Metabolic Engineering von Corynebacterium glutamicum zur Produktion von Methionin

Abstract

Methionin wird bisher nicht biotechnologisch, sondern chemisch produziert. In dieser Arbeit wurde eine neue Strategie zum rationalen Design eines Methioninproduzenten von C. glutamicum verfolgt. Basierend auf der Elementarmodenanalyse des metabolischen Netzwerks von C. glutamicum wurde eine Kombination von vier Gendeletionen zur Kopplung von Wachstum und Methioninproduktion selektiert und in C. glutamicum implementiert. Nach einer Adaption wuchs die Mutante auf Minimalmedium, allerdings ohne Methionin zu produzieren. Metabolom- und Fluxomanalyse zeigten eine Umleitung des Kohlenstoffflusses zu Serin. Serin wurde jedoch zu Pyruvat abgebaut, weshalb die Mutante ohne Methioninproduktion wachsen konnte. Dieser Abbau wurde auch in Dreifach-Deletionsmutanten zur Kompensation der gleichzeitigen Deletion von Pyruvat-Kinase und PEP-Carboxylase beobachtet. Da auch die zusätzliche Deletion der Serin-Dehydratase nicht zur Methioninproduktion führte, mussten weitere Reaktionen für den Serinabbau vorhanden sein, etwa die Nebenaktivität der Cystathionin-β-Lyase, die jedoch als Teil aller selektierten Moden nicht deletiert werden kann. Die Untersuchung des Einsatzes von Thiosulfat zur Methioninproduktion zeigte, dass dieses bei gleichwertiger Nutzung der Schwefelatome zur Einsparung von NADPH in einem zukünftigen Produktionsprozess beiträgt. Während eine S-Sulfocystein-Synthase zur Thiosulfat-verwertung wahrscheinlich auszuschließen ist, legten Markierungsexperimente eine Spaltung des Thiosulfats in Sulfid und Sulfit nahe, was mit einer Thiosulfat-Sulfurtransferase-Aktivität in Einklang stünde.

Currently methionine is exclusively derived from chemical synthesis and cannot be produced biotechnologically. In this work a new strategy for the rational design of a methionine producing C. glutamicum strain was applied. Based on the elementary mode analysis of the metabolic network of C. glutamicum, a set of four gene deletions to couple cell growth with methionine production was selected and implemented in C. glutamicum. After an adaption, the cells were able to grow on minimal medium without producing methionine. Metabolome and fluxome analyses revealed a rearrangement of the carbon flux towards serine synthesis. However, the degradation of serine to pyruvate was activated thus still supporting modes with pure biomass formation. This degradation was also observed in triple-deletion mutants compensating for the concomitant loss of pyruvate kinase and PEP-carboxylase. As the deletion of serine dehydratase did not lead to methionine production either, further reactions such as the side activity of cystathionine-β-lyase had to be responsible for serine degradation. As a part of all the selected elementary modes this enzyme cannot be deleted. Studies concerning thiosulfate as a sulfur source for methionine production showed that an equivalent use of its two sulfur atoms would reduce NADPH consumption in a future production process. With S-sulfocysteine synthase activity likely to be excluded tracer experiments suggested thiosulfate cleavage into sulfide and sulfite, which would be consistent with thiosulfate sulfurtransferase activity.