Modeling and analysis of the rapid aerobic metabolism of Geobacillus sp. LC300

QC 2024-08-20

Abstract

 För att motverka klimatförändringar måste de globala utsläppen av växthusgaser halveras innan 2030. För att nå detta mål måste nya produktionsprocesser för bränslen och kemikalier utvecklas som är oberoende av fossila resurser. Industriell bioteknik utgör en nyckel-teknik i denna omställning på grund av dess förutsättningar för omvandling av biomassa till biobränslen och biokemikalier. Geobacillus sp. LC300 är en termofil bakterie som uppvisar påfallande höga tillväxthastigheter och metabol förmåga, vilket gör den lovande för att utvecklas till en mikrobiell cellfabrik för biokemikalieproduktion. Bakteriens metabolism är dock outforskad, och dess näringsbehov och optimala tillväxtförhållanden okända. Målet med denna avhandling var att utforska G. sp. LC300s snabba metabolism och därmed utvärdera dess potential och underlätta dess utveckling till en mikrobiell cellfabrik.En homologibaserad genomskalemodell konstruerades för att utforska dess metabolism. Genom att analysera modellens metabola vägar förutspåddes en prototrofi för alla 20 aminosyror, samt en auxotrofi för vitamin B12. Genom analys av transportprotein kunde tillväxtmöjligheter på flera olika kolkällor även förutspås, och modellen estimerade både intra- och extracellulära reaktions-hastigheter på både glukos och xylos med hög noggrannhet. Modellen är ett viktigt verktyg för att utöka förståelsen för G. sp. LC300s metabolism och som guide vid manipulering av metabolismen för att därmed utveckla organismen till en mikrobiell cellfabrik. De odlingsmedia som tidigare använts för odling av G. sp. LC300 innehåller komplexa komponenter, t. ex. jästextrakt, och saknar näringsinnehåll för odlingar med hög celldensitet. Detta komplicerar kvantitativa studier av metabolismen som kräver precis kontroll över odlingsbetingelser och höga celldensiteter för kvantifiering av hastigheter och utbyten. För att undgå detta problem utvecklades ett minimalt medium med definierad sammansättning, baserat på den cellmassakomposition som genomskalemodellen estimerat. Under utvecklingen av mediet bekräftades auxotrofin för vitamin B12, och en ytterligare auxotrofi för biotin upptäcktes. Det nya mediet tillät odlingar till hög celldensitet utan tillsats av komplexa komponenter. Vid undersökning av optimala odlingsbetingelser för G. sp. LC300 upptäcktes en flera grader lägre optimal tillväxttemperatur än den som tidigare rapporterats. Med ett definierat medium och optimala odlingsbetingelser kunde även ytterligare kolkällor utvärderas, till exempel glycerol och stärkelse, som är vanliga biprodukter från industrin. För att undersöka de underliggande faktorerna bakom den snabba substratkonsumptions-hastigheten, tillväxthastigheten och respirationen hos G. sp. LC300 användes glukosbegränsade kemostatodlingar. Odlingarna visade en kapacitet till fullt respirativ tillväxt vid hastigheter högre än den maximala specifika tillväxthastigheten hos de flesta andra mikroorganismer, och en lägre fraktion av substrat som konsumeras av metabola underhålls-funktioner än hos E. coli. Proteomikanalys visade att den höga respirativa kapaciteten kunde kopplas till en högre allokering av protein till respirationskedjan än i andra bakterier, vilket möjliggjordes av lägre proteinallokering till den centrala kolmetabolismen tack vare höga omsättningsnummer för dessa enzym. Slutligen indikerade enzymbegränsad modellering att överflödesmetabolismen som observerats vid höga tillväxthastigheter hos G. sp. LC300 beror på proteinbegränsing, vilket skapat en omställning från respirativ till respirofermentativ metabolism.Tillsammans ger dessa upptäckter fördjupad förståelse för den snabba metabolismen hos G. sp. LC300, och betonar dess potential som mikrobiell cellfabrik. Detta arbete kan vara en grund för utveckling av nya produktionsprocesser som kan komma att spela en viktig roll i framtidens cirkulära bioekonomi.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-352052