Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: ERA-IB 6: Neues bakterielles System zur Produktion von Acetaldehyd mit integrierter Mikroblasen-Destillation (Z-FUELS); Teilvorhaben 1: Stammcharakterisierung und Optimierung der Kultivierungsbedingungen

Anschrift
Max-Planck-Gesellschaft, vertreten durch das Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme
Sandtorstr. 1
39106 Magdeburg
Kontakt
Dr. Katja Bettenbrock
Tel: +49 391 6110-249
E-Mail: bettenbrock@mpi-magdeburg.mpg.de
FKZ
22028415
Anfang
01.03.2016
Ende
31.08.2019
Aufgabenbeschreibung
Das Ziel des Projekts war es, Acetaldehyd, eine Vorstufe des Biokraftstoffs Butanol, mikrobiell in einem wirtschaftlich rentablen Prozess herzustellen. Im vorliegenden Projekt sollte der Prozess als Ganzes, angefangen von der Auswahl und Konstruktion geeigneter Stämme bis hin zu einer optimalen Prozessführung betrachtet werden. Zymomonas mobilis ist ein sehr guter natürlicher Ethanolproduzent, der sich durch eine hohe Glukoseaufnahmeraten auszeichnet. Zusammen mit einer geringen Biomasseproduktion macht die hohe Produktbildungsrate den Organismus zu einem optimalen Produktionsstamm. Im Z. mobilis Stoffwechsel stellt Acetaldehyd eine direkte Ethanolvorstufe dar. Ziel des Konsortiums war es, Mutanten von Z. mobilis zu konstruieren und zu charakterisieren, sowie Wachstumsbedingungen zu finden, bei denen eine erhöhte Acetaldehydproduktion erreicht wird. Dabei sollte auch eine spezielle Art der Begasung mit Mikroblasen eingesetzt werden. Diese erlaubt sehr gute Sauerstofftransferraten und verspricht zudem, durch aktives Ausgasen des giftigen Acetaldehyds zu einer Produktionssteigerung beizutragen. Zusätzlich sollte mittels gentechnischer Methoden das Substratspektrum von Z. mobilis erweitert werden, damit die günstige C-Quelle Glycerin genutzt werden kann. Alle experimentellen Arbeiten wurden durch mathematische Modellierung unterstützt.
Ergebnisdarstellung
Die innerhalb des Konsortiums konstruierten Z. mobilis Mutanten wurden am MPI bzgl. Wachstum, Produktbildung, Genexpression und Metabolitkonzentrationen analysiert. Dabei wurden anaerobe Kultivierungen sowie Kultivierungen in Schüttelkolben und in gut belüfteten Bioreaktoren durchgeführt. Es zeigte sich, dass Mutanten in der Alkoholdehydrogenase, adhB, eine erhöhte Acetaldehyd-Ausbeute aufwiesen. Ähnliches wurde auch für eine Überexpression der NAD Dehydrogenase (ndh) beobachtet. Beide Effekte bestätigten die Vorhersagen eines mathematischen Modells. Eine weitere Mutation, die zu einer Steigerung der Acetaldehyd Ausbeute führte, war die Mutation der Katalase (cat). Warum dieser Effekt auftritt, ist mit Hilfe des Modells nicht zu begründen. Eine Möglichkeit ist, dass die Katalase die Alkohol Dehydrogenasen vor reaktiven Sauerstoff Spezies schützt. Allgemein bestätigten die Ergebnisse, die Annahme und Modellvorhersage, dass die Atmungskette und die Alkoholdehydrogenasen um NADH kompetieren. Eine Mutation in der NAD Dehydrogenase wie auch anaerobe Wachstumsbedingungen verhindern dementsprechend die Produktion von Acetaldehyd. Es wurden auch Doppelmutanten bzw, eine Kombination aus Mutation und Überexpression der NAD Dehydrogenase getestet. Einzelne Stämme z.B. die adhB cat Dopplemutante und die cat Mutante mit Überexpression der NAD Dehydrogenase zeigen Acetaldehyd Ausbeuten, die dem theoretischen Maximum sehr nahekommen und könnten daher für eine industrielle Anwendung geeignet sein. Interessanterweise hat die Verschiebung des Verhältnisses von Ethanol zu Acetaldehyd keine Auswirkungen auf die Wachstumsrate und Biomasseausbeute. Die Mutanten wurden auch bzgl. der Expression relevanter Gene und der Metabolitkonzentrationen analysiert, was zu einem besseren Verständnis des Metabolismus und der Regulationsvorgänge in Z. mobilis führt.

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