Systems metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for the production of five-carbon platform chemicals

Abstract

The increasing demand for plastics along with environmental concerns, drive the development of sustainable alternatives to petrochemically derived polymers: production of chemicals in biorefineries with stream lined microbial cell factories. In this regard, the microbe Corynebacterium glutamicum has evolved into an excellent production host throughout the years, due to its broad substrate and product spectrum. This work focused on systems metabolic engineering of C. glutamicum towards de novo production of 5 aminovalerate and glutarate, two promising building blocks for bioplastics. In a first step, conversion of 5 aminovalerate and the elimination of by-product formation were addressed. Additionally, the 5-aminovalerate export was enhanced via integration of the 4 aminobutyrate export protein (PP2911) from Pseudomonas putida. The final strain C. glutamicum AVA 6 produced 47 g L-1 5 aminovalerate in a fed batch fermentation process, without any side-product accumulation. High-level production of glutarate was subsequently achieved via extension of the endogenous 4 aminobutyrate pathway. The re assimilation of secreted 5 aminovalerate led to the establishment of the novel GTA 3 strain, exhibiting a titer of 90 g L 1 glutarate in a fed batch process. Finally, the complete value chain was proven by purification of the bio based glutarate and subsequent polymerization into a novel bionylon 6,5. The investigation of the polymer characteristics revealed unique material properties.

Der stetig wachsende Plastikverbrauch und das steigende Umweltbewusstsein führen zur Entwicklung nachhaltiger Alternativen zu petrochemischen Polymeren wie z.B. der Produktion von Chemikalien in Bioraffinerien mittels mikrobieller Zellfabriken. In diesem Zusammenhang hat sich Corynebacterium glutamicum durch sein breites Substrat- und Produktspektrum zu einem exzellenten Produktionsorganismus entwickelt. Diese Arbeit befasst sich mit der de novo Herstellung von 5-Aminovalerat und Glutarat durch C. glutamicum, zwei vielversprechende Bausteine für die Bioplastikproduktion. Zunächst wurde die Degradierung von 5 Aminovalerat und die Produktion von Nebenprodukten eliminiert. Der Produktexport wurde durch Integration des 4-Aminobutyrat Transporters (PP2911) aus Pseudomonas putida verbessert. Der finale Stamm C. glutamicum AVA-6 produzierte fermentativ 47 g L 1 5 Aminovalerat. Anschließend wurde die Glutaratproduktion durch Erweiterung des endogenen 4 Aminobutyrat Stoffwechselweges optimiert. Die gesteigerte Wiederaufnahme von sekretiertem 5 Aminovalerat des neuen Stammes C. glutamicum GTA-3 ermöglichte die Produktion von 90 g L 1 Glutarat in einem Fermentationsprozess. Die komplette Wertschöpfungskette wurde durch Aufreinigung des bio-basierten Glutarats und anschließender Polymerisierung zu Bio-Nylon 6,5 vervollständigt. Die Materialeigenschaften des neuen Polymers erwiesen sich als bisher einzigartig.