Biosynthesis and heterologous production of polyunsaturated fatty acids from myxobacteria

Abstract

Polyunsaturated fatty acids (PUFAs), in particular the omega-3 PUFAs eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA), are associated with several beneficial health effects. As there is a high demand for these PUFAs, sustainable sources for industrial-scale production, e. g. microbial fermentation, have to be established as an alternative to fish oil. In the present work, the capability of terrestrial myxobacteria to produce PUFAs de novo via polyketide synthase-like enzymes known as PUFA synthases was intensively studied. Different types of PUFA biosynthetic gene clusters were identified and the corresponding product spectra were analyzed in detail. Due to restricted biotechnological and genetic amenability of the native producer strains, Synthetic Biotechnology approaches have been developed to successfully transfer and express myxobacterial PUFA biosynthetic pathways into suitable host strains. In addition to the myxobacterial model strain Myxococcus xanthus, Pseudomonas putida and the oleaginous yeast Yarrowia lipolytica turned out as promising host strains. Limitations related to the efficacy of the heterologous expression of the native biosynthetic pathways were addressed for the first time by the usage of PUFA gene clusters based on artificial DNA for PUFA production in the recombinant strains. Heterologous expression of mutated or hybrid PUFA gene clusters provided deeper insights into the synthetic mechanism of PUFA synthases.

Mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFAs), insbesondere die Omega-3-PUFAs Eicosapentaensäure (EPA) und Docosahexaensäure (DHA), zeigen vielfältige gesundheitsfördernde Wirkungen. Da eine hohe Nachfrage nach diesen PUFAs besteht, müssen nachhaltige Quellen für die Produktion im Industriemaßstab, wie z. B. die mikrobielle Fermentation, als Alternative zu Fischöl etabliert werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Fähigkeit von terrestrischen Myxobakterien, PUFAs mit Polyketidsynthasen verwandten PUFA-Synthasen de novo zu produzieren, intensiv studiert. Es wurden verschiedene Typen von PUFA-Biosynthesegenclustern identifiziert und ihre Produktspektren im Detail analysiert. Da die nativen Produzentenstämme biotechnologisch und genetisch schwer zugänglich sind, wurden Methoden der Synthetischen Biotechnologie zur erfolgreichen Übertragung und Expression der myxobakteriellen PUFA-Biosynthesewege in geeigneten Wirtsstämmen entwickelt. Neben dem myxobakteriellen Modellstamm Myxococcus xanthus haben sich Pseudomonas putida und die Fetthefe Yarrowia lipolytica als vielversprechende Wirtsstämme erwiesen. Um Einschränkungen bei der Effizienz der heterologen Expression von nativen Biosynthesewegen zu beheben, wurden erstmals auf künstlicher DNA basierte PUFA-Gencluster für die PUFA-Produktion in den rekombinanten Stämmen eingesetzt. Die heterologe Expression mutierter oder hybrider PUFA-Gencluster lieferte tiefere Einblicke in den Synthesemechanismus der PUFA-Synthasen.