Etablierung eines Bioprozesses für die Produktion von kompatiblen Soluten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Halophile Mikroorganismen sind wichtige Produzenten des kompatiblen Soluts Ectoin und werden bereits in industriellen Anwendungen eingesetzt. Unter der Verwendung eines ganzheitlichen Ansatzes wurde die Produktion und Sekretion von Ectoin in Alkalibacillus haloalkaliphilus und charakterisiert und parallel zum stressinduzierten Bioprozess die Veränderung des zellulären Zustandes und der Zellmembraneigenschaften untersucht. Zunächst wurden die Nährstoffansprüche des Organismus mittels Microarrays untersucht. Basierend auf den Ergebnissen für das mikrobielle Wachstum und die Ectoinproduktion wurde das Sojapepton-haltige Komplexmedium Alkaline Nutrient Broth (DSMZ) für die weitere Kultivierung von A. haloalkaliphilus und die anschließende Prozessoptimierung mittels Design of Experiments und Response-Surface-Methode verwendet. Die Prozessoptimierung durch Variation der signifikanten Prozessparameter Salinität, pH-Wert und Temperatur ergab drei Prozessführungsstrategien, Wachstums-, Produkt- und kombinierte Strategie, wodurch die Ectoinproduktion von 3,6 auf 20 % erhöht werden konnte. Kultivierungsbegleitend wurde die Änderung des Membranpotentials während der Kultivierung auf Einzelzellebene mittels einer neu entwickelten Färbemethode für jede Strategie ermittelt. Die Freisetzung des akkumulierte Ectoins erfolgte durch kombinierte thermische und osmotische Schockinduktion der Zellen. Die daraus resultierende bakterielle Stressantwort beeinflusst in Kombination mit der physikalisch-chemischen Veränderung des umgebenden Milieus die Eigenschaften der Zellmembran und damit die Integrität der Zellen. Die sich ergebenden Veränderungen in der Membranfluidität und -integrität wurden daher parallel zu den Schocks mittels einer Fluorophor-basierten Herangehensweise unter der Verwendung der Steady-state-Anisotropie und der Einzelzellanalyse untersucht. Dadurch konnten optimierte Sekretionsbedingungen ermittelt und damit die Veränderungen im physiologischen Zustand der Zellen während der Ectoinproduktion und –freisetzung aufgezeigt werden. Die etablierten Methoden, Steady-state-Anisotropie sowie Einzelzellanalyse (Durchflusszytometrie), können mit diesen Untersuchungen für weitere stressassoziierte Applikationen in der biotechnologischen Forschung sowie für die Prozessoptimierung und Qualitätskontrolle eingesetzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2010). Produktion von chemischen Chaperonen mittels halophiler Mikroorganismen. BMBF-Nachwuchsförderung in der Biotechnologie, Berlin
Bergmann S., Fallet C., Franco-Lara E.
- (2011). Reaktionstechnische Untersuchungen zur Etablierung eines Bioprozesses für die Produktion von kompatiblen Soluten. Vortrags- und Diskussionstagung: „Bioverfahrenstechnik an Grenzflächen“, Kurzfassungsband, 65 - 66, Potsdam
Bergmann S., Franco-Lara E.
- (2013). Ectoine production by Alkalibacillus haloalkaliphilus – bioprocess development using response surface methodology and model-driven strategies. Engineering in Life Sciences 13, 399–407
Bergmann S., David F., Franco-Lara E., Wittmann C., Krull R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/elsc.201200151) - (2013). Membrane fluidity of halophilic ectoine-secreting bacteria related to osmotic and thermal treatment. Bioprocess and Biosystems Engineering 36 (2013), 1829–1841
Bergmann S., David F., Clark W., Wittmann C., Krull R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00449-013-0957-8) - Ectoine production by halotolerant microorganisms – Process optimization and characterization of cellular state. ibvt-Schriftenreihe, Vol. 72, Cuvillier-Verlag, ISBN 978-3-95404-556-3, Göttingen 2013, zugl. Dissertation, TU Braunschweig 2013
Bergmann, S.
