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This thesis describes the adaptation of Acinetobacter species to dry environments with the soil bacterium A. baylyi and the opportunistic hospital pathogen A. baumanii in its focus. The adaptation of A. baylyi and A. baumannii to osmotic stress was investigated. Compatible solutes that were uptaken from the environment or synthesized de novo to cope with the loss of water at high salinity were identified. The corresponding transporters and enzymes involved were characzerized. In addition, the desiccation resistance of A. baumannii was analyzed to elucidate its survival in hospital environments. The usage of compatible solutes during desiccation stress was analyzed and proteins that were produced were identified.
The availability of water is essential for bacterial life and if environmental conditions are awkward, bacteria have to cope with high salinitiy to prevent loss of water. In this thesis it was shown that A. baylyi synthesizes glutamate and mannitol de novo as compatible solutes in response to osmotic stress to balance the osmotic potential. The pathway for mannitol biosynthesis from Fructose-6-Phosphate (F-6-P) via Mannitol-1-Phosphate (Mtl-1-P) was elucidated and the isolation and characterization of a novel type of biofunctional enzyme was described. Interestingly, the unique bifunctional enzyme MtlD, acting as dehydrogenase and phosphatase, mediates both steps of the mannitol biosynthesis pathway. This enzyme catalyzes the reduction of F-6-P to Mtl-1-P with NADPH as reducing equivalent. The dehydrogenase activity of MtlD was salt dependent and the phosphatase activity was dependent on Mg2+ as cofactor. Phylogenetic analyses revealed that MtlD is broadly distributed among other Acinetobacter strains but not in other phylogenetic tribes.
In this thesis it is also described that, besides de novo synthesis of compatible solutes, A. baylyi takes up glycine betaine (GB) or its precursor choline by different transport systems and uses this solutes as osmoprotectants. The uptake of GB occurs via a secondary transporter (ACIAD3460) of the BCCT family. Choline is taken up as precursor and oxidized to GB by two dehydrogenases. The uptake and use of choline as GB precursor involves two transporters, whose genes are encoded in the bet cluster (BetT1, BetT2), two dehydrogenases (BetA, BetB) and a regulatory protein (BetI). Both transporters differ from each other in structure and function: BetT1 is osmo-independent and active independently of osmotic stress. BetT2 contains - in contrast to BetT1 - a long C-terminal domain for osmo-sensing and its activity highly increases in the presence of high osmolarity. The oxidation of choline occurs independently of the osmolarity of the medium but in the absence of salt stress, GB is exported. In contrast, in the presence of high salinity, GB is accumulated in the cytoplasm to balance the osmotic potential in order to prevent loss of water. The regulation of both transporters, the uptake of choline independently of the osmolarity and the export of GB under isoosmotic conditions are regulated by the transcriptional regulator BetI.
A. baumannii ATCC 19606 was also shown to cope with high salinity. Analogously to A. baylyi, A. baumannii ATCC19606 synthesizes glutamate and mannitol de novo in response to osmotic stress. The genes for the synthesis of these compatible solutes are identical to those found in A. baylyi. This suggests that the solute biosynthesis pathways of A. baumannii and A. baylyi are identical. A. baumannii was also able to take up GB and choline in response to osmotic stress and growth at high salinity was restored upon addition of GB and its precursor choline. The bet cluster was also present in the genome A. baumannii and also contains the two different choline transporters BetT1 and BetT2.
Our suggestion that choline or GB or the utilization of phosphatidylcholine as carbon source led to an increase in the survival under desiccation stress was not confirmed. However, 2D analysis of proteins produced during desiccation stress in A. baumannii led to elevated amounts of proteins implicated in biofilm formation, regulation, cell morphology and general stress response, such as Hsp60 or superoxide dismutase, both might play a role in general stress protection.
Die Zuckertransporterfamilie ist eine Unterfamilie der MFS („major facilitator superfamily“), wobei die MFS wiederum als Überfamilie von Transportproteinen definiert wurde, die sich aus Proteinen mit 12 Transmembran-Domänen zusammensetzt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit sollte die subzelluläre Lokalisation und physiologische Funktion der uncharakterisierten Mitglieder der Zuckertransporterfamilie Ybr241 und Ygl104 untersucht werden. Mittels Zellfraktionierung durch Saccharosedichtegradienten-Zentrifugation und Fluoreszenzmikroskopie konnte eine Lokalisation von Ybr241 und Ygl104 in der vakuolären Membran festgestellt werden. Da Plasmamembran-Proteine zur Degradation ubiquitiniert, über Endocytose internalisiert und in der Vakuole abgebaut werden, wurden weitere Lokalisationsstudien sowohl in Endocytose-Mutanten als auch in einer Mutante mit Defekten in der Ubiquitinierung durchgeführt. Diese ergaben, daß die vakuoläre Lokalisation nicht auf Degradation zurückzuführen war. Somit handelt es sich bei Ybr241 und Ygl104 um residente vakuoläre Membranproteine. Lokalisationsstudien in vps-Mutanten erbrachten Hinweise darauf, daß zumindest Ygl104, wie die meisten vakuolären Proteine, über den CPY-Weg zur Vakuole befördert wird. Weder durch Wachstumsanalysen noch mit Hilfe von Phenotype MicroArrays™ (Biolog, Inc.) konnten Phänotypen der Deletionsmutanten von Ybr241 und Ygl104 identifiziert werden. Allerdings zeigte sich im Verlauf der Arbeit, daß die Deletionsmutanten einen Vorteil beim Wachstum mit geringen Glucosekonzentrationen bei 37°C haben. Des weiteren bestanden aufgrund von Datenbankanalysen Anhaltspunkte auf eine Beteiligung am Trehalosestoffwechsel. Durch Hitzeschockexperimente konnte eine essentielle Rolle von Ybr241 und Ygl104 bei der Resistenz von Zellen gegenüber schwerem Hitzestreß identifiziert werden. Die verminderte Thermotoleranz der Deletionsmutanten war aber nicht auf einen geringeren Gehalt der Zellen am Streßschutzmolekül Trehalose zurückzuführen. Zudem deckte ein SGA („synthetic genetic array“) eine synthetisch kranke Interaktion von YBR241C und YGL104C mit dem Gen der Trehalose-6-Phosphat-Synthase TPS1 auf. Diese Interaktion sprach gegen eine Beteiligung der Genprodukte am Trehalosestransport, da tps1-Mutanten keine Trehalose enthalten. tps1-Mutanten haben einen Wachstumsdefekt mit schnell fermentierbaren Kohlenstoffquellen, der höchstwahrscheinlich auf einen Mangel an freiem Phosphat zurückzuführen ist. Somit scheinen die Proteine Ybr241 und Ygl104 die intrazelluläre Phosphatkonzentration zu beeinflussen. Eine Analyse ergab, daß der Phosphat- und Polyphosphatgehalt der Mutanten teilweise stark herabgesetzt war. Der Einfluß könnte direkt durch Phosphatimport in die Vakuole stattfinden oder sekundär über eine Verminderung der Glycerinproduktion, da durch die Synthese von Glycerin wieder Phosphat freigesetzt wird. Somit handelt es sich bei Ybr241 und Ygl104 möglicherweise um vakuoläre Phosphat- oder Glycerintransporter. Ferner konnte gezeigt werden, daß die saure Trehalase Ath1 sekretiert wird und Trehalose extrazellulär in Glucose hydrolysiert. Die Glucosemoleküle werden dann von der Hefezelle aufgenommen und verstoffwechselt. Somit spielt Ath1 eine essentielle Rolle beim Wachstum der Hefe mit Trehalose als Kohlenstoffquelle. Ziel des zweiten Teils dieser Doktorarbeit war die Entwicklung eines genomweiten Screens nach ER-Verpackungschaperonen, durch den bisher unbekannte Verpackungschaperone identifiziert werden sollten. Durch Testen verschiedener Varianten des Screens konnte ein Verfahren entwickelt werden, das prinzipiell funktionierte. Für den Einsatz im genomweiten Maßstab war es jedoch ungeeignet, da mit einer hohen Rate an falsch negativen Ergebnissen zu rechnen gewesen wäre.
Fossile Rohstoffe dienen in unserer heutigen Gesellschaft als Energiequelle und als Rohstofflieferant für Grund-, Feinchemikalien und Pharmazeutika. Sie tragen jedoch zum Klimawandel und Umweltverschmutzung bei. Lignocellulosische Biomasse ist eine erneuerbare und nachhaltige Alternative, die durch biotechnologische Prozesse erschlossen werden kann. Die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae ist ein sehr gut untersuchter Modellorganismus, für den es zahlreiche genetische Werkzeuge und Analysemethoden gibt. Zudem wird S. cerevisiae häufig in biotechnologischen Prozessen eingesetzt, da diese Hefe robust gegenüber industriellen Bedingungen wie niedrigen pH-Werten, toxischen Chemikalien, osmotischem und mechanischem Stress ist. Die Pentose D-Xylose ist ein wesentlicher Bestandteil von lignocellulosischer Biomasse, die aber nicht natürlicherweise von der Bäckerhefe verwerten werden kann. Für eine kommerzielle Herstellung von Produkten aus lignocellulosischer Biomasse muss S. cerevisiae D-Xylose effektiv verwerten. Für die Bäckerhefe konnten heterologe Stoffwechselwege etabliert werden, damit diese D-Xylose verwerten kann. Für eine effiziente Xyloseverwertung bleiben dennoch zahlreiche Herausforderungen bestehen. Unter anderem nehmen die Zellen D-Xylose über ihre endogenen Hexosetransporter nur langsam auf. Die heterologe Xylose-Isomerase (XI) besitzt in S. cerevisiae eine geringe Aktivität für die Isomerisierung von D-Xylose. Unspezifische Aldosereduktasen konkurrieren mit der Xylose-Isomerase um das gleiche Substrat und produzieren Xylitol, ein starker Inhibitor der Xylose-Isomerase. Eine Möglichkeit die Umsatzrate von Enzymen zu steigern und Substrate vor Nebenreaktionen zu schützen, ist die Anwendung von Substrate Channeling Strategien. Bei Substrate Channeling befinden sich die beteiligten Enzyme in einem Komplex, wodurch die Substrate lokal angereichert werden und von einem aktiven Zentrum zum nächsten weitergeleitet werden, ohne Diffusion in den restlichen Reaktionsraum. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob ein Komplex zwischen einem membranständigen Transporter und einem löslichen Enzym konstruiert werden kann, um durch Substrate Channeling eine verbesserte Substrat-Verwertung zu erreichen. Die Xylose-Isomerase aus C. phytofermentans und die endogene Hexose-Permease Gal2 sollten in dieser Arbeit als Modellproteine in S. cerevisiae-Zellen mit Hilfe von Protein-Protein-Interaktionsmodulen (PPIM) in räumliche Nähe zueinander gebracht werden.
Die Expression verschiedener PPIM konnte in S. cerevisiae mittels Western Blot nachgewiesen werden. Auch Fusionsproteine aus unterschiedlichen PPIM wurden in dieser Hefe exprimiert. Die PPIM binden komplementäre PPIM oder kurze Peptidliganden, welche an die Xylose-Isomerase und an den Gal2-Transporter fusioniert wurden. Die Funktionalität beider Proteine wurde mittels in vivo und in vitro Tests untersucht. Die Xylose-Isomerase mit N-terminalen Liganden des WH1-Protein-Protein-Interaktionsmoduls (WH1L-XI) und der Gal2-Transporter mit N-terminalen SYNZIP2-Protein-Protein-Interaktionsmodul (SZ2-Gal2) erwiesen sich als geeignete Kandidaten für weitere Untersuchungen. Mittels indirekter Immunfluoreszenz konnte die Ko-Lokalisierung von SZ2-Gal2 und WH1L-XI, die einander über ein Scaffold-Protein binden, nachgewiesen werden.
Transformanten, in denen ein Komplex aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gebildet wurde, zeigten bessere Fermentationseigenschaften gegenüber der Scaffold-freien Kontrolle und dem Wildtyp: Sie verwerteten Xylose schneller, bildeten weniger vom unerwünschten Nebenprodukt Xylitol, produzierten mehr Ethanol und wiesen eine höhere Ethanolausbeute auf. Der beobachtete Substrate Channeling Effekt kompensierte die geringere Enzymaktivität der WH1L-XI im Vergleich zum Wildtyp-Protein. Die Wirksamkeit des Substrate Channeling wurde verringert, wenn die Bildung des Komplexes aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gestört wurde, indem ein getaggtes GFP mit dem Scaffold-Protein um die Bindungsstelle an Gal2 konkurrierte. Dies zeigt, dass die positive Wirkung auf die Komplex-Bildung zwischen XI und Gal2 zurück zu führen ist. Die Fermentationseigenschaften konnten gesteigert werden, indem der zuvor zwischen SZ2-Zipper und Gal2-Transporter verwendete Linker, der aus zehn Aminosäuren von Glycin, Arginin und Prolin (GRP10) bestand, durch einen aus Glycin und Alanin (GA10) ersetzt wurde. Die verbesserten Fermentationseigenschaften beruhten auf einem Substrate Channeling Effekt und einer gesteigerten Aufnahmerate des SZ2-GA10-Gal2-Transporters. Ein Vergleich der Strukturvorhersagen von SZ2-GRP10-Gal2 und SZ2-GA10-Gal2 zeigte, dass der GRP10-Linker einen unstrukturierten, flexiblen Linker ausbildet, während der GA10-Linker eine starre α-Helix ausbildet. Die Struktur und der Transportprozess von Gal2 sind nicht aufgeklärt. Bei verwandten Transportern geht man davon aus, dass Substrate durch Konformationsänderungen ins Innere der Zelle transportiert werden, indem die beiden Domänen gegeneinander klappen. Die α-Helix könnte die Geschwindigkeit der Konformationsänderungen begünstigen.
Durch Kontrollexperimente konnte ausgeschlossen werden, dass die gesteigerten Fermentationseigenschaften eine Folge der Stabilisierung der XI- und Gal2-Fusionsproteine durch das Anfügen des Liganden oder durch Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein waren. Substrate Channeling zwischen Gal2 und XI entsteht durch die Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein, wodurch sich Gal2 und XI in räumlicher Nähe zueinander befinden. Dieser Effekt beruht möglicherweise zusätzlich aufgrund einer hohen örtlichen Ansammlung dieser Proteine, da die tetramere XI weitere Scaffold-Proteine binden könnte, welche weitere Gal2-Transporter binden könnte. Darüber hinaus sammeln sich Transporter an bestimmten Orten der Membran an und Transporter mit ähnlicher oder gleicher Transmembransequenz tendieren dazu zu ko-lokalisieren. Hierdurch könnten Gal2-XI-Agglomerate entstehen und Xylose wird mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer der vielen Xylose-Isomerasen umgesetzt.
Nearly 170 million people are chronically infected with HCV and thus at risk of developing liver cirrhosis and hepatocellular carcinoma. Although new and effective oral antiviral drugs are available, there is still the need for a preventive vaccine. In addition, in light of the high number of patients who are chronically infected with HCV the development of a therapeutic vaccine will present a support or even an alternative to the expensive medications.
To induce HCV-specific immune responses in a vaccine model, the HBV capsid is used as a carrier to deliver HCV antigens. Due to its icosahedral structure, the HBV capsid is highly immunogenic and helps to elicit a strong B cell response against the delivered antigens. In addition, the translocation motif (TLM) from the HBV surface protein is fused to the core protein. The TLM conveys membrane-permeability to the carrier capsid, enabling antigen transfer into the cytoplasm, and thus allows immunoproteasomal processing and MHC class I-mediated presentation of the antigen. To load the capsid with foreign antigens, a strep-Tag/streptavidin system is utilized. Recombinant capsids and antigens were purified from the E. coli production system. Detailed characterization of the carrier capsid demonstrated the proper assembly, adequate thermal stability and the successful loading of the foreign antigens onto the capsid surface.
As a further step, seven different HCV-derived proteins were produced and purified for the coupling on the surface of TLM-core particles. The characterization of their immunogenicity using this system is being performed.
Using ovalbumin as a model antigen, which is coupled to the carrier capsids via strep-Tag/streptavidin binding, shows that this system is suitable to efficiently deliver antigens into the cytoplasm of antigen-presenting cells (APCs), leading to the activation of APCs. This activation was assessed by measuring the secretion of IL-6 and TNF-α, in addition to the upregulation of activation markers (CD40, CD80, CD69, and MHC class I). Upon activation, the APCs were able to activate ova-specific CD8+ T cells measured by secreted IFN-γ, which was up to 20-folds more than IFN-γ secreted upon incubation with free ovalbumin. These data indicate that the TLM-capsid is suitable to serve as a carrier to deliver foreign antigens into the cytoplasm of APCs leading to MHC class I-mediated presentation and induction of an antigen-specific CTLs response.
Innerhalb der letzten Jahre ist weltweit eine progrediente Zunahme der Zahl am Typ II-Diabetes erkrankter Personen beobachtet worden, die sich nicht mehr nur in hochentwickelten Industriestaaten, sondern zunehmend auch in Entwicklungsländern zu manifestieren scheint. Dabei geht das größte Gesundheitsrisiko eines Typ II-Diabetes von einer Amputation der unteren Extremitäten aus, die oft die finale therapeutische Maßnahme in der Behandlung eines diabetischen Fußulkus darstellt. Ein gemeinsames Charakteristikum diabetischer Ulzerationen und anderer chronischer kutaner Wundheilungsstörungen ist neben einer allgemein schlechten Heilungsprognose eine fehlregulierte Entzündungsreaktion. In der vorliegenden Arbeit ist daher die Rolle von SOCS3 als potentem Bestandteil entzündungsdämpfender Regelkreise während der kutanen Wundheilung zunächst in stoffwechselgesunden und diabetischen Mäusen untersucht worden, um später ein SOCS3-überexprimierendes transgenes Mausmodell als Basis weiterführender Untersuchungen zu etablieren und in die Arbeit zu integrieren. Dabei konnte gezeigt werden, dass SOCS3 in stoffwechselgesunden Mäusen während der entzündlichen Akutphase der Heilung deutlich, aber zeitlich begrenzt hochreguliert ist und somit offensichtlich eine wichtige Funktion in der intrazellulären Regulation proinflammatorischer Signalkaskaden übernimmt. Im Gegensatz dazu zeigten heilungsdefiziente Wunden diabetischer ob/ob-Mäuse eine deutlich verlängerte Expression dieses Proteins, wobei sich herausstellte, dass sich diese vorwiegend auf Keratinozyten der unterentwickelten Epithelränder und der atrophischen Neoepidermis beschränkte. Aus dieser Entdeckung heraus entstand die zentrale Fragestellung dieser Arbeit, die darauf abzielte zu klären, ob eine fehlregulierte SOCS3-Expression in Keratinozyten des Wundrandes als zentrale Komponente in der Kausalkette diabetisch-chronischer Wundheilungsstörungen aufgefasst werden kann. Tatsächlich konnte anhand des transgenen Mausmodells in vivo und in vitro nachgewiesen werden, dass eine erhöhte intrazelluläre Verfügbarkeit von SOCS3 in Keratinozyten negativ mit deren Potenzial zur Proliferation und Migration interferiert. Das Protein SOCS3 besetzt somit im Prozess der kutanen Wundheilung eine inhibitorische Schlüsselposition in der Regulation essentieller Kernkompetenzen von Wundrandkeratinozyten, und dies als eigenständiges Element isoliert von Komplikationen, die sich sekundär aus einem diabetischen Phänotyp ergeben. In der Konsequenz zeigten stoffwechselgesunde transgene Mäuse deutliche Defizite in der Reepithelialisierung des Wundareals, die in vergleichbarer Form aus Wunden diabetischer ob/ob-Mäuse bekannt sind. Darüber hinaus konnte in SOCS3-überexprimierenden Mäusen eine für chronische Wunden typische, gesteigerte Entzündungsantwort im Wundgewebe detektiert werden, die sich durch eine verlängerte und erhöhte Präsenz neutrophiler Granulozyten und Makrophagen sowie eine verstärkte Expression proinflammatorischer Zytokine und Entzündungsmarker auszeichnete. Obwohl immunhistochemische Färbungen und Messungen proentzündlicher Mediatoren im Wundgewebe auf eine kritische Rolle SOCS3-überexprimierender Keratinozyten in der Bereitstellung proentzündlicher Mediatoren hindeuteten, konnten in vitro-Untersuchungen keinen proinflammatorisch veränderten Phänotyp transgener Keratinozyten bestätigen. Dies impliziert, dass die unkontrollierte Entzündungsantwort im transgenen Mausmodell sehr wahrscheinlich sekundär aus der retardierten Reepithelialisierung hervorging. Demnach ist denkbar, dass die SOCS3-bedingte retardierte Epithelregenerierung auch während der diabetisch-gestörten Wundheilung in der ob/ob-Maus eine bislang unterschätzte, zentrale Position in der Ätiologie der Heilungsstörung einnimmt. Die interessanteste Beobachtung ergab sich nach systemischer Neutralisierung des antiinflammatorischen Wachstumsfaktors TGF-β, nachdem eine drastische, offenbar gegenregulatorische Steigerung der TGF-β1-Expression im Wundgewebe heilungsdefizienter, transgener Mäuse detektiert wurde. Überraschender Weise führte die Neutralisierung von TGF-β in der transgenen Maus trotz der nach wie vor massiven Entzündung zu einer deutlich verbesserten Heilungssituation, die in diesem Fall nicht - wie aus der Literatur bekannt - auf eine Verbesserung der Wundreepithelialisierung, sondern eher auf eine erhöhte Kontraktilität der Wunden zurückzuführen war. Einerseits verweist dies erneut auf den potenten proliferationshemmenden Einfluss der hohen SOCS3-Spiegel. Andererseits rückt damit die Entzündungsreaktion in den Bereich eines Epiphänomens ab, da gezeigt werden konnte, dass eine erhöhte Wundinflammation offensichtlich nicht zwingend ein Charakteristikum darstellt, das per definitionem negativ mit dem Heilungsfortschritt interferieren muss.
Octanoic acid (C8 FA) is a medium-chain fatty acid which, in nature, mainly occurs in palm kernel oil and coconuts. It is used in various products including cleaning agents, cosmetics, pesticides and herbicides as well as in foods for preservation or flavoring. Furthermore, it is investigated for medical treatments, for instance, of high cholesterol levels. The cultivation of palm oil plants has surged in the last years to satisfy an increasing market demand. However, concerns about extensive monocultures, which often come along with deforestation of rainforest, have driven the search for more environmentally friendly production methods. A biotechnological production with microbial organisms presents an attractive, more sustainable alternative.
Traditionally, the yeast Saccharomyces cerevisiae has been utilized by mankind in bread, wine, and beer making. Based on comprehensive knowledge about its metabolism and genetics, it can nowadays be metabolically engineered to produce a plethora of compounds of industrial interest. To produce octanoic acid, the cytosolic fatty acid synthase (FAS) of S. cerevisiae was utilized and engineered. Naturally, the yeast produces mostly long-chain fatty acids with chain lengths of C16 and C18, and only trace amounts of medium-chain fatty acids, i.e. C8-C14 fatty acids. To generate an S. cerevisiae strain that produces primarily octanoic acid, a mutated version of the FAS was generated (Gajewski et al., 2017) and the resulting S. cerevisiae FASR1834K strain was utilized in this work as a starting strain.
The goal of this thesis was to develop and implement strategies to improve the production level of this strain. The current mode of quantification of octanoic acid includes labor-intensive, low-throughput sample preparation and measurement – a main obstacle in generating and screening for improved strain variants. To this end, a main objective of this thesis was the development of a biosensor. The biosensor was based on the pPDR12 promotor, which is regulated by the transcription factor War1. Coupling pPDR12 to GFP as the reporter gene on a multicopy plasmid allowed in vivo detection via fluorescence intensity. The developed biosensor enabled rapid and facile quantification of the short- and medium-chain fatty acids C6, C7 and C8 fatty acids (Baumann et al., 2018). This is the first biosensor that can quantify externally supplied octanoic acid as well as octanoic acid present in the culture supernatant of producer strains with a high linear and dynamic range. Its reliability was validated by correlation of the biosensor signal to the octanoic acid concentrations extracted from culture supernatants as determined by gas chromatography. The biosensor’s ability to detect octanoic acid in a linear range of 0.01-0.75 mM (≈1-110 mg/L), which is within the production range of the starting strain, and a response of up to 10-fold increase in fluorescence after activation was demonstrated.
A high-throughput FACS (fluorescence-activated cell sorting) screening of an octanoic acid producer strain library was performed with the biosensor to detect improved strain variants (Baumann et al., 2020a). For this purpose, the biosensor was genomically integrated into an octanoic acid producer strain, resulting in drastically reduced single cell noise. The additional knockout of FAA2 successfully prevented medium-chain fatty acid degradation. A high-throughput screening protocol was designed to include iterative enrichment rounds which decreased false positives. The functionality of the biosensor on single cell level was validated by adding octanoic acid in the range of 0-80 mg/L and subsequent flow cytometric analysis. The biosensor-assisted FACS screening of a plasmid overexpression library of the yeast genome led to the detection of two genetic targets, FSH2 and KCS1, that in combined overexpression enhanced octanoic acid titers by 55 % compared to the parental strain. This was the first report of an effect of FSH2 and KCS1 on fatty acid titers. The presented method can also be utilized to screen other genetic libraries and is a means to facilitate future engineering efforts.
In growth tests, the previously reported toxicity of octanoic acid on S. cerevisiae was confirmed. Different strategies were harnessed to create more robust strains. An adaptive laboratory evolution (ALE) experiment was conducted and several rational targets including transporter- (PDR12, TPO1) and transcription factor-encoding genes (PDR1, PDR3, WAR1) as well as the mutated acetyl-CoA carboxylase encoding gene ACC1S1157A were overexpressed or knocked out in producer or non-producer strains, respectively. Despite contrary previous reports for other strain backgrounds, an enhanced robustness was not observable. Suspecting that the utilized laboratory strains have a natively low tolerance level, four industrial S. cerevisiae strains were evaluated in growth assays with octanoic acid and inherently more robust strains were detected, which are suitable future production hosts.
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Biotechnological processes offer better production conditions for a wide variety of goods of industrial interest. The production of aromatic compounds, for example, involves molecules of great value for cosmetic, plastic, agrochemical and pharmaceutic industries. However, the yield of such processes frequently prevents a proper implementtation that would allow the replacement of traditional production processes.
Numerous rational engineering approaches have been attempted to enhance metabolic pathways associated with desired products. Unfortunately, genetic modifications and heterologous pathway expression often lead to a higher metabolic burden on the producing organisms, ultimately leading to reduced production levels and fitness.
This project utilised adaptive laboratory evolution to better understand the development of synthetic cooperative consortia, using S. cerevisiae as a model organism. Specifically, a synthetic cooperative consortium was developed around the exchange of lysine and tyrosine, which was subjected to adaptive laboratory evolution aiming to induce mutations that would improve the system’s fitness either by enhanced production or upgraded stress resistance. Consequently, the mutant strains isolated after the evolution rounds were sequenced to identify relevant variations that could be related to the growth and production phenotypes observed.
The insights derived from this project are expected to contribute to further developing synthetic cooperative consortia with utilitarian purposes.
As fossil resources are diminishing, environmental concerns arise and chemical synthesis often involves expensive catalysts or extensive extraction procedures, the demand for production of industrially relevant compounds from renewable resources increases. In this context, engineering microorganisms for production of specialty chemicals, such as 3-alkylphenols, presents an attractive, environmental-friendly approach. 3-alkylphenols have various applications: due to their antiseptic and stabilizing properties many 3-alkylphenols, including 3-methylphenol (3-MP), are utilized as additives in disinfectant reagents and biological products, while they can be also implemented as platform chemicals for production of lubricating oil additives or flavors. Some 3-akylphenols have potential for transmission control of the disease sleeping sickness that is transmitted by tsetse flies in sub-saharan Africa, since 3-ethylphenol (3-EP) and 3-propylphenol (3-PP) and to a lesser degree 3-MP were found to attract tsetse flies and improved catch rates in impregnated tsetse fly traps. Microbial fermentation of 3-alkylphenols would provide a simple and inexpensive way for local communities in Africa to produce these compounds and prepare their own tsetse fly traps.
Some molds synthesize 3-MP as an intermediate during biosynthesis of the mycotoxin patulin. However, the heterologous host Saccharomyces cerevisiae has advantageous traits for industrial application, since it is well characterized, robust, simple to handle and easily genetically accessible. In this thesis, genetical engineering approaches were utilized to establish the yeast S. cerevisiae for biotechnological production of 3-alkylphenols. As a proof of concept, the iterative polyketide synthase from Penicillium patulum, 6-methylsalicylic acid synthase (MSAS), and 6-methylsalicylic acid (6-MSA) decarboxylase PatG from Aspergillus clavatus were heterologously expressed in S. cerevisiae resulting in the first reported de novo biosynthesis of 3-MP via 6-MSA in yeast from sugars (Hitschler & Boles, 2019). It was shown that codon-optimization and genomic integration of heterologous genes, high initial cell densities and a balanced expression of PatG were beneficial for heterologous production of up to 589 mg/L 3-MP in S. cerevisiae. However, toxicity of 3-MP limited higher product accumulation.
Different in vivo detoxification strategies were implemented to face this bottleneck. Growth tests revealed that 3-methylanisole (3-MA) is less toxic to the yeast cells than 3-MP. Expression of an orcinol-O-methyltransferase from chinese rose hybrids (OOMT2) was combined with in situ extraction converting the toxic 3-MP product into the volatile 3-MA and accumulating up to 211 mg/L 3-MA in the dodecane phase. Alternatively, up to 533 mg/L 3-MP glucoside were synthesized by expression of a UDP-glycosyltransferase (UGT72B27) from Vitis vinifera in the 3-MP producing strain, revealing saccharose as beneficial carbon source and ethanol growth phase as essential for high 3-MP production, although 3-MP conversions were not yet complete. Both detoxification strategies allowed circumvention of the toxicity imposed limited product accumulation. This was demonstrated when both detoxification strategies were combined with redirection of the carbon flux through deletion of phosphoglucose isomerase gene PGI1 and feeding a mixture of fructose and glucose leading to majorly improved product formation, with up to 899 mg/L 3-MA/3-MP and 873 mg/L 3-MP/3-MP glucoside, compared to less than 313 mg/L product titers in the wild type controls (Hitschler & Boles, 2020).
For provision of the tsetse fly attractants 3-EP from propionyl-CoA and 3-PP from butyryl-CoA, the substrate promiscuities of MSAS and PatG were exploited. However, slower formation rates with the alternative substrates propionyl-CoA and butyryl-CoA suggested that competing formation of 6-MSA from the preferred priming unit acetyl-CoA was dominating in vivo. Indeed, 3-EP or 3-PP formation was not observed in 3-MP producing yeast strains. Assuming that intracellular levels of propionyl-CoA and butyryl-CoA were limiting 3-EP and 3-PP formation, different strategies were implemented to raise the supply of these alternative priming units and successfully compete with acetyl-CoA for MSAS priming.
Supplementation of propionate increased propionyl-CoA levels by endogenous pathways sufficiently to enable 3-EP formation in yeast mediated by MSAS and PatG. Deletion of the 2-methylcitrate synthases CIT2 and CIT3 revealed that degradation of propionyl-CoA was not limiting 3-EP formation at this stage. In order to raise propionyl-CoA levels further, a heterologous propionyl-CoA synthase (PrpE) was expressed in the 3-MP producing yeast strain leading to up to 12.5 mg/L 3-EP with propionate feeding and blockage of degradation. Moreover, PrpE enabled also 3-EP formation without propionate supplementation suggesting that an endogenous supply of propionate existed that was reactivated by PrpE. As threonine or 2-ketobutyrate feeding increased 3-EP titers in combination with PrpE, this indicated that threonine degradation via 2-ketobutyrate was responsible for the endogenous propionate supply. Moreover, expression of branched-chain ketoacid dehydrogenase complex from Pseudomonas putida combined with PrpE provided propionyl-CoA from endogenous 2-ketobutyrate and raised 3-EP titers up to 5.9 mg/L compared to 2.8 mg/L with only PrpE indicating a potential route for optimization of 3-EP titers independent of propionate or threonine feeding.
For 3-PP production from butyryl-CoA, a heterologous ‘reverse ß-oxidation’ pathway was introduced in the 3-MP producing yeast strain providing sufficient butyryl-CoA for biosynthesis of up to 2 mg/L 3-PP. Degradation of the precursor via ß-oxidation was slightly limiting, since deletion of fatty acyl-CoA oxidase POX1 increased 3-PP titers slightly to 2.6 mg/L.
As the concentrations of 3-alkylphenols are close to the concentrations implemented in tsetse fly traps, the engineered yeast strains have the potential for simple and inexpensive on-site production of 3-alkylphenols as tsetse fly attractants by local rural communities in Africa. In spite of this success, 3-MP remained the main product in the developed yeast strains. Since 3-EP and 3-PP are more efficient tsetse fly attractants, a shift in substrate specificities of MSAS and PatG is desirable for a more favorable 3-EP/3-MP and 3-PP/3-MP product ratio regarding tsetse fly attraction. During rational engineering of MSAS, the MSASQ625A/I752V mutant showed a beneficial shift of product ratios with up to 11 mg/L 3-EP/63 mg/L 3-MP and 4.5 mg/L 3-PP/116 mg/L 3-MP, compared to a higher proportion of 3-MP with up to 343 mg/L, 11 mg/L 3-EP and 1.5 mg/L 3-PP in the wild type controls. Further engineering of MSAS and PatG might majorly improve production of 3-EP and 3-PP.
In summary, this thesis successfully established the yeast S. cerevisiae as cell factory for production of different 3-alkylphenols optimizing expression of the heterologous production pathway, elucidating means to detoxify products and establishing different approaches to increase intracellular levels of acyl-CoA precursors. The engineered yeast strains can be potentially implemented for simple and inexpensive fermentation of tsetse fly attractants in Africa.
If the biotechnological production of chemicals can further replace or support regular synthetic chemistry, industry will be able to move away from fossil oils towards renewable sources. However, in many cases the much needed adaptation of biotechnological production systems is not yet developed to the necessary level.
For processes where short fatty acids (FA) are needed, as for example in the microbial production of biofuels in the gasoline range, protein engineering had not yet delivered feasible solutions. In this thesis, several approaches to introduce chain length control on type I fatty acid synthases (FAS) were established and made available in a publication and two patents. Therein, engineering was focused on rational design based on available structural information.
First, the type I FAS from C. ammoniagenes was used as a model enzyme to probe modifications on FAS in a low complex in vitro environment in order to gain information about structure-function relationships. At this stage, engineering was conducted in several rounds, first addressing possible ways to alter product distributions by changing substrate affinities through concise mutations in binding channels. Several FAS constructs were generated ranging from first successes, where short FA were produced as side products, to FAS where native chain length programming was overwritten and only short FA were produced.
Furthermore, another engineering target was addressed with the modification of domain-domain interactions on FAS. For its exploitation to direct synthesis, contact surfaces on catalytic domains were changed to interfere with acyl carrier protein binding. This channeling of the kinetic process on the enzyme led to similar successes and short FA became the primary product.
The two approaches have proven to be potent tools to introduce systems of chain length control in FAS. This rational engineering has the big advantage that it is mostly minimally invasive and due to the high conservation of de novo FA synthesis, individual mutations could easily be used in other FAS (and their organisms) as well. Even heterologous expression of modified FAS genes is feasible.
Engineering was not only tested in a defined in vitro environment and but also in S. cerevisiae as an exemplary in vivo system. The results eventually confirmed the in vitro findings and proved that the chosen engineering could be transferred to more complex systems. Even before any optimization for highest output, the titers of short FA from S. cerevisiae fermentation matched previous reports with 118 mg/L.
In sum, this work covers several layers from basic research to preliminary applications. The presented modifications to create short FA producing FAS can be a key step in synthesis pathways and will likely enable a whole range of new succeeding research. It can be seen as a valuable contribution towards establishing novel ways for the production of chemicals from renewable sources.
Die halophilen Archaea Haloferax volcanii und Halobacterium salinarum haben sich aufgrund ihrer metabolischen Vielseitigkeit und der Verfügbarkeit vieler molekulargenetischer und biochemischer Techniken zu archaealen Modellorganismen für die Untersuchung zellulärer Prozesse entwickelt. In den vergangenen Jahren wurden eine Vielzahl prokaryaler Genome sequenziert, es zeigte sich jedoch, dass ca. 30% aller Gene keine Funktion zugeordnet werden kann. Die funktionelle Genomforschung zielt darauf, durch parallele genomweite Untersuchung der Genexpression die Funktion der Transkripte bzw. der Proteine aufzuklären. In der vorliegenden Arbeit wurden für beide halophilen Archaea genomweite Genexpressionsanalysen unter Verwendung der DNA-Mikroarray- Technologie etabliert. Aufgrund der derzeit nicht vorhandenen Genomsequenz wurde für die Untersuchung der Genexpression von H. volcanii der erste und bisher einzig beschriebene genomweite shotgun-DNA-Mikroarray konstruiert. Dazu wurde zunächst eine Genombibliothek mit einer durchschnittlichen Fragmentgröße von 1,5 kb hergestellt. Die Genombibliothek wurde anschließend in eine PCR-Produkt-Bibliothek umgewandelt, die dazu genutzt wurde, in einem hochdichten Raster zwei DNA-Mikroarrays herzustellen, einen 960-Sonden DNA-Mikroarray zur Etablierung und Optimierung der Methode und einen 2880-Sonden DNA-Mikroarray, der einer einfachen Genomabdeckung entspricht. Für den Vergleich der Genexpression nach einer Änderung der Kohlenstoffquelle wurden Zellen von H. volcanii einem Wechsel von Wachstum mit Aminosäuren zu Wachstum mit Glukose als alleiniger Kohlenstoff-Quelle unterzogen. Die Transkriptomänderungen vom Wechsel der Kohlenstoff-Quelle bis zum erneuten Beginn des exponentiellen Wachstums wurden zu fünf Zeitpunkten mit dem 2880-Sonden DNA-Mikroarray analysiert. Es wurden fünf verschiedene Klassen kinetisch gleichregulierter Gene gefunden, die entweder induziert, reprimiert oder transient induziert waren. Insgesamt wurden ca. 10% aller Gene zu mindestens einem Zeitpunkt mehr als 2,5 fach reguliert. Für Gene aller fünf Klassen wurden die Ergebnisse durch Northern-Analysen verifiziert. Die Identität der regulierten Gene wurde durch Sequenzierung der PCR-Produkte von beiden Enden ermittelt. Es wurde ein breites Spektrum an Genen identifiziert, deren Genprodukte für unterschiedliche funktionelle Kategorien wie Stoffwechselenzyme, ABC-Transporter, regulatorische Proteine und hypothetische Proteine usw. kodieren. Viele gleichregulierte Gene kodieren für Proteine gemeinsamer Funktion. Erwartete wie auch unerwartete Ergebnisse erlaubten Vorhersagen über den zentralen Metabolismus, die Transportkapazität und der zellulären Organisation bei Wachstum von H. volcanii auf Aminosäuren bzw. Glukose. Die Mikroarray-Analysen stehen im Einklang mit der Wachstumsrate und dem Ribosomengehalt von H. volcanii bei Wachstum auf den alternativen Kohlenstoffquellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ein shotgun-DNA-Mikroarray mit einfacher Genomabdeckung die Charakterisierung der Regulation metabolischer Prozesse sowie die funktionelle Charakterisierung von Proteinen bzw. Proteinkomplexen erlaubt. Für Halobacterium salinarum, dessen Genomsequenz bekannt ist, wurde ein genomweiter genspezifischer DNA-Mikroarray konstruiert. Hierzu wurde jeder ORF des Genoms unter Verwendung von ORF-spezifischen Oligonukleotiden mittels PCR amplifiziert. Zur Etablierung dieses Systems wurden zunächst mit einem 200-Sonden DNA-Mikroarray exemplarisch Genexpressionsanalysen für zwei verschiedene Wachstumsbedingungen durchgeführt. Bei anaeroben Wachstum von H. salinarum durch fermentativen Argininabbau wurden im Vergleich zu aeroben Wachstum die für die Argininfermentation essentiellen Gene induziert. Dagegen wurden charakteristische Gene des aeroben Stoffwechsels reprimiert. Zur Untersuchung des Zellzyklusses von H. salinarum wurde der genomweite genspezifische DNAMikroarray verwendet. Um erstmals genomweit die zellzyklusspezifische Genexpression eines Archaeons zu analysieren, wurden Zellen von H. salinarum durch eine reversible Zellzyklusblockade mit Aphidicolin, einem DNA-Polymerase Inhibitor, synchronisiert. Vorläufige Transkriptomstudien mit einer synchron wachsenden H. salinarum-Kultur deuten an, dass die Transkription der Mehrzahl der Gene im Verlauf des Zellzyklusses nicht reguliert wird. Die Untersuchungen dieser Arbeit bilden die Grundlage für genomweite funktionelle Charakterisierungen haloarchaealer Genexpression und Regulationsprozesse.