Engineering Pseudomonas putida KT2440forEfficient Bioelectrochemical Production of Glycolipids

Nachhaltigkeit bei der Energieerzeugung und bei der Nutzung von Umweltressourcen sind heutzutage zwei unserer größten Herausforderungen auf der Welt. Umwelt- und Energiekrisen in allen Ländern erfordern die Entwicklung und Erforschung nachhaltiger Bioenergieressourcen. Ein neuartiger biotechnologischer Ansatz zur Umwandlung und Schonung von natürlichen Ressourcen sind bioelektrochemische Systeme oder BES. Hauptvorteil der BES ist die Erzeugung von elektrischem Strom oder biochemischen Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen und klimaneutralen Abfällen. Die jüngste Erforschung der natürlichen mikrobiellen Elektronübertragung auf extrazelluläre Anoden könnte signifikante Verbesserungen in der Anwendung von bioelektrochemischen Prozessen zur Herstellung vieler wertvoller Produkte wie Biodetergenzien nach sich ziehen. Die natürliche Aktivität von Biokatalysatoren an Elektroden ist jedoch begrenzt, und molekulartechnische Ansätze sind erforderlich, um neue bioelektrochemisch aktive Produktionswirte maßzuschneidern. Eine erfolgreiche erste Proof-of Principle-Studie wurde kürzlich von Schmitz et al. veröffentlicht. Hierbei wurde ein genetisch veränderter Stamm von Pseudomonas putida genutzt, welcher eine BES Anode zur Elekronenentladung während sauerstoffbegrenzten Wachstums nutzen kann (Schmitz et al.,2015). Biotechnologisch wird P. putida bereits genutzt um unter aeroben Bedingungen Biowaschmittel wie Rhamnolipide, eine Art von Glykolipid-Tensiden, herzustellen. Aber teure Belüftung und anschließende Probleme mit starker, technisch nur schwer zu kontrollierender Schaumbildung, limitieren den Prozess. Diese Herausforderung könnte überwunden werden, wenn die Waschmittelproduktion mit einem sauerstoffbegrenzten Wachstum inbioelektrochemischen Systemen einhergeht. In der hier vorliegenden Disserationsarbeit wurde die Arbeit von Schmitz et al. fortgesetzt und die anderen drei Phenazinsynthese-Operone erfolgreich exprimiert: Hierbei handelt es sich um das Phenazinsyntheseoperon 2 aus P. aeruginosa PAO1 (PA1899-PA1905), das Operon 1 aus P. aeruginosa PA14 (PA14_09410-PA14_09480) und das Operon 2 aus P aeruginosa PA14(PA14_39880-PA14_39970). Bemerkenswerterweise erwies sich das Phenazin-1-carbonsäure(PCA) Syntheseoperon 2 aus P. aeruginosa PA14 als am aktivsten bei der heterologen Phenazinproduktion in P. putida. Dieses Operon wurde daher ausgewählt, um mit der VIIRhamnolipid-Produktion integriert zu werden. Hierbei konnte die heterologe Monorhamnolipid-Produktion in P. putida erfolgreich mit der Phenazinproduktion gekoppelt werden. Dabei wurden die Stämme P. putida rhl-pca (produziert PCA und Mono-rhamnolipide) und P. putida rhl-pyo (produziert PCA, Pyocyanin (PYO) und Mono-rhamnolipide) generiert. Basierend auf dem maximalen Titer an Mono-rhamnolipiden, welche in aeroben Schüttelkolben produziert wurden, wurde P. putida rhl-pca für bioelektrochemische Produktionsexperimente in BES ausgewählt. Ich konnte zeigen, dass sauerstoffbegrenzte Kultivierungen von gentechnisch veränderten P. putida unter Redoxausgleich an einer Anode mit Hilfe von Phenazinen möglich sind. Hierbei kann der Stamm so verändert werden, dass gleichzeitig eine Rhamnolipid-Biosynthese stattfinden kann. Das Ergebnis unserer Studie zeigt, dass die passive Luftraumbegasung in BES für die bioelektrochemische Herstellung von schaumfreien Rhamnolipiden mit P. putida rhl-pca geeignet ist. Die erhöhte Kohlenstoffausbeute mit P. putida rhl-pca in passiv belüfteten BES ist ein potentieller wirtschaftlicher Vorteil bei der Glykolipid-Tensid Bioproduktion. Insgesamt ist diese Arbeit eine erste Studie, die zeigt, dass die bioelektrochemische Herstellung von schaumfreien Glykolipid-Tensiden unter Verwendung von Phenazinen als Elektronen-Shuttle möglich ist