Konstruktion eines Minimalgenoms in Corynebacterium glutamicum zur Erzeugung eines ertragsstarken Vitamin A-Produktionsstammes

• Antragstellerin: Dr. Christina Andreeßen
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung in 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421479496

Vitamin A spielt im menschlichen Organismus eine essentielle Rolle für Wachstum und Entwicklung, die Aufrechterhaltung des Immunsystem und gutes Sehvermögen. Es handelt sich dabei um eine Gruppe von Vitameren, insbesondere β-Carotin, die von Organismen in die bioaktive Form des Vitamins umgewandelt werden können. Vitamin A-Defizienz (VAD) ist ein weltweites Problem, das vor allem Entwicklungsländer betrifft. Die schweren Konsequenzen der VAD (Erblindung, Nachtblindheit, Tod) betreffen schätzungsweise etwa ein Drittel aller Kinder unter fünf Jahren. Die großtechnische Produktion von Vitamin A wird hauptsächlich durch chemische Synthese realisiert, doch die Nachfrage nach natürlich produzierten Carotinoiden steigt. Da Mikroorganismen in der Lage sind verschiedene Carotinoide über die Carotinogenese zu bilden, könnte ein effizienter mikrobieller Produktionsprozess eine vielversprechende Alternative darstellen Vitamin A zu synthetisieren. Um jedoch große Mengen β-Carotin durch mikrobielle Fermentation bereitzustellen, ist es essentiell die Kosten zu reduzieren und höhere Produktivität zu erreichen. Mikrobielle Produktionsstämme verfügen naturgemäß über einen komplexen Stoffwechsel, der in der nicht-natürlichen Umgebung eines Bioreaktors jedoch unerwünscht ist, da Fermentationsprozesse negativ beeinflusst und Ausbeuten beeinträchtigen werden können. Durch systematisches Ausschalten überflüssiger Gene können mikrobielle Chassis-Stämme mit reduziertem Stoffwechsel erzeugt werden, welche die genetische Stabilität und Stresstoleranz des Ausgangsstammes beibehalten. In der industriellen Biotechnologie stellen solche Stämme eine vielversprechende Grundlage für weiteres Engineering zu hocheffizienten Produktionsstämmen dar. Erst kürzlich wurde durch kombinatorische Deletionen auf Grundlage einer Bibliothek reduzierter Genome der Stamm Corynebacterium glutamicum C1* erzeugt. Das C1*-Genom wurde zwar um 13,4% (412 ausgeschaltete Gene) verkleinert, doch im Verlauf der systematischen Genomreduktion stellten sich einige Gencluster-Deletionen als inkompatibel heraus. Daher werden für die weitere Chassis-Optimierung alternative Strategien benötigt. Im Rahmen des vorgestellten Projekts soll ein Minimalgenom von C. glutamicum konstruiert werden, indem genomische Regionen mit essentiellen Genen de novo synthetisiert werden. Parallel dazu wird in einem bereits vorhandenen Produktionsstamm die β-Carotinbiosynthese optimiert. Anschließend soll dieser optimierte Syntheseweg in den C. glutamicum Chassis-Stamm eingebracht werden, um einerseits die Vorzüge eines Minimalgenom-Stammes als Syntheseorganismus zu demonstrieren und gleichzeitig einen effizienten Produktionsstamm für die industrielle Herstellung von Vitamin A zu erhalten. Ausgehend von diesem β-Carotin-Plattformstamm können mit geringem Aufwand weitere Produktionsstämme für relevante Carotinoide, wie z. B. Lutein, Zeaxanthin oder Astaxanthin entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Anthony Sinskey