Multicomponent engineering of cyanobacteria towards a photoproduction platform
Year: 2024
Type: dissertation
Abstract: Cyanobakterien sind vielversprechende Kandidaten für die biotechnologische Umwandlung von CO 2 in Plattformchemikalien sowie hochwertige Produkte. Neben ihrer photosynthetischen Lebensweise, die maßgeblich zur Fixierung von atmosphärischem Kohlenstoff beiträgt, sind sie morphologisch vielfältig, bevölkern viele Nischen auf der Erde und haben ein enormes Potenzial als alternative mikrobielle Chassis-Organismen. Ihr umfangreiches Membransystem und die Verwandtschaft zu pflanzlichen Chloroplasten macht sie besonders geeignet für die Produktion von Terpenoiden, einer großen Klasse sekundärer Metabolite. Die Biosynthese von Terpenoiden hat in letzter Zeit aufgrund ihres attraktiven Potenzials als Inhaltsstoff in Lebensmitteln, Medikamenten und Kraftstoffen mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Allerdings sind die Ausbeuten in heterologen mikrobiellen Produktionssystemen oft gering. Um die Produktivität des mikrobiellen Chassis zu steigern, gibt es viele metabolic engineering Strategien, die angewendet werden können. Dazu gehören in silico-Ansätze wie flux balance Analysen, Überexpression von relevanten Genen oder gezieltes Entfernen unerwünschter Nebenreaktionen, aber auch Strategien, die auf eine globalere Veränderung des Organismus abzielen. In meiner Dissertation beschreibe verschiedene Ansätze, den einzelligen Modellorganismus Synechocystis sp. PCC 6803 zur Herstellung verschiedener Terpenoide zu modifizieren. Im ersten Ansatz wurde der metabolische Fluss durch CRISPR-vermitteltes Gen- Silencing vom Carotinoid-Biosyntheseweg zum Vorläufer FPP umverteilt. Das neu verfügbare FPP wurde dann durch Überexpression der Valencen-Synthase aus einer Kiefer, Callitropsis nootkatensis, in das heterologe Sesquiterpen Valencen umgewandelt. In einem zweiten Ansatz wurde die Akkumulation von Squalen, der universelle Vorläufer für Triterpene, optimiert. Dies erfolgte durch Auswertung der metabolischen Flussverteilung durch flux balance Analysen. Die identifizierten Ziele wurden systematisch überexprimiert, und ihre Wirksamkeit wurde durch Messung des Produktoutputs bewertet. Im letzten Teil wurde ein globalerer Ansatz gewählt. Die Schlüsselenzyme, Topoisomerasen, die auf die DNA- Supercoiling-Homöostase von Bakterien einwirken, wurden manipuliert, um das globale negative Supercoiling zu reduzieren und dadurch die Supercoiling-Homöostase zu verändern. Die Auswirkungen auf die Verteilung des ATP/ADP-Verhältnisses sowie des Energiespeichers Glykogen wurden ausführlich charakterisiert. Die gezielte Manipulation des DNA- Supercoiling ermöglichte es, Veränderungen in der Physiologie, den Expressionsmustern und der Morphologie herbeizuführen. Insgesamt stellt diese Arbeit einen wichtigen Baustein für die Entwicklung einer cyanobakteriellen Plattform für die Photoproduktion von Terpenoiden dar.
Author: Dietsch, Maximilian
Language: English
Subfield: Molecular Biology
Domain: Life Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7049121479