Koproduktion von 1,3-Propandiol und 3-Hydroxypropionsäure aus Glycerin durch Clostridium pasteurianum

• Antragsteller: Dr. Kai Schuchmann
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290250425

Die anthropogene CO2-Emission, vorwiegend aufgrund der Verbrennung von fossilen Brennstoffen, führt zu immer weiter steigenden atmosphärischen CO2-Konzentrationen und damit verbundenen globalen Klimaveränderungen. Das Begrenzen dieser Prozesse sowie die unausweichliche Limitierung der fossilen Brennstoffe fordern die Entwicklung von alternativen, nachhaltigen Wegen zur Produktion von Treibstoffen und Chemikalien. Alternative biobasierte Verfahren waren bisher überwiegend auf die Nutzung von zuckerreichen, essbaren, Ausgangsstoffen fokussiert. Der hohe Preis der Rohstoffe begrenzt die Konkurrenzfähigkeit dieser Verfahren. Ein im Gegensatz zu Zuckern billigerer Ausgangsstoff ist Rohglycerin, dem primären Nebenprodukt der Biodieselproduktion, durch dessen Verbreitung der Preis für Rohglycerin in den letzten Jahren dramatisch gefallen ist. Darüber hinaus stellt die kostenintensive Entsorgung dieses Nebenprodukts eine große Belastung für einige Biodiesel-Unternehmen dar. Die Umsetzung dieses Nebenprodukts würde die Ausbeute an wertvollen Endprodukten steigern und könnte durch Senkung der Produktpreise einen Beitrag zur Biodieselindustrie leisten. Ein vielversprechender Kandidat zur Verwertung von Glycerin ist Clostridium pasteurianum. Bakterien der Gattung Clostridium haben große Vorteile gegenüber klassischen Modellorganismen wie der Hefe Saccharomyces cerevisiae oder Escherichia coli bezüglich der Flexibilität der nutzbaren Substrate sowie der Toleranz gegenüber toxischen Substanzen. Die Entwicklung von Werkzeugen zur genetischen Modifikation dieser Organismen hat jedoch erst kürzlich begonnen. Das Endprodukt der Verwertung von Glycerin durch C. pasteurianum ist 1,3-Propandiol (1,3-PD). Diese Substanz ist eine industriell wertvolle Verbindung, die unter anderem zur Synthese von Polymeren wie Polyester eingesetzt werden kann. Aufgrund metabolischer Beschränkungen kann 1,3-PD jedoch nicht als einziges Endprodukt aus Glycerin gebildet werden und die Bildung von Nebenprodukten zur Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten ist unausweichlich. Jedoch könnten wertvolle Nebenprodukte wie z.B. 3-Hydroxypropionsäure (3-HP) diese Funktion übernehmen und damit Ausbeute und Kosten eines solchen Prozesses deutlich verbessern. Das beantragte Projekt zielt aus diesem Grund auf die genetische Modifikation von C. pasteurianum zur gleichzeitigen Produktion von 1,3-PD sowie 3-HP aus Glycerin. Hierfür sollen heterologe Stoffwechselwege eingefügt sowie die natürlichen Stoffwechselwege modifiziert werden, um die Produktbildung in Richtung der gewünschten Endprodukte zu treiben. 3-HP ist ein vielversprechender C3-Ausgangsstoff für die Synthese von Basis- sowie Feinchemikalien. Das beantragte Projekt soll nicht nur zu einem vielversprechenden Produktionsstamm, sondern auch zur Verbesserung genetischer Werkzeuge für die medizinisch und industriell bedeutende Gruppe der Clostridien führen sowie ein besserer Verständnis des Stoffwechsels ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. Nigel P. Minton