Dokument: Shortcut to the carbon-efficient microbial production of chemical building blocks from lignocellulose-derived D-xylose
| Titel: | Shortcut to the carbon-efficient microbial production of chemical building blocks from lignocellulose-derived D-xylose | |||||||
| Weiterer Titel: | Abkürzung zur kohlenstoffeffizienten mikrobiellen Produktion von chemischen Bausteinen aus Lignocellulose-abgeleiteter D-Xylose | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=50094 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20190703-095839-5 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Dr. Brüsseler, Christian [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Bott, Michael [Gutachter] Prof. Dr. Jaeger, Karl-Erich [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | D-xylose, Corynebacterium glutamicum, Lignocellulosic Biomass, Weimberg pathway, alpha-ketoglutarate, D-xylonate | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | In Zeiten zunehmender Verknappung fossiler Rohstoffe, einer wachsenden Weltbevölkerung und dem fortschreitenden Klimawandel werden nachhaltigere Strategien benötigt, um den erreichten Lebensstandard zu erhalten und gleichzeitig die verfügbaren Ressourcen verantwortungsvoller zu nutzen. Die Bioökonomie stellt hier eine vielversprechende Strategie dar, da sie Petrochemie-basierte Prozesse durch erneuerbare, Biomasse-basierte Prozesse ersetzt. Zur Etablierung solcher großtechnischen mikrobiellen Produktionsprozesse auf Basis nachwachsender Kohlenstoffquellen werden Mikroorganismen mit einem breiten Substratspektrum benötigt. Zu diesem Zweck wurde das in der industriellen Biotechnologie oft eingesetzte Bakterium Corynebacterium glutamicum durch systematische Analyse und rationales Engineering des Stoffwechsels in der Fähigkeit, die Pentose D-Xylose zu verstoffwechseln, verbessert. Dabei wurden die folgenden Ergebnisse erzielt:
(1) Das Wachstum eines kürzlich etablierten C. glutamicum-Stammes, der in der Lage ist D-Xylose über den Weimberg-Stoffwechselweg zu metabolisieren, wurde durch Adaptive laboratory Evolution verbessert. Die anschließende Genomsequenzierung isolierter Varianten zeigte, dass insbesondere der Verlust des transkriptionellen Regulators IolR für das verbesserte Wachstum verantwortlich war. Daraus ergab sich die Frage, welche der 22 durch IolR regulierten Gene zur Verstoffwechselung von D-Xylose beitragen. Weitere Untersuchungen identifizierten, dass der myo-Inositol/Glucose-Symporter IolT1, dessen Transkription durch IolR reprimiert ist, an der Aufnahme von D-Xylose beteiligt ist. Durch gezieltes Ausschalten einer IolR Bindestelle im chromosomalen iolT1 Promotor konnte die Repression durch IolR verhindert werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass die ebenfalls durch IolR regulierte myo-Inositol-2-Dehydrogenase IolG maßgeblich an der Oxidation von D-Xylose zu D-Xylonolacton beteiligt ist, das anschließend spontan zu D Xylonat hydrolysiert. Mit dem Wissen um beide Effekte konnte ein als nicht genetisch modifiziert einzustufender C. glutamicum-Stamm für die mikrobielle Produktion von D-Xylonat aus D-Xylose konstruiert werden, dessen Produktausbeute dem theoretischen Maximum von 1 mol mol 1 entspricht. (2) Weiterführende genomweite Untersuchungen ergaben, dass eine bisher unbekannte α-Ketoglutarat Semialdehyd-Dehydrogenase in der Lage ist, α-Ketoglutarat Semialdehyd zu α Ketoglutarat zu oxidieren. Dieses Wissen über endogen kodierte Gene und Enzyme, die Reaktionen des Weimberg-Wegs katalysieren können, erlaubte die systematische Reduzierung des xylXABCD Operon aus Caulobacter crescentus. Dabei zeigte sich, dass die heterologe Expression einer 2-Keto-3-Desoxy-D-Xylonat-Dehydratase oder einer D-Xylonat-Dehydratase für die Etablierung des fünfschrittigen Weimberg-Stoffwechselweges in C. glutamicum ausreichend ist. Abschließend wurde gezeigt, dass die Produktion von α-Ketoglutarat ausgehend von einem D-Glucose/D-Xylose-Gemisch vorteilhafter im Vergleich zur alleinigen Nutzung von D-Glucose ist.In times of increasing scarcity of fossil raw materials, a growing world population and progressing climate change, more sustainable strategies are needed to secure global prosperity and to utilize available resources more responsibly. A bio-based economy can be part of the solution by transforming petrochemical-based processes into renewable, biomass-based processes. For establishing these large scale microbial production processes metabolically versatile microorganisms, which can utilize a broad substrate spectrum, are required. In this context, the industrial workhorse Corynebacterium glutamicum was engineered for the efficient metabolization of the pentose D-xylose by systematic analysis and rational engineering of the metabolism. The following results have been obtained: (1) The growth of a recently constructed C. glutamicum strain, which is able to utilize D-xylose via the Weimberg pathway, has been improved by an Adaptive laboratory Evolution strategy. Afterwards, beneficial mutations were identified by performing genome sequencing. Mutational studies revealed that loss of the transcriptional regulator IolR was mainly responsible for the observed improved growth on D-xylose. However, this result raised the question which of the 22 IolR regulated genes contribute to D-xylose metabolization. Further investigations identified the myo-inositol/glucose symporter IolT1 to be involved in the transport of D-xylose, for which transcription of the respective gene is repressed by IolR. By rational disruption of a IolR-binding site in the chromosomal iolT1 promoter, the repression could be abolished. Furthermore, it has been shown that the myo-inositol-2-dehydrogenase IolG, which is also transcriptionally repressed by IolR, contributes to the oxidation of D-xylose to D-xylonolactone, which is then hydrolyzed to D-xylonate spontaneously. By taking advantage of both effects, an efficient, non GMO variant of C. glutamicum was constructed for the microbial production of D-xylonate from D-xylose. The achieved product yield matched the theoretical maximum yield of 1 mol mol 1. (2) A genome-wide search for additional endogenous genes potentially contributing to D-xylose utilization via the Weimberg pathway revealed a hitherto unknown α-ketoglutarate semialdehyde dehydrogenase capable of oxidizing α-ketoglutarate semialdehyde to α-ketoglutarate. This knowledge of endogenously encoded genes and enzymes catalyzing reactions of the Weimberg pathway allowed for the systematic reduction of the xylXABCD-operon from Caulobacter crescentus. In this context, it was demonstrated that expression of a heterologous 2-keto-3-deoxy-D-xylonate dehydratase or D-xylonate dehydratase is sufficient for establishing the five-step Weimberg pathway in C. glutamicum. Finally, application of the Weimberg pathway turned out to be more beneficial for the production of α-ketoglutarate from a D-glucose/D-xylose mixture compared to cultivations using D-glucose as sole substrate. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 03.07.2019 | |||||||
| Dateien geändert am: | 03.07.2019 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 26.02.2019 | |||||||
| Datum der Promotion: | 27.05.2019 |
