Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

ERA-IB: C. glutamicum als Plattform-Organismus für neue und effiziente Produktionsverfahren (BioProChemBB); Teilvorhaben 3: Fermentative Prozessentwicklung und Optimierung von Asparaginsäure und Bernsteinsäure produzierenden C. glutamicum-Stämmen

Anschrift
Forschungszentrum Jülich GmbH - Institut für Biotechnologie 2
52428 Jülich
Leo-Brandt-Str.
Kontakt
Prof. Dr. Marco Oldiges
Tel: +49 2461 61-3951
E-Mail: m.oldiges@fz-juelich.de
FKZ
22009508C
Anfang
01.03.2009
Ende
31.12.2012
Aufgabenbeschreibung
Corynebacterium glutamicum wird seit Jahrzehnten erfolgreich für die biotechnologische Produktion von mehr als drei Millionen Tonnen Aminosäuren pro Jahr eingesetzt. Aufgrund der nachgewiesenen Eignung für die großtechnische Produktion hat sich C. glutamicum zu einem intensiv beforschten Modellorganismus in der Weißen Biotechnologie entwickelt. Das Ziel des ERA-IB-Verbundprojektes BioProChemBB bestand darin, C. glutamicum zu einem Plattform-Organismus weiterzuentwickeln, der nicht nur für die Produktion von Aminosäuren, sondern auch anderer industriell relevanter Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen eingesetzt werden kann. Im Fokus von BioProChemBB standen dabei verschiedene Dicarbonsäuren, die im Rahmen einer Studie des U.S. Department of Energy als vielversprechende chemische Bausteine aus nachwachsenden Rohstoffen identifiziert worden waren. Das Ziel des vorliegenden Teilprojekts 3 war die fermentative Prozessentwicklung und Optimierung von Asparaginsäure und Bernsteinsäure produzierenden C. glutamicum Stämmen. Für die verschiedenen Dicarbonsäuren des Zitronensäurezyklus, sowie für Itaconat und Aspartat sollten stöchiometrische Netzwerkanalysen durchgeführt werden, zur Emittlung der maximalen Produktselektivitäten und zur Identifizierung potentieller Ziele für Metabolic Engineering und Bioprozessentwicklung. In der Bioprozessentwicklung liegt ein Fokus auf der Entwicklung eines möglichst universell für verschiedene Produkte und Stammkonstrukte einsetzbaren Bioprozesses. Im Projektverlauf sollte entschieden werden, für welche aussichtsreichsten Produkte bzw. Produktionsstämme eine intensivere Bioprozessentwicklung stattfinden soll. Die Bioprozessentwicklung wird dabei durch begleitende Untersuchungen der extrazellulären Nebenprodukte, intrazellulärer Metaboliten und ggf. weiterer Omics-Verfahren unterstützt. Hiermit wird das Ziel verfolgt, gezielte Hinweise auf neue Ansatzpunkte für die Stammverbesserung zu geben.
Ergebnisdarstellung
Für die stöchiometrische Analyse des metabolischen Netzwerks von C. glutamicum in Bezug auf die Maximierung der Produktbildung, wurden maximale Produktselektivitäten YP/S für alle im Focus des Projekts stehenden Produkte bestimmt. Die Ergebnisse zeigten zudem, dass den Randbedingungen eine große Bedeutung zukommt. So wurde z.B. die maximale YP/S von 1,7 mol Succinate pro mol Glukose nur unter wachstumsentkoppelten und anaeroben Bedingungen mit einer Netto-Aufnahme von 0,85 mol CO2 pro mol Glukose erzielt. Die geringste maximale YP/S wurde für Itaconat (1 mol Itakonat /mol Glukose) gefunden. Die Charakterisierung der ersten Produktionsstämme erfolgte im parallelen Ansatz im Mikrotiterplattenformat im Biolector-Kultivierungssystem für höheren experimentellen Durchsatz mit mehr Replikaten. Damit wurden vorwiegend Succinat-Produzenten von C. glutamicum (aerobe und anaerobe Produzenten) charakterisiert und wachstumsentkoppelte Prozesse entwickelt, da die Succinat-Stämme das größte Potential in der Produktbildung für die weitere Bioprozessentwicklung zeigten. Für die anaerob Succinat produzierenden C. glutamicum Stämme wurde ein robuster und Scale-up fähiger Bioprozess entwickelt, der sowohl Wachstums- und wachstumsentkoppelte Produktbildungsphase kombiniert. Dies musste bislang in getrennten Kompartimenten erfolgen und konnte nun erstmals durch eine optimierte Prozessführung integriert werden. Dabei konnten YP/S von 0,9-1,1 mol/mol Glukose und Titer im Bereich von 220-240 mM Succinat erzielt werden. Die Produktionsphase konnte dabei von 36 h auf 15,5 h (-57%), sowie die gesamte Prozesszeit von 53 h auf 33 h (-37%) verkürzt werden. Hinsichtlich der Produktbildungsrate sowie der spezifischen Produktbildungsrate konnte eine Verdopplung von 5,52 auf 12,76 mmol L-1 h-1 (volumetrisch) bzw. 0,44 auf 0,84 mmol g-1 L-1 h-1 (Biomasse spezifisch) erreicht werden. Der entwickelte Prozess erfüllt zudem alle wichtigen Voraussetzungen für den Scale-up.

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