Modellbasiertes Metabolic Engineering zur Optimierung der Itaconatproduktion in Escherichia coli

In dieser Arbeit sollte die Produktion der potentiellen Plattformchemikalie Itaconat optimiert werden. Hierfür wurde zunächst der Weg für die Itaconatbiosynthese in Escherichia coli eingebracht. Da der mikrobielle Stoffwechsel jedoch für die Produktion von Biomasse ausgerichtet ist, wurden nur geringe Mengen an Itaconat synthetisiert. Um die intrazellulären Flüsse gezielt zum Produkt umzuleiten, wurde daher ein iterativer modellbasierter Ansatz verfolgt, mit dem Kombinationen von Gendeletionen berechnet werden, die zur wachstums-gekoppelten Synthese von Itaconat führen. Dieser Ansatz erlaubte auch eine Anpassung des Modells, wenn eine signifikante Veränderung der Nebenproduktbildung beobachtet wurde. Über drei Iterationen wurde somit der Stamm ita23 (MG1655 ∆aceA ∆sucCD ∆pykA ∆pykF ∆pta ∆Picd::cam_P2 /pCadCs) konstruiert, welcher Itaconat mit der gewünschten hohen Ausbeute produzierte. Die im Schüttelkolben erzielte Ausbeute von 0,77 mol/(mol Glucose) ist zudem die höchste Ausbeute, die jemals für die heterologe Itaconatproduktion beschrieben wurde.
Neben einer hohen Produktausbeute wird für die industrielle Produktion eine hohe Produktivität gefordert. Beide können jedoch nicht gleichzeitig maximiert werden. In dieser Arbeit wurde basierend auf dem vorher konstruierten Itaconatüberproduzenten (ita23) ein zweistufiger Prozess entworfen. Hierfür wurde ein Stamm mit einem dynamisch regulierten TCA-Zyklus konstruiert. Die temperaturabhängige Expression der Isocitratdehydrogenase ermöglichte die schnelle Generierung von Biomasse bei hoher Temperatur (37 °C) und die Produktion von Itaconat bei niedriger Temperatur (≤ 30 °C). Durch die zweistufige Prozessführung wurde eine um 22 % höhere volumetrische Produktivität erzielt als mit einen entsprechenden einstufigen Prozess.