert als einer der sensitivsten Parameter, bei der Maßstabsvergrößerung von C. glutamicum Prozessen, identifiziert werden. Trotz beschriebener Auffälligkeit bei pH-Schwankungen, konnte durch die systematische Untersuchung von Adaptionsmechanismen an inhomogen Prozessbedingungen, ein Ansatz für robustere Produktionsorganismen aufgezeigt werden.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Bioprozess-Analytik (FZ Jülich) [163820]
• Lehrstuhl für Computational Systems Biotechnology (FZ Jülich) [420410]