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Ein systembiologischer Ansatz für die Analyse des morphogenetischen Netzwerkes von Aspergillus niger, welches Wachstum und Produktbildung vereint

Fachliche Zuordnung Bioverfahrenstechnik
Förderung Förderung von 2020 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431657715
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Filamentöse Pilze wie Aspergillus niger werden in der Biotechnologie genutzt, um nachwachsende Rohstoffe in Nahrungsmittel, Medikamente und Plattformchemikalien umzuwandeln. Während einer submersen Fermentation entstehen hierbei verschiedene makroskopische Myzelmorphologien wie Pellets oder dispergiertes Myzelien. Bisherige Daten zeigten, dass die Makromorphologie entscheidend für die Produktivität der Fermentationsprozesse ist. Allerdings war bisher wenig über die genetischen und (sub)zellulären Grundlagen verschiedener Makromorphologien bekannt und wie diese mit der Produktivität zusammenhängen. Das Ziel dieser Studie war daher, genetische Ansätze zu entwickeln, die die makroskopische Morphologie von A. niger während der Fermentation vorhersagen und gezielt steuern können sowie zu quantifizieren, wie diese mit der Zitronensäure- oder Proteinproduktion verknüpft ist. Hierzu wurde mit Hilfe von Koexpressionsnetzwerkdaten 57 sogenannte „Morphogene“ vorhergesagt, deren Expression mit dem Zitronensäurezyklus verbunden sind. In einer Zusammenarbeit zwischen der Technischen Universität Berlin und dem Tianjin Institute of Biotechnology wurden eine Expressionsbank für Morphogene (n = 45 Stämme) erstellt und systembiologisch, genetisch, metabolisch sowie mikroskopisch untersucht und folgende zentrale Erkenntnisse gewonnen: (i) Die Pelletbildung von A. niger hängt hauptsächlich von der Fitness, d.h. robustem Wachstum, und nicht von der Hyphenmorphologie ab; (ii) Pelletparameter wie Größe und Form werden durch eine Kombination aus Fitness und Hyphenverzweigung bestimmt; (iii) Wachstumsraten, Pelletmakromorphologie und Heterogenität der Kultur sind eng miteinander verknüpft, können jedoch durch eine moderate Expression des Protein-Kinase-kodierenden Gens pkh2 entkoppelt werden; (iv) Morphogene mit einer potenziellen Funktion im Golgi bzw. für die Proteinsekretion beeinflussen die Makromorphologie am stärksten (sec26, sec27, cog4), erhöhen eher selten die Proteinausbeute, können aber bemerkenswerterweise die Zitronensäureproduktion unterbinden (secG, geaB, ageB); (v) Eine erhöhte Expression des Gens pkaC kann den Zitronensäuretiter in kommerziell genutzten A. niger Stämmen fast verdoppeln; (vi) Optimale Zitronensäuretiter hängen von einer weniger kompakten „haarigen“ Pelletoberfläche ab; (vii) Pellets mit einem Durchmesser von etwa 2 mm sind optimal für hohe Proteintiter erfordern jedoch auch geschwächte Hyphenzellwände. Die im Rahmen dieser Studie entwickelten molekularen Werkzeuge, Daten und Protokolle ermöglichen nun erstmals eine präzise genetische Steuerung der Makromorphologie von A. niger und damit neue genetische Ansätze für Fermentationsoptimierungen.

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