Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Produktion von kurzkettigen Alkanen und Alkoholen aus lignozellulosischen Biomassehydrolysaten mit Hefen (ALK2BIO)

Anschrift
Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main - FB 15 Biowissenschaften - Institut für Molekulare Biowissenschaften
Max-von-Laue-Str. 9
60438 Frankfurt am Main
Kontakt
Prof. Dr. Eckhard Boles
Tel: +49 69 798-29513
E-Mail: e.boles@bio.uni-frankfurt.de
FKZ
22026315
Anfang
01.10.2016
Ende
30.09.2019
Ergebnisdarstellung
Durch umfangreiche Recherchen wurden konkrete Enzym-Kandidaten zur Produktion von kurzkettigen Alka(e)nen und Alkoholen zusammengestellt und einige einem rationalen Enzym-Engineering unterworfen. Insgesamt wurden 43 Enzyme analysiert und charakterisiert, darunter erfolgte bei 17 Enzymen eine in-vitro-Charakterisierung zur Umsetzung von kurzkettigen Fettsäuren zu Alkenen (1-Hepten). Die anderen 26 Enzyme wurden in-vitro auf ihre Umsetzung von kurzkettigen Fettsäuren zu Alkoholen (1-Octanol) getestet. Allerdings führte keiner der Ansätze zu signifikanten Syntheseraten. Der Fokus wurde daher auf die in-vivo Produktion von 1-Octanol in S. cerevisiae gelegt. Es wurden verschiedene Enzyme FAR (Fatty-Acyl-CoA-Reduktasen) und CAR (Carboxylic Acid Reduktasen) für die Produktion von 1-Octanol getestet. Durch die Expression verschiedener bakterieller CARs in dem FASR1834K-modifizierten Hefestamm, der spezifisch die kurzkettige Fettsäure Octansäure produziert, konnte das erste Mal die Produktion von 1-Octanol aus Glucose in S. cerevisiae nachgewiesen werden. Die Steigerung der Synthese von Acetyl-CoA und Malonyl-CoA hatte keinen positiven Effekt auf die Produktion von Octansäure und Octanol. Die Konstruktion einer fusionierten Fettsäuresynthase (FAS) aus Fas1 und 2 mit entsprechender Mutation (fusFASR1834K) führte zu einer deutlichen Steigerung an Octansäure. Durch Expression einer heterologen Aldehyde-Reduktase (Ahr), Deletion von hfd1 und Deletion von ald2 konnte die Ausbeute an 1-Octanol deutlich gesteigert werden. Für eine wirtschaftliche Nutzung sind die erzielten 1-Octanolerträge jedoch noch zu niedrig. Ein optimierter Xylose-Stoffwechselweg wurde in die Octansäure- und 1-Octanol-produzierenden Stämme eingebracht. Die Hefen produzierten zwar signifikante Mengen an Octansäure aus Xylose, jedoch nur sehr geringe Mengen an 1-Octanol. In der Hefe Y. lipolytica ließ sich weder Octansäure- noch Octanolproduktion etablieren.
Aufgabenbeschreibung
Im Vorhaben ALK2BIO sollte eine neuartige Technologie basierend auf Hefen entwickelt werden, um aus pflanzlichen Reststoffen und Biomasse durch mikrobielle Fermentation kurz- und mittelkettige Fettalkohole und Kohlenwasserstoffe herzustellen. Sie haben Eigenschaften, die denen der aus Erdöl hergestellten Kraftstoffe weitgehend entsprechen. Ausgehend von den an der Goethe-Universität Frankfurt entwickelten Hefen, die aus Kohlenhydraten spezifisch und selektiv kurzkettige Fettsäuren synthetisieren können, sollten die Hefen dahingehend weiterentwickelt werden, vor allem Alkane und Alkene mit 5-11 Kohlenstoffatomen beziehungsweise 1-Octanol zu produzieren. Diese könnten direkt als Ersatz oder Zusatz für Benzin-, Kerosin- bzw. Dieselkraftstoffe als sogenannte Drop-in-Kraftstoffe verwendet werden. Eine Vielzahl an Enzymen, die an der Umsetzung von Fettsäuren bzw. Fettsäure-CoA/ACP Estern zu Alkanen und Alkoholen beteiligt sind, sollten dazu sowohl in-vitro als auch in-vivo in vorhandenen Hefestämmen, die kurzkettige Fettsäuren produzieren, auf ihre Substratspezifität und ihre kinetischen Eigenschaften getestet und weiter optimiert werden. Die vielversprechendsten Enzyme sollten schließlich in Fettsäuresynthese optimierten S. cerevisiae und oleogenen Yarrowia lipolytica-Stämmen exprimiert und die Produktion der kurzkettigen Kohlenwasserstoffe optimiert werden. Da als Rohstoffbasis pflanzliche Biomasse und Reststoffe dienen sollten, sollte hierbei auch von Hefen ausgegangen werden, die neben Glucose auch die in lignozellulosischen Hydrolysaten vorhandenen Pentosen vergären können.

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