Improvement of Corynebacterium glutamicum for production of lysine and ectoine from industrial raw materials

Abstract

Corynebacterium glutamicum is of huge importance in the production of amino acids and has an impressive portfolio of substrates and products. In this thesis it was shown that elevated growth temperature led to decreased biomass yield and specific growth rate and to increased lysine yield. At 38°C, the lysine yield was ca. 40-55% higher than at 30°C. Metabolic flux analysis of C. glutamicum Lys12 revealed 101% flux through the pentose phosphate pathway at 38°C as compared to 86% at 30°C. In a fed-batch bioreactor setup, the cultivation at 38°C led to a 10% higher yield, as compared to 30°C. Also, C. glutamicum Lys12 was modified to allow for growth and lysine production from xylose via expression of the Escherichia coli genes xylA and xylB. The resulting strain C. glutamicum Xyl1 was able to grow at 0.17 1/h and converted xylose into lysine at a yield of 0.25 mol/mol. In a more industry-like fed-batch bioreactor setup 116 g/L lysine were produced with a xylose based medium. Finally, the Pseudomonas stutzeri ectABCD operon (with the osmosensitive promoter exchanged for a constitutive one and the codon usage of C. glutamicum considered) was expressed in C. glutamicum lysC T311I to enable ectoine production. This strain produced ectoine (19 mmol/mol) from glucose, but also lysine, which was stopped by deletion of lysE. Elevated temperatures led to improved ectoine secretion and 4.5 g/L ectoine could be produced in a fed-batch process at 35°C.

Corynebacterium glutamicum ist von großer Bedeutung für die Produktion von Aminosäuren und weist ein beeindruckendes Spektrum an Substraten und Produkten auf. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass erhöhte Wachstumstemperaturen zu reduzierter Biomasseausbeute und spezifischen Wachstumsrate sowie erhöhter Lysinausbeute führten. Bei 38°C lag die Ausbeute ca. 40-555 höher als bei 30°C. Metabolische Flussanalyse zeigte 101% Kohlenstofffluss durch den Pentosephosphatweg bei 38°C, während bei 30°C nur 86% erreicht wurden. In einem Fedbatch Prozesses im Bioreaktor war die Lysinausbeute bei 38°C 10% höher als bei 30°C. Das Einbringen der Escherichia coli Gene xylA und xylB in C. glutamicum ermöglichte außerdem Wachstum mit 0,17 1/h sowie Lysinproduktion mit einer Ausbeute von 0,25 mol/mol auf Xylose. In einem Fedbatch Bioreaktorexperiment wurden in einem auf Xylose basierten industrienahen Medium 116 g/L Lysin produziert. Schließlich wurde noch das Pseudomonas stutzeri ectABCD Operon (mit ausgetauschtem Promotor und berücksichtigter Codonverwendung) in C. glutamicum lysC T311I eingebracht, was die Ectoinproduktion von Glukose ermöglichte (19 mmol/mol). Die Sekretion des Nebenprodukts Lysin wurde durch Deletion von lysE unterbunden. Wie bei der Produktion von Lysin führten erhöhte Temperaturen zu einer verbesserten Ectoinproduktion und in einem Fedbatch Bioreaktor konnten bei 35°C 4,5 g/L Ectoin produziert werden.