Erweiterung des Substratspektrums der Zellfabrik Saccharomyces cerevisiae zur Nutzung von C1-abgeleiteten Rohstoffen: Bernsteinsäure als ein Modell-Zielprodukt

• Antragstellerin: Professorin Dr. Elke Nevoigt
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521223548

Als Ergebnis des Vorläuferprojektes haben wir kürzlich die gemeinsame Nutzung von Glycerol (C3) und CO2 (C1) für die Produktion der Plattformchemikalie Bernsteinsäure (C4) demonstriert, nachdem die Hefe Saccharomyces cerevisiae durch Metabolic Engineering entsprechend verändert wurde. Die Produktausbeute (pro verbrauchtem Glyzerol) entsprach 47% des theoretischen Maximalwertes. Weitere Möglichkeiten zur Verbesserung des Prozesses werden gegenwärtig in dem Fortsetzungsprojekt untersucht. In dem hier vorgeschlagenen Projekt planen wir, die Kohlenstoffquelle Glycerol durch Rohstoffe zu ersetzen, die nicht von essbarer Pflanzenbiomasse stammen und deren Verfügbarkeit nicht von der Zukunft der Biodieselproduktion abhängig ist. Sowohl Methanol (C1) als auch Dihydroxyacetone (DHA, C3) haben das Potential, zukünftige Kohlenstoffquellen für biotechnologische Prozesse zu werden, da sie aus Synthesegas bzw. aus CO2 hergestellt werden könnten. Ein attraktiver Ansatz ist es, unseren Stamm, der Bernsteinsäure produziert mit einem linearen Stoffwechselweg für die Umsetzung von Methanol zu Bernsteinsäure auszustatten (Methanol Dehydrogenase und Formolase) und anschließend das Potential von Adaptive Laboratory Evolution (ALE) zu nutzen. Wegen thermodynamischer und kinetischer Engpässe ist dieser Ansatz mit relativ hohen Risiken behaftet. Dennoch halten wir ihn für vielversprechend, unter anderem weil das geplante ALE das Potential hat, die Kinetik des synthetischen Enzyms Formolase zu optimieren. Außerdem verbraucht der Stoffwechselweg zum Produkt Bernsteinsäure relativ viel NADH und kann dadurch die thermodynamische Barriere der NAD+-abhängigen Methanoloxidation herabsetzen. Als Alternative zu Methanol als Kohlenstoffquelle soll ein zweiter Ansatz verfolgt werden, der auf DHA als Kohlenstoffquelle aufbaut. DHA könnte zukünftig mittels eines chemoenzymatischen Prozesses aus CO2 hergestellt werden und die Einschleusung von DHA in den zentralen Metabolismus von Mikroorganismen ist unkompliziert. Unsere vorab konstruierten S. cerevisiae Stämme mit modifiziertem Glycerolkatabolismus (insbesondere solche mit dem sogenannten DHA-Weg) bilden eine exzellente Ausgangsbasis für diese Zielstellung. Die Steigerung der Toleranz dieser Stämme gegenüber höheren DHA-Konzentrationen sollen mittels ALE addressiert werden. Um ausreichend zytosolisches NADH für die Bernsteinsäureproduktion zur Verfügung zu stellen, soll ein Ko-substrat (z.B. Formiat welches aus CO2 gewonnen wird) gefüttert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen