Dokument: Multicomponent engineering of cyanobacteria towards a photoproduction platform
| Titel: | Multicomponent engineering of cyanobacteria towards a photoproduction platform | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=65061 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20240304-130819-6 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Dietsch, Maximilian [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Jun.-Prof. Dr. Axmann, Ilka M. [Gutachter] Prof. Dr. Feldbrügge, Michael [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | cyanobacteria, biotechnology, terpenes | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Cyanobakterien sind vielversprechende Kandidaten für die biotechnologische Umwandlung
von CO 2 in Plattformchemikalien sowie hochwertige Produkte. Neben ihrer photosynthetischen Lebensweise, die maßgeblich zur Fixierung von atmosphärischem Kohlenstoff beiträgt, sind sie morphologisch vielfältig, bevölkern viele Nischen auf der Erde und haben ein enormes Potenzial als alternative mikrobielle Chassis-Organismen. Ihr umfangreiches Membransystem und die Verwandtschaft zu pflanzlichen Chloroplasten macht sie besonders geeignet für die Produktion von Terpenoiden, einer großen Klasse sekundärer Metabolite. Die Biosynthese von Terpenoiden hat in letzter Zeit aufgrund ihres attraktiven Potenzials als Inhaltsstoff in Lebensmitteln, Medikamenten und Kraftstoffen mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Allerdings sind die Ausbeuten in heterologen mikrobiellen Produktionssystemen oft gering. Um die Produktivität des mikrobiellen Chassis zu steigern, gibt es viele metabolic engineering Strategien, die angewendet werden können. Dazu gehören in silico-Ansätze wie flux balance Analysen, Überexpression von relevanten Genen oder gezieltes Entfernen unerwünschter Nebenreaktionen, aber auch Strategien, die auf eine globalere Veränderung des Organismus abzielen. In meiner Dissertation beschreibe verschiedene Ansätze, den einzelligen Modellorganismus Synechocystis sp. PCC 6803 zur Herstellung verschiedener Terpenoide zu modifizieren. Im ersten Ansatz wurde der metabolische Fluss durch CRISPR-vermitteltes Gen- Silencing vom Carotinoid-Biosyntheseweg zum Vorläufer FPP umverteilt. Das neu verfügbare FPP wurde dann durch Überexpression der Valencen-Synthase aus einer Kiefer, Callitropsis nootkatensis, in das heterologe Sesquiterpen Valencen umgewandelt. In einem zweiten Ansatz wurde die Akkumulation von Squalen, der universelle Vorläufer für Triterpene, optimiert. Dies erfolgte durch Auswertung der metabolischen Flussverteilung durch flux balance Analysen. Die identifizierten Ziele wurden systematisch überexprimiert, und ihre Wirksamkeit wurde durch Messung des Produktoutputs bewertet. Im letzten Teil wurde ein globalerer Ansatz gewählt. Die Schlüsselenzyme, Topoisomerasen, die auf die DNA- Supercoiling-Homöostase von Bakterien einwirken, wurden manipuliert, um das globale negative Supercoiling zu reduzieren und dadurch die Supercoiling-Homöostase zu verändern. Die Auswirkungen auf die Verteilung des ATP/ADP-Verhältnisses sowie des Energiespeichers Glykogen wurden ausführlich charakterisiert. Die gezielte Manipulation des DNA- Supercoiling ermöglichte es, Veränderungen in der Physiologie, den Expressionsmustern und der Morphologie herbeizuführen. Insgesamt stellt diese Arbeit einen wichtigen Baustein für die Entwicklung einer cyanobakteriellen Plattform für die Photoproduktion von Terpenoiden dar.Cyanobacteria are highly promising candidates for biotechnological conversion of CO 2 to platform chemicals, as well as high-value products. Next to their photosynthetic lifestyle, which contributes significantly to the fixation of atmospheric carbon, they are morphologically diverse, inhabit many niches on Earth and have a huge potential as alternative microbial chassis organisms. Their extensive membrane system and ancestral relation to plant chloroplasts makes them especially suitable for the production of terpenoids, a large class of secondary metabolites. The biosynthesis of terpenoids has drawn more attention recently due to its appealing potential as an ingredient in food, medicine, and fuel. However, yields are often low in heterologous microbial production systems. To increase the productivity of microbial chassis, there are many metabolic engineering strategies that can be applied. This includes in silico approaches such as flux distribution analyses, overexpression of genes of interest or targeted removal of undesired side reactions, but also strategies aiming towards a more global change in the organism. In my thesis, I describe my efforts to modify the unicellular model cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 to produce various terpenoids. In the first approach, metabolic flux was redistributed from the carotenoid biosynthesis pathway towards the precursor FPP by CRISPR-mediated gene silencing. The newly available FPP was then converted to the heterologous sesquiterpene valencene by overexpressing valencene synthase from a pine tree, Callitropsis nootkatensis. In a second approach, accumulation of squalene, the universal precursor for triterpenes, has been optimized. This was done by evaluating metabolic flux distribution through flux balance analysis. The identified targets were systematically overexpressed, and their effectiveness was evaluated by measuring product output. In the final part, a more global approach was chosen. Targeting the DNA supercoiling homeostasis of bacteria, the key enzymes, topoisomerases, were manipulated to reduce global negative supercoiling, thereby altering supercoiling homeostasis. The effects on the distribution of the ATP/ADP ratio, as well as the energy storage compound glycogen, were characterized extensively. The targeted manipulation of DNA supercoiling made it possible to induce changes in physiology, expression patterns, and morphology. Overall this work represents an important building block to the development of a cyanobacterial platform for photoproduction of terpenoids | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Mikrobiologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 04.03.2024 | |||||||
| Dateien geändert am: | 04.03.2024 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 22.12.2022 | |||||||
| Datum der Promotion: | 17.03.2023 |
