Online analytics of pectic compound degradation in small-scale using $\textit Ustilago Maydis$.

Müller, Markus Jan; Büchs, Jochen; Feldbrügge, Michael

doi:10.18154/RWTH-2019-11736

Online analytics of pectic compound degradation in small-scale using $\textit Ustilago Maydis$. = Online-Analytik des Abbaus von Pektinbestandteilen in Kleinkultur mittels $\textit Ustilago Maydis$.

Müller, Markus Jan^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Markus Jan Müller

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (X, 90, xxxiv Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)^RWTH* ; Feldbrügge, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-11-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-11736
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/774743/files/774743.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Projekte

BioSC - Bioeconomy Science Center (BioSC) (BioSC)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ustilago maydis (frei) ; online analytics (frei) ; oxygen transfer rate (frei) ; pectin (frei) ; polygalacturonase (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Sinne einer nachhaltigen Bioökonomie stellen pektinreiche Biomasseströme ein wertvolles Substrat dar. Besonders pektinhaltig sind z. B. Zitrusschalen, Apfeltrester oder Zuckerrübenschnitzel. Für einen effizienten Abbau muss der angewandte Organismus eine Vielzahl von Enzymen produzieren. Dies ist entscheidend für eine effiziente Verwertung der Pektinfraktion. Pektin besteht zum Großteil aus Galakturonsäure-Monomeren. Es kann nicht von etablierten Organismen wie Saccharomyces cerevisiae metabolisiert werden. Daher ist ein Mikroorganismus erforderlich, der gleichzeitig Pektin metabolisieren und hochwertige Produkte herstellen kann. Aufgrund seiner Komplexität ist die Analyse von Pektin jedoch herausfordernd. Daher sind neue Online-Überwachungssysteme für Bioprozesse erforderlich. Zunächst wurde ein Verfahren zur Bestimmung der verbleibenden Galakturonsäurekonzentration während des Wachstums von Ustilago maydis im Schüttelkolben entwickelt. Die Konzentration während der Kultivierung wurde basierend auf dem online gemessenen Gesamtsauerstoffverbrauch ermittelt und durch Offline-Probenahmen verifiziert. Anschließend wurde diese Methode auf komplexere, schwer zu quantifizierende Substrate ausgeweitet. Es wurde der Einfluss der Expression einer Exo-Polygalakturonase aus Aspergillus tubingensis auf das Wachstum auf Polygalakturonsäure untersucht. Durch Hinzufügen von Endo-Polygalakturonase exprimierenden U. maydis-Stämmen wurden anschließend Co-Kulturen untersucht. Auf Pektin und Zuckerrübenschnitzel wurden Co-Kulturen mit externen Enzymen supplementiert. Die Vorhersage der Restsubstratkonzentration basierend auf dem Gesamtsauerstoffverbrauch wurde etabliert und im Kleinkulturmaßstab validiert. Basierend auf dieser Methode wurde eine Co-Kultur von U. maydis-Stämmen identifiziert, die Endo- und Exo-Polygalakturonasen exprimieren und Polygalakturonsäure effizient metabolisieren kann. Durch die Supplementierung mit externen Enzymen konnte eine Metabolisierung von Zuckerrübenschnitzeln erreicht werden. Die vorgestellte Methode kann angewendet werden, um die verbleibende Konzentration von Komplexsubstraten abzuschätzen, die derzeit schwierig zu quantifizieren sind. Dies wird die Entwicklung konsolidierter Bioprozesse unterstützen.

In the spirit of a circular bioeconomy, pectin-rich biomass waste streams represent a valuable substrate for a biorefinery process. Particularly rich in pectin are, e.g., citrus peel, apple pomace or sugar beet pulp. For efficient degradation, the applied organism should produce a diverse mixture of cellulases, hemicellulases and pectinases. This is essential for efficient and economic valorization of the pectin fraction. Pectin is mainly composed of galacturonic acid monomers. It is not metabolized by well-established organisms, such as Saccharomyces cerevisiae. Thus, a microbial production system capable of metabolizing pectin and producing high-value products is required. However, due to its complexity, analysis of pectin is challenging. Thus, new online monitoring tools for bioprocesses are required.A method for the online determination of residual substrate was developed for the growth of Ustilago maydis on pectic compounds. Cultivations were carried out in shake flasks with online monitoring of the respiration activity. The residual galacturonic acid concentration during cultivation was predicted based on the overall oxygen consumption and verified by offline sampling. Afterwards, this method was extended towards polygalacturonic acid, pectin and sugar beet pulp, which are challenging to quantify. The influence of heterologous expression of an exo-polygalacturonase on U. maydis growth on polygalacturonic acid was investigated. Co-cultivation of U. maydis strains expressing endo- and exo-polygalacturonases were conducted on polygalacturonic acid and compared to axenic cultivation. Co-cultivations on pectin and sugar beet pulp were supplemented with external cellulases and pectinases.Prediction of the residual substrate concentration based on the overall oxygen consumption was established and validated in small-scale. Based on this method, a co-culture of U. maydis strains expressing fungal endo- and exo-polygalacturonases was identified to be highly efficient in the metabolization of polygalacturonic acid. On pectin or sugar beet pulp, cultures required supplementation with external enzymes to convert half of the complex substrates. The introduced method can be applied to estimate the amount of consumed complex substrates which are currently challenging to quantify. This will support the development of consolidated bioprocesses.