Optimierung von Ganzzell-Katalysatoren durch Metabolic Pathway Engineering

Metabolic Pathway Engineering bezeichnet die gezielte Veränderung des Stoffwechsels von Organismen, um eine gewünschte Stoffproduktion in diesen so zu optimieren, dass bestimmte Substanzen in erhöhter Menge oder reinerer Form entstehen können. Somit wird eine nachhaltigere, ressourcenschonendere Produktion ermöglicht. Das Fraunhofer IGB beschäftigt sich mit der gezielten Veränderung von Hefestämmen, welche zur Dicarbonsäuresynthese eingesetzt werden sollen.

Entwicklung neuer Biokatalysatoren für die Herstellung von langkettigen Dicarbonsäuren

Langkettige Dicarbonsäuren können in der Industrie vielseitig als Plattformchemikalien eingesetzt werden, wie zum Beispiel in der Polymerindustrie zur Herstellung von Polyamiden oder Polyestern. Die Herstellung von Dicarbonsäuren erfolgt vor allem durch chemische Verfahren. Im chemischen Prozess werden petrochemische Rohstoffe zur Synthese eingesetzt, zudem lassen sich langkettige Dicarbonsäuren (> 12 Kohlenstoffatome) nur schwer chemisch synthetisieren.

Alternativ können bestimmte Hefestämme zur Dicarbonsäureherstellung herangezogen werden. Diese können Alkane oder Fettsäuren in Dicarbonsäuren mit entsprechender Kettenlänge umwandeln. Die Herstellung der Dicarbonsäuren erfolgt in der Hefe über den sogenannten omega-Oxidations-Weg, gleichzeitig wird jedoch die gebildete Dicarbonsäure im beta-Oxidationsweg der Hefe weiter verstoffwechselt und zur Energiegewinnung genutzt.

Um einen Abbau der gebildeten Dicarbonsäuren in der Zelle zu verhindern und eine vollständige Umwandlung von Fettsäuren als nachwachsende Rohstoffe in Dicarbonsäuren zu gewährleisten, müssen Strategien entwickelt werden, um den beta-Oxidationsweg in der Zelle zu blockieren. Eine Möglichkeit dazu ist die Deaktivierung (Knock-out) von Genen des beta-Oxidationsweges über gentechnische Methoden.

Ein derartig veränderter Hefestamm ist bereits aus der Literatur bekannt und erzielt in fermentativen Prozessen Konzentrationen über 100 g/l an langkettigen Dicarbonsäuren (Picataggio et al., 1992, Metabolic engineering of Candida tropicalis for the production of long-chain dicarboxylic acids. Bio/Technology. 10: 894 - 898). Da es sich bei diesem Hefestamm um die Hefe Candida cenakerosene handelt, ist ihr Einsatz für die industrielle Produktion von langkettigen Dicarbonsäuren beschränkt.

Das Fraunhofer IGB arbeitet deshalb in dem EU-geförderten Projekt BioConSepT an der Bereitstellung neuer, mikrobiologisch unbedenklicher Produktionsstämme für die Dicarbonsäuregewinnung.

Am Fraunhofer IGB wollen wir Biokatalysatoren einsetzen, um eine wirtschaftliche, nachhaltige Dicarbonsäureproduktion zu gewährleisten. Daher arbeiten wir an der Bereitstellung neuer, mikrobiologisch unbedenklicher Produktionsstämme, die als Ganzzell-Katalysatoren in einem integrierten Prozess zur Umsetzung von Fettsäuren eingesetzt werden können. Ausgewählte Stämme werden gentechnisch über Metabolic Pathway Engineering modifiziert, um die Dicarbonsäureausbeute zu erhöhen. Des Weiteren werden die Einsatzmöglichkeiten von Pflanzenölen als regenerative Rohstoffquelle für die Dicarbonsäureherstellung untersucht, die nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelindustrie stehen.

Verschiedene mikrobiologisch unbedenkliche Hefe Stämme wurden als potentielle Dicarbonsäurebildner identifiziert. Derzeit arbeitet das Fraunhofer IGB an der gentechnischen Modifizierung eines Pichia-Stammes. Die Gene für den omega- und beta-Oxidationsweges wurden in der Hefe mittels Sequenzanalysen aufgeklärt und die Gene zur gezielten Deaktivierung des beta-Oxidationsweges (Knock-out) identifiziert. Erste beta-Oxidations-defiziente Stämme wurden erzeugt und werden derzeit auf die Bildung von langkettigen Dicarbonsäuren untersucht.

Werner N, Dreyer M, Wagner W, Papon N, Rupp S, Zibek S. 2016. Candida guilliermondii as a potential biocatalyst for the production of long-chain dicarboxylic acids. Biotechnology Letters. https://doi.org/10.1007/s10529-016-2264-3