Insights into the metabolism of Clostridium thermocellum for cellulosic ethanol production
Tid: Ti 2022-11-08 kl 09.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/63457293693
Språk: Engelska
Ämnesområde: Bioteknologi
Respondent: Johannes Yayo , Industriell bioteknologi
Opponent: Professor Richard Sparling, University of Manitoba, Canada
Handledare: Professor Antonius J. A. van Maris, Industriell bioteknologi, Industriell bioteknologi
QC 2022-10-11
Abstract
Samhällsmålet att nå nettonoll CO2 utsläpp kräver att integrerade bioraffinaderier utvecklas för att producera bränslen och kemikalier baserade på biomassa. För hållbar andra-generationens bioetanol-produktion betraktas konsoliderad bioprocessering med termofilen Clostridium thermocellum som ett lovande koncept, utifrån dess naturliga förmåga att effektivt bryta ner växtcellväggar. Emellertid krävs ökad titer och utbyte av etanol för att nå industriell implementering. Målet med denna avhandling var att öka kunskapen om C. thermocellums metabolism och därmed vägleda framtida strategier för att maximera utbytet och titern av etanol genom metabolic engineering.
Förbättringar i utbytet samt fundamentala studier på metabolism hos C. thermocellum skulle gynnas av ett större utnyttjande av C6-mono-sackarider samt minskad produktion av biprodukter. Underliggande mekanismer för tillväxt på glukos och fruktos undersöktes med laboratory evolution i kemostater samt genomsekvensbaserad reverse engineering. I denna studie avslöjades två underliggande mutationer med (regulatoriska) roller i metabolismen eller transporten av dessa monosackarider. Tillsammans möjliggjorde dessa mutationer reproducerbar och konstitutiv tillväxt. Mutationerna är även relevanta för uppföljningsstudier av sockertransport och den övre glykolysen. Därutöver studerades den oväntade biproduktgruppen, aminosyror, genom knockoutstudier på NADPH-producerande och -konsumerande reaktionsvägar. Stammar med knockouts i den NADPH-producerande malatshunten eller i den potentiellt ferredoxin-kopplade ammoniumassimileringen karaktäriserades fysio-logiskt i cellobios- och ammoniumbegränsande kemostater. Detta visade att NADPH har en central roll i att driva aminosyrautsöndring. Dessa upptäckter indikerade att elektrontillgänglighet är kritiskt för att öka utbytet i den NADH-beroende etanolproduktionen.
Fundamentala mekanismer som skulle kunna bidra till förbättrad titer av etanol studerades från termodynamiska och biofysiska perspektiv. En rådande hypotes har varit att den pyrofosfat (PPi)-beroende glykolysen hos C. thermocellum ökar ATP-utbytet på bekostnad av den totala termodynamiska drivkraften. Knockoutstudier kombinerat med funktionell annotering av potentiella PPi-källor ifrågasatte denna hypotes och ökade förståelsen av PPi metabolismen. Den kaotropiska effekten (biofysisk toxicitet) av etanol dämpas ofta i industriella processer genom att sänka odlingstemperaturen. Här demonstrerade fysiologisk karaktärisering vid olika etanoltiter att tillväxt och fermentering förbättras vid lägre temp-eraturer. En jämförelse mellan en modifierad icke-etanolproducerande stam och vildtypen indikerade att etanolproduktionen är begränsad av både termodynamiska och biofysiska faktorer.
I helhet antyder dessa forskningsresultat att förbättringar i utbytet och titern av etanol skulle gynnas av en förenklad glykolys, konstruerad för att ge en hög termodynamisk drivkraft. Fastän denna avhandling fokuserar på andra-generationens etanolproduktion, kan dessa forskningsrön även appliceras mer brett i forskning och utveckling av C. thermocellum som en cellfabrik för hållbar produktion av andra bränslen och kemikalier.