Strain and bioprocess development for enhanced docosahexaenoic acid production in recombinant Yarrowia lipolytica

Abstract

Engineered strains of the oleaginous yeast Y. lipolytica produce commercially attractive polyunsaturated fatty acids (PUFAs). In a pioneering study, strain Af4 was shown to produce docosahexaenoic acid (DHA), a major industrial PUFA, through expression of a myxobacterial PUFA synthase. This work aimed to increase the production of DHA in Y. lipolytica Po1h::Af4. In the first part, the impact of nutrients on the complex fermentation process was studied, resulting in different types of nutrient setups to trigger DHA production, including the comparison of different C-sources. In shake flask cultures, an improoved medium allowed to produce DHA up to a selectivity of 17% of TFAs. The second part tackled DHA overproduction on the genetic level by optimizing the expression of the PUFA cluster. A basic design, based on the commonly used pTEF, was sufficient to drive DHA production. Beneficially, the incorporation of the late-phase pminLEU2 plus additional genetic elements, such as UAS1B4 sequences, 5' introns, and intergenic spacers, DHA production increased up to 16-fold. The control elements acted synergistically, whereby the UAS1B4 elements generally increased expression, while the intron caused gene-specific effects. The synthetic producer strains were found genetically stable over 185 h of cultivation. A fed-batch fermentation, using the improved nutrient set-up with glucose as the carbon source yielded a DHA titer of 350 mg L-1 and a selectivity of 11% of DHA among TFAs.

Gentechnisch veränderte Stämme der ölhaltigen Hefe Y. lipolytica produzieren kommerziell attraktive mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFAs). In einer innovativen Studie wurde gezeigt, dass der Stamm Y. lipolytica Po1h::Af4 durch Expression einer myxobakteriellen PUFA-Synthase Docosahexaensäure (DHA), eine wichtige PUFA, produzieren kann. Ziel dieser Arbeit war es, die Produktion von DHA in Y. lipolytica zu steigern. Im ersten Teil wurde der Einfluss von Nährstoffen auf den komplexen Fermentationsprozess untersucht, was zu verschiedenen Arten von Medienkonfigurationen zur Auslösung der DHA-Produktion führte, einschließlich des Vergleichs verschiedener C-Quellen. Dies ermöglichte ein optimales Medium und die Produktion von DHA bis zu einer Selektivität von 17%. Der zweite Teil befasste sich mit der DHA-Überproduktion auf genetischer Ebene, indem die Expression des PUFA-Clusters optimiert wurde. Die Verwendung des minLEU2-Promotors und Einbau von UAS1B4-Sequenzen, 5'-Introns und intergenen Spacern konnte die DHA-Produktion um 16-fache im Vergleich zum Basisstamm gesteigert werden. Die genetischen Elemente wirkten synergistisch, wobei die UAS1B-Elemente die Expression generell erhöhten, während das Intron genspezifische Effekte verursachte. Die Produzenten blieben über 185 h Kultivierung genetisch stabil. Eine optimierte Fermentation unter Verwendung des verbesserten Mediums ergab einen DHA-Titer von 350 mg L-1 und eine Selektivität von 11% DHA anteilig am Gesamtlipids.