Improved L-lysine production in Corynebacterium glutamicum by rational strain engineering

Abstract

The soil bacterium Corynebacterium glutamicum is the major organism for the production of the amino acid L-lysine, an important nutrient in animal feedstock. This study investigated new strategies for bioprocess and genetic engineering of C. glutamicum towards production of L-lysine. In aerobic cultivations, routinely performed in shake-flasks, the dissolved oxygen concentration is a critical often neglected parameter. Here, oxygen mass transfer was determined in disposable shake-flasks under different conditions. Based on the results, a mathematical correlation was developed allowing the prediction of the maximum possible cell concentration achievable without oxygen limitation. The developed tool is valuable for cultivations with costly carbon sources and nutrient additives. From a metabolic perspective, lysine production depends on a sufficient supply of precursors as well as an accurate regulation of metabolic fluxes. Thus, genetic tools were generated to modify selected genes. The strategies aimed to increase the availability of the essential cofactor NADPH and to manipulate gene expression levels using cofactor-engineering and a promoter library, respectively. In both cases modulation of individual target genes resulted in an increased lysine yield. The developed approaches seem valuable also for other fermentation processes.

Das Bakterium Corynebacterium glutamicum ist der Hauptproduzent für die Aminosäure L-Lysin, einem wichtigen Futtermittelzusatz in der Tiermast. In dieser Studie wurden neue Strategien für die bioprozesstechnische und die genetische Optimierung von C. glutamicum für die Produktion von L-Lysin untersucht. In aeroben Kultivierungen, die üblicherweise in Schüttelkolben durchgeführt werden, ist die Gelöstsauerstoffkonzentration ein kritischer und oft vernachlässigter Parameter. Hier wurde der Sauerstofftransport unter verschiedenen Bedingungen in Einweg-Schüttelkolben bestimmt. Anhand der Ergebnisse wurde ein mathematisches Modell entwickelt, dass die Vorhersage der maximal möglichen Zellkonzentration erlaubt, welche ohne O2 -Limitierung erreicht werden kann. Das entwickelte Modell ist besonders nützlich bei Kultivierungen mit kostspieligen Kohlenstoffquellen und Additiven. Betrachtet man metabolische Gesichtspunkte, so hängt die Lysin-Produktion von einer ausreichenden Versorgung mit Vorläuferstoffen sowie einer genauen Regulation der Stoffflüsse ab. Daher wurden genetische Tools entwickelt um ausgewählte Gene zu modifizieren. Ziel war es die Verfügbarkeit des Cofaktors NADPH durch Cofaktor-Engineering zu erhöhen sowie Expressionslevel durch eine Promoter-Bibliothek zu manipulieren. In beiden Fällen resultierte die Veränderung einzelner Zielgene in einer Erhöhung der Lysin-Ausbeute. Die entwickelten Verfahren könnten auch für andere Fermentationsprozesse nützlich sein.