Communities of niche-optimized strains (CoNoS) – Ein neues Konzept zur Verbesserung der biotechnologischen Produktion von kleinen Molekülen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Meike Baumgart; Dr. Stephan Noack
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427904493

Die Mehrheit biotechnologischer Produktionsprozesse für kleine Moleküle basiert auf Reinkulturen von einzeln konstruierten Produktionsstämmen. Diese Stämme besitzen oft Überkapazitäten von zentralen metabolischen Proteinen, da dies ein natürlicher Mechanismus zur Anpassung an sich verändernde Umweltbedingungen ist. In der vergleichsweise gut definierten Umgebung eines Bioreaktors stellen diese ungenutzten Überkapazitäten einen Verlust von Kohlenstoff und Energie dar. Um diese Überkapazitäten für die Produktion von kleinen Molekülen nutzbar zu machen, wollen wir eine synthetische Gemeinschaft von Nischen-optimierten Stämmen (CoNoS, von englisch „Community of niche-optimized strains“) konstruieren. Eine CoNoS besteht aus mindestens zwei Stämmen derselben Spezies, jede auxotroph für eine oder mehrere Aminosäuren. Die Stämme sollen sich gegenseitig mit den entsprechenden Aminosäuren füttern und dadurch Kohlenstoff und Energie einsparen, da sie die natürlicherweise vorhandenen Produktionskapazitäten für eine der Aminosäuren effizienter nutzen. Ähnliche Gemeinschaften, in denen sich genomreduzierte, auxotrophe Bakterien gegenseitig füttern, haben sich auch in der Natur vielfach entwickelt, was demonstriert, dass es einen deutlichen Fitnessvorteil im Vergleich zu den technisch genutzten, prototrophen Reinkulturen geben muss. Das übergeordnete Ziel unseres Projektes ist die Entwicklung von CoNoS, welche ausgewählte Aminosäuren effizienter herstellen, als die Reinkulturen der derzeitig besten Produzenten. Hierfür werden wir ausgehend von dem kürzlich eingeführten genomreduzierten Corynebacterium glutamicum Chassis C1* neue Stämme konstruieren, die Deletionen ganzer, ausgewählter Aminosäurebiosynthesewege tragen. Die Leistungsfähigkeit dieser Stämme wird sowohl in Reinkultur bei externer Bereitstellung der entsprechenden Aminosäure als auch in sich gegenseitig fütternden Gemeinschaften quantitativ untersucht. Um die wechselseitige Fütterung und das Wachstum der Gemeinschaft zu optimieren, werden wir adaptive Laborevolution nutzen, gefolgt von einer detaillierten molekularen Analyse der Mutationen, die sich in diesen Experimenten angereichert haben. Hierdurch werden wir besser verstehen, wie die Stämme in einer solchen Gemeinschaft interagieren. Darüber hinaus werden wir verfügbare Informationen für die rationelle Stammkonstruktion nutzen, um CoNoS Stämme der 2. Generation zu konstruieren, welche dann in die Fed-batch Prozessentwicklung übergehen. Die Stämme werden mit genomischen Markern gekennzeichnet, um auch eine quantitative Charakterisierung der synthetischen Mischkulturen entlang der Prozessentwicklung zu ermöglichen. Letztere wird auch unterstützt durch modellbasierte Analyse der CoNoS-Dynamiken unter Produktionsbedingungen mittels hochmoderner 13C/15N-metabolischer Stoffflussanalysen. Unser Projekt erfordert eine enge Vernetzung von Molekularbiologen und Bioprozessingenieuren, ein Ansatz der ideal durch das Interzell-Programm repräsentiert wird.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2170: Neuartige Produktionsverfahren durch skalenübergreifende Analyse, Modellierung und Gestaltung von Zell-Zell- und Zell-Bioreaktor-Interaktionen (InterZell)