Towards production of organic acids from industrial lignocellulosic substrates

Tenhaef, Niklas; Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor); Jupke, Andreas (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Ein entscheidender Treiber der Bioökonomie sind Bioprozesse, die wertschöpfende Produkte aus kosteneffizienten und nachhaltigen Substraten erzeugen. Lignocellulose ist ein solches Substrat. Zu dessen effizienter Nutzung bedarf es optimierter Mikroorgansimen und einer geeigneten Prozessführung. Hierbei liegt der Fokus insbesondere in der Verwertung des in Lignocellulose in großen Mengen enthaltenen Zuckers D-xylose. Um Corynebacterium glutamicum, ein industriell relevanter Mikroorganismus, für die Nutzung von Lignocellulose zu optimieren, wurde ein automatisiertes und miniaturisiertes Verfahren zur beschleunigten Laborevolution entwickelt. Dieses Verfahren wurde auf einen Stamm angewandt, der D-xylose über den Weimberg-Stoffwechselweg verwertet. Der resultierende adaptierte Stamm, genannt WMB2evo, zeigte eine erheblich gesteigerte Wachstumsrate. Eine Genomsequenzierung dieses Stammes ermöglichte es, mittels zielgerichteter genetischer Veränderungen weitere verbesserte Stämme zu entwickeln. Alle neuen Stämme wurden auf ihre Fähigkeit hin untersucht, mehrere Zucker gleichzeitig zu nutzen. Darüber hinaus belegte ein 13C-Markierungsexperiment die Funktionalität des Weimberg-Stoffwechselweges. Bioreaktorkultivierungen mit Sulfitablauge ließen erkennen, dass der Stamm WMB2evo in der Lage ist, Kohlenstoffquellen aus industriellen Hydrolysaten zu verwerten. Ergänzend wurden verschiedene Vorbehandlungsprozeduren getestet, unter anderem mit dem Ziel, beschleunigte Bioprozessentwicklung durch Kultivierung in Mikrotiterplatten zu ermöglichen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Stamm WMB2evo unter sauerstoffarmen Bedingungen die industriell relevanten organischen Säuren a-Ketoglutarsäure und Bernsteinsäure produziert. Um die Grundlagen für einen optimierten Prozess zu legen, wurden verschiedene Grade der Sauerstofflimitation und Varianten der Substratzufütterung getestet. In der Analyse der verschiedenen Stämme, die im Rahmen der Arbeit konstruiert wurden, zeigte sich, dass die Deletion des Gens iolR eine Akkumulation der Zuckersäure D-Xylonat bewirkt. Daraufhin wurden Produktionsprozesse mit dem Stamm C. glutamicum ΔiolR in definierten Medien realisiert, mit denen eine hohe Produktivität und hohe Titer erreicht wurden. Eine neuartige Kombination der enzymatischen Hydrolyse von Zuckerrohrbagasse und anschließender Kultivierung zeigte, dass solche Prozesse auch in Bioraffinerien eingesetzt werden könnten. Weiterhin ließ sich nachweisen, dass das native Enzym IolG eine Dehydrogenase-Aktivität gegenüber D-Xylose besitzt.

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