Riboflavin production with Ashbya gossypii: a 13C high-resolution metabolic network analysis under industrial process conditions

Abstract

The fungus Ashbya gossypii is an important industrial producer of riboflavin, i.e. vitamin B2. Here, we developed and then used a highly sophisticated set-up of parallel 13C tracer studies with labeling analysis by GC/MS, LC/MS, 1D, and 2D NMR to resolve carbon fluxes and obtain a detailed picture of the underlying metabolism in the overproducing strain A. gossypii B2 during growth and riboflavin production from a complex industrial medium using vegetable oil as carbon source. Glycine was exclusively used as carbon-two – but not carbon-one (C1) – donor of the vitamin’s pyrimidine ring due to the proven absence of a functional glycine cleavage system. Yeast extract was the main carbon source during growth, while still contributing 8 % overall carbon to riboflavin. Overall carbon flux from rapeseed oil into riboflavin equaled 80 %. Transmembrane formate flux simulations revealed that the C1-supply displayed a severe bottleneck during the initial riboflavin production, which was overcome in later phases of the cultivation by intrinsic formate accumulation. The transiently limiting C1-pool was successfully replenished by time-resolved feeding of formate or serine. This increased the intracellular precursor availability and resulted in a riboflavin titer increase of 45 %. This study is the first that successfully sheds light on carbon fluxes during the growth and riboflavin production phase by use of 13C tracers and a complementary platform of analytical techniques.

Der Pilz Ashbya gossypii ist ein wichtiger industrieller Produzent für Riboflavin. In dieser Studie wurde eine anspruchsvolle Kombination an parallelen 13C Tracerexperimenten entwickelt und durchgeführt, wobei die Markierungen mittels GC/MS, LC/MS, 1D und 2D NMR analysiert wurden, um die Kohlenstoffflüsse in dem Überproduzenten A. gossypii B2 sowohl im Wachstum als auch während der Riboflavinproduktion auf Komplexmedium mit Pflanzenöl als Kohlenstoffquelle, auflösen zu können. Glycin wurde ausschließlich als Zwei-Kohlenstoff-Donor – aber nicht C1-Donor – für den Pyrimidinring des Vitamins verwendet, was das Fehlen eines funktionalen Glycin-Decarboxylase-Komplexes bewies. Hefeextrakt (YE) war die wichtigste Kohlenstoffquelle während des Wachstums. Der Gesamtkohlenstofffluss von YE und Rüböl zu Riboflavin betrug entsprechend 8 % bzw. 80 %. Simulationen des transmembranen Formiatflusses zeigten, dass die C1-Bereitstellung während der frühen Riboflavinproduktion limitierend war, was in der späten Kultivierungsphase durch intrinsische Formiatbildung überwunden wurde. Der transient limitierende C1-Pool wurde erfolgreich durch die zeitaufgelöste Zugabe von Formiat oder Serin aufgefüllt. Dies steigerte den Produkttiter um 45 % durch erhöhte Verfügbarkeit von Vorläufermolekülen. Diese Studie ist die Erste, die Aufschluss über Stofflüsse während des Wachstums und der Riboflavinproduktion durch den Gebrauch von 13C Tracersubstanzen und komplementären analytischen Techniken gibt.