Systems metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for the production of L-lysine and ectoine

Abstract

The soil bacterium Corynebacterium glutamicum has gained tremendous industrial interest, for the biotechnological production of L-lysine and L-lysine derived products. This work assessed the cellular function of the L-lysine producer C. glutamicum LYS-12 at high temperature. The interpretation of transcriptome and proteome- data together with previously generated fluxome data, provided a detailed picture of the regulatory adaption of the cells to 38°C and suggested potential targets for metabolic engineering. In line, the duplication of the lysGE gene cluster increased the L-lysine yield by 7% to 460 mmol mol-1. Additionally, the synthesis of the valuable compatible solute ectoine was optimized in C. glutamicum via transcriptional balancing of the heterologous ectoine cluster. The shuffling of synthetic promoter and spacer elements yielded a library of the terminal ectoine pathway. Strongly increased production was enabled by regulatory elements of medium strength, where the increased expression of the gene ectB, as compared to ectA and ectC, appeared crucial. The most advanced ectoine producer C. glutamicum ectABCopt achieved 65 g L-1 ectoine in a fed-batch process. In addition, transcriptome profiling of ectoine producing C. glutamicum revealed a yet unknown export mechanism for ectoine, an interesting target for further metabolic engineering.

Das Gram-positive Bodenbakterium Corynebacterium glutamicum ist von großem industriellem Interesse und insbesondere für die biotechnologische Herstellung von L-Lysin und L-Lysin– verwandten Produkten von Bedeutung. Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des L-Lysin Produzenten C. glutamicum LYS-12, kultiviert bei erhöhten Temperaturen. Die Integration von Transkriptom-, Proteom- und bereits im Vorfeld generierten Fluxom-Daten, ergab neue Einsichten in die Adaptierung der Zellen an 38°C und brachte neue Strategien für die Stammoptimierung hervor. Die Verdopplung des Gen-Clusters lysGE führte zu einer Steigerung der L-Lysin Ausbeute um 7% auf 460 mmol mol-1. Des Weiteren wurde der terminale heterologe Ectoin-Synthese-Weg in C. glutamicum auf der Ebene des Transkriptoms optimiert. Durch das zufällige Abwechseln von Promotoren und regulatorischen Elementen konnte eine Ectoin-Plasmid Bibliothek erstellt werden. Eine hohe Produktion wurde durch regulatorische Elemente mittlerer Stärke erreicht, wobei die erhöhte Expression des Gens ectB, verglichen mit ectA und ectC, von besonderer Bedeutung zu sein schien. Der beste Produzent C. glutamicum ectABCopt erreichte einen Ectoin-Titer von 65 g L-1 in einem Fed-Batch Prozess. Anschließende Untersuchungen des Transkriptoms eines Ectoin produzierenden C. glutamicum Stammes, führten zu der Identifikation eines bislang unbekannten Export-Mechanismus für Ectoin, was ein interessantes Ziel für zukünftige Stammoptimierungen darstellt.