Dokument: Tolerance engineering of Pseudomonas for the efficient conversion and production of aldehydes
| Titel: | Tolerance engineering of Pseudomonas for the efficient conversion and production of aldehydes | |||||||
| Weiterer Titel: | Toleranz-Engineering von Pseudomonas für die effiziente Umwandlung und Produktion von Aldehyden | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=69159 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20250415-105801-2 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Lechtenberg, Thorsten [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Wierckx, Nick [Gutachter] Prof. Dr. Pietruszka, Jörg [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Biocatalysis holds promise to tackle the sustainability challenges faced by chemical industry due to climate change and depletion of fossil resources. However, obstacles emerge regarding the compatibility of several important chemicals, notably aldehydes, with biological systems, even if remarkably robust workhorses such as bacteria of the Pseudomonas clade are employed. This is related to the high and versatile reactivity of aldehydes, which is both their greatest asset and the root cause of their toxicity. Competitive biocatalytic processes involving these substances thus require tolerance-improved host organisms. In view of the constantly growing demand for renewable and ecologically produced plastics, the biocatalytic oxidation of the burgeoning platform chemical 5-(hydroxymethyl)furfural (HMF) to 2,5 furandicarboxylic acid (FDCA) is of particular interest since FDCA can substitute structurally similar and fossil-based terephthalic acid in polyesters. With the periplasmic oxidoreductase complex PaoEFG and the cytoplasmic dehydrogenases AldB-I and AldB-II, the primary enzymes responsible for the oxidation of HMF and further aromatic aldehydes like 4 hydroxybenzaldehyde and vanillin by P. taiwanensis VLB120 and P. putida KT2440 were uncovered. This marks a significant advancement from former black-box application of these strains to specialized biocatalysts with fine-tuned properties. To illustrate, overexpression of the newly characterized genes resulted in so-called BOX-strains (Boosted OXidation) with up to tenfold increased initial oxidation rates in comparison to the wild type. As a result, the new variants exhibited increased robustness when growing in presence of HMF and also proved to be more efficient for the complete oxidation of the aldehyde to the industrial target compound FDCA. Furthermore, tolerance mechanisms distinct from rapid oxidation were sought applying an adaptive laboratory evolution approach. A ROX (Reduced OXidation) deletion mutant with diminished aldehyde conversion ability was subjected to steady HMF stress. This yielded tolerance-improved strains through the unforeseen inactivation of the regulator MexT and the associated shutdown of the efflux pump MexEF-OprN. Another potential use for oxidation-deficient, yet solvent-tolerant, Pseudomonads is the biosynthesis of aromatic aldehydes, as showcased with the popular aroma compound t-cinnamaldehyde. In conclusion, this thesis contributes to the fundamental understanding of aromatic aldehyde conversion by P. taiwanensis VLB120 and P. putida KT2440 by unveiling the underlying enzymes which were shown to constitute the organisms’ main tolerance mechanism against these toxic substances. Their overexpression in BOX strains strongly increases aldehyde tolerance, and enables improved FDCA production by boosted HMF oxidation. Reduced aldehyde oxidation and reduction (ROAR) unlocks P. taiwanensis VLB120 for the (de novo) production of valuable aromatic aldehydes or aldehyde-derived products, thereby expanding the product portfolio of this aspiring microbial cell factory.Die Biokatalyse ist ein vielversprechender Ansatz zur Lösung der durch den Klimawandel und die Erschöpfung der fossilen Ressourcen bedingten Problematik der Nachhaltigkeit in der chemischen Industrie. Allerdings sind einige wichtige Chemikalien, insbesondere Aldehyde, nur begrenzt mit biologischen Systemen verträglich, selbst wenn bemerkenswert robuste Bakterien der Gattung Pseudomonas eingesetzt werden. Dies hängt mit deren hoher und vielseitiger Reaktivität zusammen, die sowohl Chancen eröffnet, als auch Toxizitätsursache ist. Wettbewerbsfähige biokatalytische Prozesse mit diesen Stoffen erfordern daher toleranzverbesserte Wirtsorganismen. Angesichts der ständig wachsenden Nachfrage nach erneuerbaren und umweltfreundlich hergestellten Kunststoffen ist die biokatalytische Oxidation der zunehmend an Bedeutung gewinnenden Plattformchemikalie 5 (Hydroxymethyl)furfural (HMF) zu 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) von besonderem Interesse, da FDCA einen Ersatz für die strukturell ähnliche, aber auf fossilen Rohstoffen basierende Terephthalsäure in Polyestern darstellt. Mit dem periplasmatischen Oxidoreduktasekomplex PaoEFG und den cytoplasmatischen Dehydrogenasen AldB I und AldB II wurden die zentralen Enzyme identifiziert, die für die Oxidation von HMF und weiteren aromatischen Aldehyden wie 4 Hydroxybenzaldehyd und Vanillin durch P. taiwanensis VLB120 und P. putida KT2440 verantwortlich sind. Dies markiert einen wichtigen Fortschritt von der bisherigen Black-Box-Anwendung dieser Stämme hin zu spezialisierten Biokatalysatoren mit fein abgestimmten Eigenschaften. So führte die Überexpression der neu charakterisierten Gene zu so genannten BOX-Stämmen (Boosted OXidation) mit bis zu zehnfach höheren initialen Oxidationsraten im Vergleich zum Wildtyp. Daraus resultierend zeigten die neuen Varianten robusteres Wachstum in Gegenwart von HMF und erwiesen sich zusätzlich als effizienter bei der vollständigen Oxidation des Aldehyds zur industriellen Zielverbindung FDCA. Zudem wurde mittels einer Laborevolution nach anderen Toleranzmechanismen als der schnellen Oxidation gesucht. Eine ROX (Reduced OXidation) Deletionsmutante mit reduzierter Aldehydumwandlung wurde einem stetigen HMF-Stress ausgesetzt, was durch die unerwartete Inaktivierung des Regulators MexT und die damit verbundene Blockade der Effluxpumpe MexEF-OprN ebenfalls zu toleranzverbesserten Stämmen führte. Ein weiteres potentielles Einsatzgebiet für oxidationsdefiziente, gleichwohl lösungsmitteltolerante Pseudomonaden ist die Biosynthese aromatischer Aldehyde, was am Beispiel des bekannten Aromastoffs t-Zimtaldehyd demonstriert wurde. Im Ergebnis trägt die vorliegende Arbeit zum grundlegenden Verständnis der Umwandlung aromatischer Aldehyde durch P. taiwanensis VLB120 und P. putida KT2440 bei, indem sie die zugrundeliegenden Enzyme beschreibt, die nachweislich den zentralen Toleranzmechanismus der Organismen gegenüber diesen toxischen Substanzen bilden. Ihre Überexpression in BOX-Stämmen bewirkt eine erhebliche Steigerung der Aldehydtoleranz und ermöglicht eine verbesserte FDCA-Produktion durch verstärkte HMF-Oxidation. Reduzierte Aldehyd-Oxidation und Reduktion (ROAR) erschließt P. taiwanensis VLB120 für die (de novo)-Produktion wertvoller aromatischer Aldehyde oder davon abgeleiteter Verbindungen und erweitert damit das Produktportfolio dieser aufstrebenden mikrobiellen Zellfabrik. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 15.04.2025 | |||||||
| Dateien geändert am: | 15.04.2025 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 01.08.2024 | |||||||
| Datum der Promotion: | 12.12.2024 |
