Dokument: Enabling mixed microbial upcycling of plastic monomers

Titel:	Enabling mixed microbial upcycling of plastic monomers
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=65446
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20240409-112901-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Ackermann, Yannic Sebastian [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 11,44 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 03.04.2024 / geändert 03.04.2024
Beitragende:	Prof. Dr. Wierckx, Nick [Gutachter] Prof. Dr. Axmann, Ilka [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Die globale Kunststoffkrise ist eine dringende ökologische und soziale Herausforderung aufgrund der übermäßigen Produktion, des übermäßigen Verbrauchs und der Entsorgung von Kunststoffabfällen. Eine mögliche Lösung dieses Problems ist das Biorecycling im Rahmen einer zirkulären Bioökonomie, bei der langkettige Polymere durch chemische oder enzymatische Katalyse depolymerisiert und die resultierenden Monomere anschließend biologisch umgesetzt werden. Ziel dieser Arbeit war es, diesen Ansatz durch die Erweiterung des Substratspektrums von Pseudomonas putida und P. taiwanensis auf aliphatische mittelkettige Dikarbonsäuren (DKS), aromatische DKS und aliphatische Diole zu ermöglichen. Ziel dieser Arbeit war es auch, den Abbau von Kunststoffmonomeren mit der Produktion von Biopolymeren und aromatischen Verbindungen zu kombinieren. Um dies zu erreichen, wurde im ersten Kapitel das Wachstum von P. putida auf Adipat und anderen mittelkettigen DKS ermöglicht indem das dcaAKIJP-Operon aus Acinetobacter baylyi heterolog exprimiert und die drei β-Oxidationsregulationsgene paaYX und psrA deletiert wurden. Die Kultivierung in einem stickstofflimitierten Medium ermöglichte die Produktion von 25% PHAs/Zelltrockengewicht aus Adipinsäure, was das Potenzial des Bio-Upcyclings von DKS aus Kunststoffhydrolysaten zu neuen biobasierten Polymeren zeigt. Das Wachstum auf DKS mit ungerader Kettenlänge, insbesondere Pimelinsäure, war jedoch eingeschränkt. Daher konzentriert sich das zweite Kapitel darauf, den Abbau von ungeraden DKS durch Laborevolution zu ermöglichen, dabei wurde ein Engpass im CoA-abhängigen Abbauweg von Glutaryl-CoA, einem Zwischenprodukt des Abbaus von ungeraden DKS, identifiziert. Dieser Schritt wird durch GcdR reguliert, und konnte durch den Austausch von zwei verschiedenen Aminosäuren so verändert werden, das ein gutes Wachstum auf Pimelinsäure als einziger Kohlenstoffquelle möglich wurde. Durch die Kombination der genetischen Veränderungen des DKS abbauenden Stammes mit denen eines mittelkettigen Diol abbauenden Stammes wurde erfolgreich eine mikrobielle Plattform konstruiert, die ein effizientes Bio-Upcycling von komplexen Kunststoffhydrolysaten in PHA ermöglicht. Neben der Produktion neuer biobasierter Kunststoffe könnten Kunststoffabfälle auch als Kohlenstoffquelle für andere chemische Bausteine wie aromatische Verbindungen dienen. Im zweiten Teil dieser Arbeit (Kapitel 2.3 und 2.4) wurden aromatische Verbindungen wie Tyrosin und Protocatechusäure produziert, indem das Wissen von P. putida auf den genomisch reduzierten Stamm P. taiwanensis GRC3 übertragen wurde, was zu spezialisierten Stämmen führte, die auf verschiedenen Poly(butylenadipat-co-terephthalat)-Monomeren (PBAT) wachsen können. Einerseits sind diese Stämme in der Lage, Tyrosin aus aliphatischen Monomeren wie Adipat oder 1,4-Butandiol zu produzieren. Andererseits wurden diese Stämme für den Abbau von realistischen PBAT- oder PBAT/Stärke-Mock-Hydrolysaten verwendet. Darüber hinaus wurde ein Biotransformationsansatz verwendet, um das vielversprechende Potenzial der biologischen Umwandlung einer Mischung von Kunststoffmonomeren durch eine definierte Mischkultur zu demonstrieren. The global plastics crisis poses urgent environmental and social challenges due to the excessive production, consumption and disposal of plastic waste. To address this issue, biorecycling within a circular bioeconomy is a potential solution, involving the depolymerization of long-chain polymers by chemical or enzymatic catalysis and subsequent biological transformation of the resulting monomers. The goal of this work was to enable this approach by expanding the substrate range of Pseudomonas putida and P. taiwanensis to include aliphatic medium-chain length (mcl) dicarboxylic acids (DCAs), aromatic DCAs, and aliphatic diols. The study also aimed to combine plastic monomer degradation with production of biopolymers and aromatic compounds. To achieve this, in the first chapter P. putida was engineered to grow on adipate and other mcl-DCAs by expressing the dcaAKIJP operon from Acinetobacter baylyi and deleting three β-oxidation regulatory genes, paaYX and psrA. Cultivation in a nitrogen-limited medium resulted in the production of 25% PHAs/cell dry weight from adipate as sole carbon source, demonstrating the potential of bioupcycling of DCAs from plastic hydrolysates into new bio-based polymers. However, growth on uneven-chain-length (ucl) DCAs, especially pimelic acid, was limited. Consequently, the second chapter focuses on enabling degradation of ucl-DCAs by laboratory evolution, revealing a bottleneck in the CoA-dependent degradation pathway of glutaryl-CoA, an intermediate in the degradation of uneven DCAs. This step is regulated by GcdR and reverse engineering of two different amino acid exchanges could alter the regulation and thus enable good growth on pimelate as sole carbon source. By combining the metabolic features of an mcl-DCA degrading strain with those of an mcl-diol degrading strain, a microbial platform that enables efficient bio-upcycling of complex plastic hydrolysates to PHAs was successfully constructed. Besides the production of new bio-based plastics, plastic waste could also serve as carbon source for other chemical building blocks, such as aromatic compounds. In the second part of this study (Chapters 2.3 and 2.4), aromatic compounds such as tyrosine and protocatechuic acid were produced by transferring knowledge from P. putida to the streamlined chassis strain P. taiwanensis GRC3, resulting in specialized strains able to grow on different monomers of poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT). On the one hand, these strains are able to produce tyrosine from aliphatic monomers such as adipate or 1,4-butanediol. On the other hand, these strains were used for the degradation of realistic PBAT mock hydrolysates. In addition, a biotransformation approach was used to demonstrate the promising potential of biologically funneling a mixture of plastic monomers through a defined mixed culture.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe » Institute in Zusammenarbeit mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf » Institut für Biotechnologie, Forschungszentrum Jülich GmbH
Dokument erstellt am:	09.04.2024
Dateien geändert am:	09.04.2024
Promotionsantrag am:	23.08.2023
Datum der Promotion:	20.12.2023