Methylobacterium extorquens – eine mikrobielle Zellfabrik zur Produktion von Chemikalien aus Methanol

Bild Forschungsprojekt

Methanol ist eine attraktive, flexibel herstellbare Kohlenstoffquelle für Biotechnologie-Prozesse. Es kann über die Zwischenstufe Syngas sehr effizient aus günstigem Erdgas und anderen fossilen Rohstoffen, aber auch aus erneuerbaren Materialen wie Holz oder Biogas synthetisiert werden. Gegenüber vielen anderen biotechnologisch genutzten C-Quellen konkurriert es deshalb nicht direkt mit Nahrungsmittels um Anbauflächen und kann als Flüssigkeit einfacher in Reaktoren zugeführt und kontrolliert werden als gasförmige Substrate wie Syngas, Methan, CO2 oder H2. Der Ausgangsorganismus für unsere mikrobielle Zellfabrik ist Methylobacterium extorquens, welcher Methanol über den Serin-Zyklus assimiliert und die dabei notwendige Glyoxylat-Regeneration über den Ethylmalonyl-CoA-Weg (EMCP) betreibt. Intermediate des EMCP wie Acetoacetyl-CoA oder verschiedene Dicarbonsäure-CoA-Ester findet man sonst nicht im Zentralstoffwechsel der gängigen biotechnologisch genutzten Organismen und stellen den Ausgangspunkt für die Synthese von z.B. Dicarbonsäuren und Terpenoiden dar.

Produktion der Säuren Mesaconat und (2S)-Methylsuccinat aus Methanol mit Methylobacterium extorquens

Laufzeit: 01.01.2012 - 31.12.2014
Partner: ETH Zürich, Stiftelsen SINTEF, Rijksuniversiteit Groningen (RUG), PROMAR AS, Universität Bielefeld, INSA Toulouse, Insilico Biotechnology AG
Geldgeber: EU
Bearbeiter: Dr. Markus Buchhaupt
Arbeitsgruppe: Bioverfahrenstechnik

Es gibt einen enormen Bedarf an nachhaltigen Produktionsprozessen für Grund- und Feinchemikalien. Der Ethylmalonyl-CoA-Weg (EMCP) beinhaltet verschiedene CoA-Ester, wie z.B. Ethylmalonyl-, Methylsuccinyl- oder Mesaconyl-CoA, deren freie Säuren potentiell interessante Produkte für die Chemieindustrie darstellen, beispielsweise als Monomere für Bioplastik. Der EMCP in Methylobacterium extorquens ermöglicht die Synthese dieser teilweise chiralen Feinchemikalien ausgehend von dem kostengünstigen und nicht mit Nahrungsmitteln konkurrierenden Rohstoff Methanol.

Für die Hydrolyse der EMCP-CoA-Ester geeignete Thioesterasen wurden mit in vitro-Experimenten identifiziert und ihre Expressionslevel in M. extorquens optimiert. Die Produktivität verschiedener Stämme wurde verglichen und mit unterschiedlichen Eingriffen in den Stoffwechsel und durch Medienoptimierung erhöht. Momentan konzentrieren sich die Arbeiten auf die Identifizierung der Mechanismen für Säure-Wiederaufnahme und –Verwertung. Das Ziel dieses Projekts ist die Etablierung eines effizienten biotechnologischen Produktionssystems für ungewöhnliche Dicarbonsäuren ausgehend von dem Rohstoff Methanol.

 

Produktion des Sesquiterpenoids α-Humulen mit Methylobacterium extorquens

Laufzeit:  01.01.2012 - 31.12.2014      
Partner: ETH Zürich, Stiftelsen SINTEF, Rijksuniversiteit Groningen (RUG), PROMAR AS, Universität Bielefeld, INSA Toulouse, Insilico Biotechnology AG
Geldgeber:  EU
Bearbeiter:  Dr. Markus Buchhaupt
Arbeitsgruppe:  Bioverfahrenstechnik

In den letzten 10 bis 15 Jahren wurde mittels „Metabolic Engineering“ die de novo-Produktion von Terpenoiden in einigen Mikroorganismen ermöglicht, wobei die Sesquiterpenoide Amorpha-1,4-dien, Farnesen und Artemisininsäure die bekanntesten Beispiele darstellen. Nahezu alle dieser mikrobiellen Terpenoid -Zellfabriken verwenden dabei als Rohstoff Zucker, der in starker Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion steht und dessen Preis starken Schwankungen unterliegt. Dieses Projekt hatte zum Ziel, das Sesquiterpenoid α-Humulen mit Methylobacterium extorquens ausgehend von der weltweit verfügbaren Kohlenstoffquelle Methanol zu produzieren. Dabei wurde das Vorkommen von Acetoacetyl-CoA als Intermediat des Zentralstoffwechsels in diesem Organismus genutzt, da dieses zugleich den Start-Metabolit des Mevalonat-Wegs darstellt. Das Einbringen dieses Terpenproduktions-Stoffwechselwegs zusammen mit einer Prenyltransferase und einer pflanzlichen α-Humulen-Synthase führte zur Bildung dieses Modellterpenoids. Die Verwendung eines effizienten Expressionssystems und die Feineinstellung der Translationsrate einiger mRNAs ermöglichte die Produktion von 1,6 g/L Humulen in einem Bioreaktor. Dieses Projekt demonstriert das Potential von M. extorquens als Plattformstamm für die Produktion hochwertiger Terpenoide ausgehend von Methanol.

zurück
Jetzt Stifter werden