Filamentous co-cultivation for the conversion of cellulose into pigmented antibiotics

• Filamentöse Ko-Kultivierung für die Umwandlung von Zellulose in Pigmentierte Antibiotika

Finger, Maurice; Büchs, Jochen (Thesis advisor); Agler-Rosenbaum, Miriam (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Der Bedarf an Naturprodukten wie Antibiotika ist größer denn je. Angetrieben durch aufkommende Antibiotikaresistenzen sind neue Produktionsverfahren von besonderem Interesse. Insbesondere filamentöse Ko-Kulturen bieten ein großes Potenzial für die Entdeckung neuer Naturprodukte oder die Intensivierung von Prozessen. Diesen Vorteilen steht jedoch eine im Vergleich zu axenischen Kulturen erhöhte Komplexität gegenüber, die die Nutzung von Ko-Kulturen aufgrund des fehlenden Prozessverständnisses erschwert.In dieser Arbeit wurde ein filamentöser Ko-Kultivierungsprozess mit dem zellulolytischen Pilz Trichoderma reesei RUT-C30 und dem Bodenbakterium Streptomyces coelicolor A3(2) für die Produktion von Naturprodukten entwickelt. Durch die Bereitstellung von Zellulose als primäre Kohlenstoffquelle wurde eine Abhängigkeit zwischen den Ko-Kultivierungspartnern geschaffen. Die Zellulose kann durch Zellulasen unter Freisetzung von löslichen Zuckern hydrolysiert werden. Zellulasen werden nur von T. reesei gebildet und sekretiert. Die Komplexität dieses Systems wurde durch den Einsatz von Online-Messtechnik mit hohem Durchsatz reduziert. Die Biomassebildung der Ko-Kultivierungspartner wurde individuell durch die Überwachung des Fluoreszenzproteins mNeonGreen in S. coelicolor und mCherry in T. reesei mit einem 48-Well-Mikrotiterplatten-System verfolgt. In Kombination mit den Informationen über die Sauerstofftransferraten wurde hieraus der Einfluss des Inokulationsverhältnisses, der Osmolalität und des spezifischen Leistungseintrags auf die Populationszusammensetzung erfolgreich abgeleitet. Die Ko-Kultivierung wurde von der Mikrotiterplatte in einen Rührkesselreaktor hochskaliert. Im Rührkesselreaktor wurde mit der Ko-Kultivierung auf Zellulosesubstrat ein mehr als 2-fach erhöhter Titer des pigmentierten Antibiotikums Actinorhodin im Vergleich zu Glukose-limitierten axenischen S. coelicolor Kulturen erreicht.Da die Substrataffinität ein kritischer Parameter in Kohlenstoff-limitierten Ko-Kulturen ist, wurde eine neue respiratorische Methode für die Abschätzung der Affinität entwickelt. Die Methode wurde eingesetzt, um die Affinität von Corynebacterium glutamicum und T. reesei für Glukose sowie die Affinität eines genetisch veränderten Gluconobacter oxydans für Fruktose zu bestimmen. Das Potenzial der Atmungsüberwachung wurde auch für Agar-Kulturen demonstriert. Anstelle einer visuellen Untersuchung wird ein objektiver Atmungsparameter für die Bewertung von Kultivierungen auf festen Medien verwendet. Die Methode wurde erfolgreich für diverse Anwendungen auf Agar demonstriert.Die vorgestellte Arbeit liefert wertvolle Erkenntnisse und Werkzeuge für die Entwicklung definierter filamentöser Ko-Kulturen, die bei der Herstellung neuartiger Naturprodukte helfen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik [416510]