Improving bio-based succinate production with Basfia succiniciproducens through evolutionary engineering

Abstract

The contemporary public and economic awareness for sustainable and ecological technologies drive the industrial development of superior biotechnological processes for bulk and fine chemicals. Regarding top-value compounds within this context, production of bio-based succinate is a highly anticipated industrial process due to its wide industrial applicability. In this work, naturally succinate producing Basfia succiniciproducens was systematically evolved towards improved production and tolerance properties. Small scale CO2-enriched sequential batch cultivations enabled for successful adaptation, evaluated by cell growth and production performance. Evolved phenotypes exhibited improved abilities to cope with the applied stress such as growing at 42 °C, at a pH of 5.2 and with 25 g L-1 succinate – conditions not feasible for the wild-type strain. In addition, they outperformed the parent strain at standard conditions in respect to growth and succinate production reaching a maximum productivity of 2.9 g L-1 h-1. Systems biology approaches were then applied to identify the underlying genotype-phenotype correlations. Most promising targets thereof were selectively introduced into defined production hosts and demonstrated clear improvements regarding temperature tolerance, productivity and cell separation. Taken together, this work is an important contribution to the breeding of superior cell factories of B. succiniciproducens for bio-based succinate production.

Das öffentliche und wirtschaftliche Interesse an nachhaltigen, ökologischen Technologien ist Antrieb für die Entwicklung innovativer biotechnologischer Prozesse für Bulk- und Feinchemikalien. Ein Schwerpunkt liegt hier auf der biobasierten Herstellung von Succinat, einem Produkt mit vielfältigen Anwendungsbereichen. In dieser Arbeit wurde Basfia succiniciproducens, ein natürlicher Succinat-Produzent, zur Verbesserung der Produktions- und Toleranzeigenschaften systematisch adaptiert. Ein sequentielles Kultivierungsverfahren unter CO2-Atmosphäre ermöglichte die erfolgreiche Adaption, mit Zellwachstum und Produktivität als Indikatoren. Die generierten Phänotypen zeichneten sich durch verbesserte Stresseigenschaften gegenüber erhöhter Temperatur und Produktkonzentration sowie niedrigerem pH-Wert aus (42 °C, 25 g L-1 Succinat, pH 5.2) – Bedingungen, unter denen der Wildtyp kein Wachstum aufweist. Zudem übertrafen Wachstums- und Produktionseigenschaften unter Standardbedingungen die des Ausgangsstamms (Pmax = 2.9 g L-1 h-1). Zur Identifizierung der zugrundeliegenden Genotyp-Phänotyp Beziehungen wurden systembiologische Methoden herangezogen. Erfolgsversprechende Targets wurden in definierte Produktionsstämme eingebracht und führten zu signifikanter Verbesserung von Temperaturtoleranz, Produktivität und Zellseparation. Diese Arbeit stellt somit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Etablierung von B. succiniciproducens als Zellfabrik für die biobasierte Succinatproduktion dar.