Modellbasiertes Metabolic Engineering zur Optimierung der Itaconatproduktion in Escherichia coli

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In dieser Arbeit wurde die Produktion der Plattformchemikalie Itaconat optimiert. Zunächst wurde der Weg zur Itaconatbiosynthese in Escherichia coli etabliert. Da der mikrobielle Stoffwechsel jedoch auf Biomasseproduktion ausgerichtet ist, wurden nur geringe Mengen Itaconat synthetisiert. Um die intrazellulären Flüsse zum Produkt umzuleiten, wurde ein iterativer modellbasierter Ansatz verfolgt, der Kombinationen von Gendeletionen berechnete, um eine wachstums-gekoppelte Synthese von Itaconat zu erreichen. Dieser Ansatz erlaubte auch eine Anpassung des Modells bei signifikanten Veränderungen der Nebenproduktbildung. Nach drei Iterationen wurde der Stamm ita23 konstruiert, der Itaconat mit einer hohen Ausbeute von 0,77 mol/(mol Glucose) produzierte, die höchste je beschriebene Ausbeute für heterologe Itaconatproduktion. Für die industrielle Produktion sind jedoch sowohl hohe Ausbeute als auch hohe Produktivität erforderlich, die nicht gleichzeitig maximiert werden können. Daher wurde basierend auf dem Itaconatüberproduzenten (ita23) ein zweistufiger Prozess entworfen. Ein Stamm mit dynamisch reguliertem TCA-Zyklus wurde konstruiert, wobei die temperaturabhängige Expression der Isocitratdehydrogenase eine schnelle Biomassegenerierung bei 37 °C und Itaconatproduktion bei ≤ 30 °C ermöglichte. Diese Prozessführung erzielte eine um 22 % höhere volumetrische Produktivität als ein entsprechender einstufiger Prozess.