Das Projekt "C. glutamicum als Plattform-Organismus für neue und effiziente Produktionsverfahren (BioProChemBB) - Teilvorhaben 4: Konstruktion und Charakterisierung von C. glutamicum-Stämmen zur Produktion von Succinat und Itaconat" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Bio-und Geowissenschaften (IBG), IBG-1: Biotechnologie durchgeführt. Corynebacterium glutamicum wird seit Jahrzehnten erfolgreich für die biotechnologische Produktion von mehr als drei Millionen Tonnen Aminosäuren pro Jahr eingesetzt. Aufgrund der nachgewiesenen Eignung für die großtechnische Produktion hat sich C. glutamicum zu einem intensiv beforschten Modellorganismus in der Weißen Biotechnologie entwickelt. Das Ziel des ERA-IB-Verbundprojektes BioProChemBB bestand darin, C. glutamicum zu einem Plattform-Organismus weiterzuentwickeln, der nicht nur für die Produktion von Aminosäuren, sondern auch anderer industriell relevanter Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen eingesetzt werden kann. Im Fokus von BioProChemBB standen dabei verschiedene Dicarbonsäuren, die im Rahmen einer Studie des U.S. Department of Energy als vielversprechende chemische Bausteine aus nachwachsenden Rohstoffen identifiziert worden waren. Das Ziel des vorliegenden Teilprojekts 4 war die Konstruktion und Charakterisierung von C. glutamicum-Stämmen zur Produktion von Succinat und Itaconat. Succinat ist eine Plattform- Chemikalie, aus der eine Reihe bisher petrochemisch hergestellter 'Bulk'-Chemikalien synthetisiert werden können, wie z.B. 1,4-Butandiol, Tetrahydrofuran oder g-Butyrolacton. Itaconat ist eine ungesättigte C5-Dicarbonsäure, die unter anderem für die Herstellung von Polymeren von Interesse ist und z.B. petrochemisch erzeugtes Acrylat oder Methylacrylat ersetzen könnte. Für die Succinat-Produktion sollten sowohl die aerobe als auch die anaerobe Herstellung aus Glucose sowie aus Glycerin, einem Nebenprodukt der Biodiesel-Herstellung, etabliert werden. Die entsprechenden Stämme sollten rational über 'metabolic engineering' konstruiert werden, basierend auf dem umfangreichen Wissen zum Stoffwechsel und seiner Regulation in C. glutamicum. Für die Itaconat-Produktion sollte erstmals ein bakterieller Produktionsstamm entwickelt werden, der Vorteile gegenüber dem natürlichen Produzent Aspergillus terreus bieten könnte.
Das Projekt "C. glutamicum als Plattform-Organismus für neue und effiziente Produktionsverfahren (BioProChemBB) - Teilvorhaben 1: Konstruktion, Charakterisierung und Optimierung von Succinat-, Fumarat- und Malat-produzierenden C. glutamicum-Stämmen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Ulm, Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie durchgeführt. Corynebacterium glutamicum wird seit Jahrzehnten erfolgreich für die biotechnologische Produktion von Aminosäuren eingesetzt. Aufgrund der nachgewiesenen Eignung für die großtechnische Produktion hat sich C. glutamicum zu einem wichtigen Modellorganismus in der Weißen Biotechnologie entwickelt. Das Gesamtvorhaben des ERA-IB-Projektes zielte darauf ab, C. glutamicum in iterativen Optimierungsverfahren für die Gewinnung von Grundchemikalien und Synthesebausteinen im Sinne der Weißen Biotechnologie aus nachwachsenden Rohstoffen zu nutzen und robuste sowie kostensparende Fermentations- und 'Downstream processsing'-Verfahren zu entwickeln. Dabei standen die Produkte Succinat, Fumarat, Malat, Aspartat und Itaconat im Projektfokus. Das Ziel des Teilprojektes 1 war die Konstruktion, Analyse und iterative Optimierung von C. glutamicum-Stämmen, die mit hoher Ausbeute und hoher Produktionsrate Succinat, Fumarat und/oder Malat (bzw. deren Säuren) aus nachwachsenden Rohstoffen (Zucker) produzieren. Die zentrale Vorstufe aller drei Säuren im Zentralstoffwechsel von C. glutamicum ist Pyruvat, selbst ein attraktives Produkt als Vorstufe verschiedener Chemikalien und Polymere sowie als Bestandteil oder Zusatz in Nahrungsmitteln, Kosmetika und Pharmazeutika. Aus diesem Grund sollte auch zunächst ein C. glutamicum-Stamm entwickelt und analysiert werden, der effizient Pyruvat bildet. Succinat ist eine Plattform-Chemikalie, aus der eine Reihe bisher petrochemisch hergestellter Bulk'-Chemikalien synthetisiert werden können, wie z.B. 1,4-Butandiol, Tetrahydrofuran, Adipinsäure, g-Butyrolacton oder lineare aliphatische Esther. Fumarat wird in der Nahrungsmittelindustrie und als Ausgangsverbindung für Polymerisierungs- und Estherifizierungsreaktionen genutzt, Malat wird in der pharmazeutischen Industrie, in der Kosmetik- und in der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt und wird wie Succinat und Fumarat als vielversprechender chemische Grundbaustein für Plattformchemikalien angesehen
Das Projekt "C. glutamicum als Plattform-Organismus für neue und effiziente Produktionsverfahren (BioProChemBB) - Teilvorhaben 3: Fermentative Prozessentwicklung und Optimierung von Asparaginsäure und Bernsteinsäure produzierenden C. glutamicum-Stämmen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Bio-und Geowissenschaften (IBG), IBG-1: Biotechnologie durchgeführt. Corynebacterium glutamicum wird seit Jahrzehnten erfolgreich für die biotechnologische Produktion von mehr als drei Millionen Tonnen Aminosäuren pro Jahr eingesetzt. Aufgrund der nachgewiesenen Eignung für die großtechnische Produktion hat sich C. glutamicum zu einem intensiv beforschten Modellorganismus in der Weißen Biotechnologie entwickelt. Das Ziel des ERA-IB-Verbundprojektes BioProChemBB bestand darin, C. glutamicum zu einem Plattform-Organismus weiterzuentwickeln, der nicht nur für die Produktion von Aminosäuren, sondern auch anderer industriell relevanter Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen eingesetzt werden kann. Im Fokus von BioProChemBB standen dabei verschiedene Dicarbonsäuren, die im Rahmen einer Studie des U.S. Department of Energy als vielversprechende chemische Bausteine aus nachwachsenden Rohstoffen identifiziert worden waren. Das Ziel des vorliegenden Teilprojekts 3 war die fermentative Prozessentwicklung und Optimierung von Asparaginsäure und Bernsteinsäure produzierenden C. glutamicum Stämmen. Für die verschiedenen Dicarbonsäuren des Zitronensäurezyklus, sowie für Itaconat und Aspartat sollten stöchiometrische Netzwerkanalysen durchgeführt werden, zur Ermittlung der maximalen Produktselektivitäten und zur Identifizierung potentieller Ziele für Metabolic Engineering und Bioprozessentwicklung. In der Bioprozessentwicklung liegt ein Fokus auf der Entwicklung eines möglichst universell für verschiedene Produkte und Stammkonstrukte einsetzbaren Bioprozesses. Im Projektverlauf sollte entschieden werden, für welche aussichtsreichsten Produkte bzw. Produktionsstämme eine intensivere Bioprozessentwicklung stattfinden soll. Die Bioprozessentwicklung wird dabei durch begleitende Untersuchungen der extrazellulären Nebenprodukte, intrazellulärer Metaboliten und ggf. weiterer Omics-Verfahren unterstützt. Hiermit wird das Ziel verfolgt, gezielte Hinweise auf neue Ansatzpunkte für die Stammverbesserung zu geben.
Das Projekt "Umwelt- und ressourcenschonende biotechnologische Produktion verzweigtkettiger Aminosäuren als pharmazeutische Wirkstoffe durch Entwicklung von Hochleistungsproduktionsstämmen des Bakteriums Corynebacterium glutamicum und integrierte umweltentlastende Produktaufarbeitungsstrategie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Amino GmbH durchgeführt. Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Aminosäuren sind wirtschaftlich wertvolle Produkte. Dies gilt insbesondere für die eng verwandten verzweigtkettigen Aminosäuren L-Leucin, L-Isoleucin und L-Valin, deren Herstellung einer besonders großen Wertschöpfung unterliegt, und die unter anderem für pharmazeutische Zwecke in allerhöchster Reinheit benötigt werden. Es ist deswegen das Ziel, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem ausschließlich eine der genannten Aminosäuren gebildet wird, ohne dass andere Aminosäuren oder weitere Nebenprodukte gebildet werden. Dadurch sind erheblich einfachere und somit umwelt- und ressourcenschonendere Aufarbeitungsverfahren nötig, um das reine Endprodukt zu erhalten. Fazit: Durch die Arbeiten ist es gelungen, einen umfassenden Einblick in die Funktion und Bedeutung einzelner Transaminasen für die Aminosäurebildung mit Corynebacterium glutamicum zu gewinnen. Es gelang die Substratspezifität der Transaminase AroT zu verändern und die Kristallstruktur der Transaminase HisC zu bestimmen. Ferner gelang es durch genetische Arbeiten zwei Transaminasen auszuschalten und dadurch einen L-Valin Produktionsstamm erheblich zu verbessern. Indem die L-Valinausbeute erhöht wird und zudem weniger von der Begleitaminosäure L-Alanin gebildet wird, ist ein erheblich einfacheres und somit umwelt- und ressourcenschonenderes Aufarbeitungsverfahren erforderlich, um das reine Endprodukt L-Valin in Infusionsqualität zu gewinnen.
Das Projekt "Zuckerbasierte L-Histidin-Biosynthese mit Corynebacterium glutamicum" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Bioverfahrenstechnik durchgeführt. Ziel von Hitchcog ist die Entwicklung eines zuckerbasierten Produktionsprozesses zur Herstellung von L-Histidin, einer aufwendig herzustellenden Aminosäure, die gerade für pharmazeutische Anwendungen ein sehr hohes Anwendungspotenzial besitzt. Hitchcog verfolgt das Ziel, über neue Methoden wie z.B. multivariates Metabolic Engineering die hohe Kohlenstoffökonomie zu erreichen. Dabei werden in einem iterativen Ansatz aus Stammentwicklung und Metabolomanalysen, zur Identifizierung von sensitiven Flusskontrollschritten, hoch effiziente L-Histidin Produktionsstämme entwickelt. Dank der engen Symbiose zwischen dem akademischen Partner IBVT und dem Firmenpartner Evonik Industries AG ist sichergestellt, dass bereits im Labor das Potenzial der neuen Produktionsstämme quantitativ bewertet, prozesstechnisch umgesetzt und schlussendlich erfolgreich in den Produktionsmaßstab transferiert werden kann. Ziel ist die Realisierung eines L-Histidin Produktionsprozesses beim Firmenpartner. Das Vorhaben gliedert sich in 2 Teilbereiche: 1) Iterative Stammentwicklung durch Metabolic Engineering-Studien wie Metabolomanalysen und multivariates Metabolic Engineering. 2) Bioprozessentwicklung unter industrie-relevanten Prozessbedingungen.
Das Projekt "C. glutamicum als Plattform-Organismus für neue und effiziente Produktionsverfahren (BioProChemBB) - Teilvorhaben 2: Konstruktion, Charakterisierung und Optimierung von C. glutamicum-Stämmen zur Produktion von Aspartat und abgeleiteten Biomonomeren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bielefeld, Lehrstuhl für Genetik der Prokaryoten durchgeführt. Das Vorhaben zielt darauf ab, den für die industrielle Produktion von Aminosäuren wichtigen Organismus Corynebacterium glutamicum durch eine Kombination von stöchiometrische Modellierung, metabolic engineering, Transkriptom- und Proteomanalysen in iterativen Optimierungsverfahren für die Gewinnung von Grundchemikalien und Synthesebausteinen für die Weiße Biotechnologie zu nutzen. Dabei stehen die Produkte Succinat, Fumarat, Malat und Aspartat im Projektfokus. In diesem Teilprojekt wird bei der Stammentwicklung die Umsetzung von Aspartat zu Lysin unterbrochen und die Bereitstellung der Kohlenstoffvorläufer verbessert. Eine direkte Umsetzung von Fumarat zu Aspartat wird durch heterologe Expression eines Aspartasegens eröffnet. Die Herstellung der Asparatderivate Homoserin und 2-Amino-1,4-Butandiol wird durch Eröffnung reduktiver Aminierungswege ermöglicht. Bei der Charakterisierung der Stämme der ersten Generation werden vor allem Transkriptomanalysen mit DNA-Chips eingesetzt. In Kombination mit Proteom- Metabolom- und Kohlenstoffflussanalysen und der Beurteilung der Produktaufarbeitungsoptionen werden Strategien zur Stammverbesserung identifiziert und beim Metabolic Engineering der Stämme der zweiten Generation umgesetzt. Die Entwicklung einer Aspartatproduktion mit C. glutamicum ist erfolgversprechend. Die erzielten Ergebnisse werden auf nationalen und internationalen Tagungen präsentiert und in referierten internationalen Fachzeitschriften publiziert. Für neuartige und schutzrechtsfähige Ergebnisse im Rahmen der Stamm- und Prozessentwicklung für die Produkte sollen entsprechende Patentanmeldungen erfolgen.
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