Online analytics of pectic compound degradation in small-scale using $\textit Ustilago Maydis$

Müller, Markus Jan; Büchs, Jochen (Thesis advisor); Feldbrügge, Michael (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Im Sinne einer nachhaltigen Bioökonomie stellen pektinreiche Biomasseströme ein wertvolles Substrat dar. Besonders pektinhaltig sind z. B. Zitrusschalen, Apfeltrester oder Zuckerrübenschnitzel. Für einen effizienten Abbau muss der angewandte Organismus eine Vielzahl von Enzymen produzieren. Dies ist entscheidend für eine effiziente Verwertung der Pektinfraktion. Pektin besteht zum Großteil aus Galakturonsäure-Monomeren. Es kann nicht von etablierten Organismen wie <i>Saccharomyces cerevisiae</i> metabolisiert werden. Daher ist ein Mikroorganismus erforderlich, der gleichzeitig Pektin metabolisieren und hochwertige Produkte herstellen kann. Aufgrund seiner Komplexität ist die Analyse von Pektin jedoch herausfordernd. Daher sind neue Online-Überwachungssysteme für Bioprozesse erforderlich. Zunächst wurde ein Verfahren zur Bestimmung der verbleibenden Galakturonsäurekonzentration während des Wachstums von <i>Ustilago maydis</i> im Schüttelkolben entwickelt. Die Konzentration während der Kultivierung wurde basierend auf dem online gemessenen Gesamtsauerstoffverbrauch ermittelt und durch Offline-Probenahmen verifiziert. Anschließend wurde diese Methode auf komplexere, schwer zu quantifizierende Substrate ausgeweitet. Es wurde der Einfluss der Expression einer Exo-Polygalakturonase aus <i>Aspergillus tubingensis</i> auf das Wachstum auf Polygalakturonsäure untersucht. Durch Hinzufügen von Endo-Polygalakturonase exprimierenden <i>U. maydis</i>-Stämmen wurden anschließend Co-Kulturen untersucht. Auf Pektin und Zuckerrübenschnitzel wurden Co-Kulturen mit externen Enzymen supplementiert. Die Vorhersage der Restsubstratkonzentration basierend auf dem Gesamtsauerstoffverbrauch wurde etabliert und im Kleinkulturmaßstab validiert. Basierend auf dieser Methode wurde eine Co-Kultur von <i>U. maydis</i>-Stämmen identifiziert, die Endo- und Exo-Polygalakturonasen exprimieren und Polygalakturonsäure effizient metabolisieren kann. Durch die Supplementierung mit externen Enzymen konnte eine Metabolisierung von Zuckerrübenschnitzeln erreicht werden. Die vorgestellte Methode kann angewendet werden, um die verbleibende Konzentration von Komplexsubstraten abzuschätzen, die derzeit schwierig zu quantifizieren sind. Dies wird die Entwicklung konsolidierter Bioprozesse unterstützen.

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