Recruitment of novel chassis organisms from the genus $Paracoccus$ for a circular bioeconomy

Bachmann, Denise Kim; Blank, Lars M.; Clavel, Thomas

doi:43822

Recruitment of novel chassis organisms from the genus $Paracoccus$ for a circular bioeconomy

Bachmann, Denise Kim^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Denise Kim Bachmann M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Blank, Lars M. (Thesis advisor)^RWTH* ; Clavel, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-10415
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/996143/files/996143.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
PHA (frei) ; Paracoccus (frei) ; bioplastic (frei) ; chassis organism (frei) ; circular bioeconomy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die Implementierung eines neuartigen bakteriellen Chassis-Organismus zur Unterstützung der zirkulären Bioökonomie birgt viele Herausforderungen. Nicht nur müsste der Prozess basierend auf diesem Organismus mit bestehenden chemischen und biotechnologischen Methodenkonkurrieren, sondern im besten Fall auch zusätzliche Vorteile aufzeigen. Von der Auswahl des richtigen Ausgangsstamms über die Entwicklung des genetischen Werkzeugkastens bis hin zur Auswahl des geeigneten Substrats und Produkts müssen Biotechnologen sicherstellen, dass alles zusammenarbeitet, um einen nützlichen neuen Stamm zu implementieren. Fünf Schlüsselparameter für die Entwicklung von Chassis-Stämmen wurden durch Experteninterviews und Literaturrecherche identifiziert (Verfügbarkeit von Werkzeugen für die genetische Manipulation, Robustheit gegen Umweltveränderungen und Kontaminanten, hohe Stoffwechselkapazität und vielseitige Stoffwechselwege, Fähigkeit zur Verwendung von günstigem und nachhaltigem Ausgangsmaterial und Wasserquelle). Basierend darauf wurden weitere Untersuchungen durchgeführt. Paracoccus pantotrophus, zusammen mit mehr als 40 anderen Paracoccus-Stämmen, wurde für eine eingehende Bewertung ausgewählt. Unsere Daten zeigen eine hohe Toleranz gegenüberosmotischem Druck für den Typstamm DSM 2944T, sowohl mit Salzen als auch mitorganischen Osmolyten. Es wurde außerdem beobachtet, dass P. pantotrophus organische Säuren gegenüber Zucker bevorzugt. Alle getesteten Stämme konnten auf kurzkettigen Alkanen wachsen, was Paracoccus zu einem Kandidaten für die Bioremediation und das Recycling vonKunststoffen macht. Zahlreiche Stämme waren in der Lage, das Bioplastik Polyhydroxyalkanoat (PHA) zu produzieren. Der zuverlässigste Produzent, P. pantotrophus DSM 11073, wurde für die Laborfermentation von PHA ausgewählt. Die Fermentationsstudie fokussierte sich auf die Verbesserung sowohl des Titers als auch des Ertrags von PHA, um einen Wettbewerbsvorteil zu erlangen. Durch Ausarbeitung einer dynamischen Fütterungsstrategie, die auf der Regulierung des gelösten Sauerstoffgehaltsbasiert, wurde ein PHA-Titer von 21,9 g L-1 erreicht, zusammen mit einem bemerkenswerten Raum-Zeit-Ertrag von 1,4 g L-1 h-1 unter Verwendung von Glukose als Substrat. Beide Wertesind vergleichbar mit anderen erreichten Titern mit dieser Gattung. Zusätzlich konnten vielversprechende Ergebnisse erzielt werden, indem Glukose durch Ethylenglykol ersetzt wurde, was die Eignung dieses Substrates für die PHA-Produktion zeigt. Im Rahmen der Batch Fermentation führte die Verwendung des genetisch modifizierten P. pantotrophus DSM 2944AZCR-Stamms zu einer erheblichen PHA-Akkumulation. Diese Ergebnisse unterstreichen das vielversprechende Potenzial von P. pantotrophus als Kandidat für die Bioplastikproduktion und tragen somit zur Förderung einer zirkulären Bioökonomie bei.Diese Arbeit hat das Ziel, einen breiteren Kontext für die Entwicklung von Chassis-Stämmen unter Verwendung von Paracoccus als Fallstudie darzulegen. Es wird ein kritischer Blick auf die Entwicklung von Chassis-Stämmen vorgeschlagen, ein intensives Stamm-Screening durchgeführt und ein Proof-of-Concept-Fermentationsverfahren etabliert, um zu einer nachhaltigeren Zukunft beizutragen.

Implementing a novel bacterial chassis organism to aid in the circular bioeconomy poses many challenges. Not only would the process based on this organism have to compete with existing chemical and biotechnological methods, but in the best case would show additional benefits. From choosing the right wild type to developing the genetic toolbox and selecting the right feedstock and product, biotechnologists have to ensure everything works together to implementa useful new strain. Five key parameters for chassis strain development were identified via expert interviews and literature research (Availability of tools for genetic manipulation, robustness against environmental changes and contaminants, high metabolic capacity and versatile metabolic pathways, and ability to use cheap and sustainable feedstock and water source). Based on these, further investigations were performed. Paracoccus pantotrophus, along with more than 40 other Paracoccus strains, was chosen for in depth assessment. Our data shows a high tolerance against osmotic pressure for the typestrain DSM 2944T, both with salts and organic osmolytes. It was furthermore observed that P. pantotrophus prefers organic acids over sugars. All of the tested strains were able to grow on short-chain-alkanes, which would make Paracoccus a candidate for bioremediation and upcycling of plastics. Numerous strains were able to produce the bioplasticpolyhydroxyalkanote (PHA). The most reliable producer, P. pantotrophus DSM 11073 was chosen for lab-scale fermentation of PHA. The fermentation study emphasized the enhancement of both titer and yield of PHA to attain a competitive advantage. By devising a dynamic feeding strategy hinged on regulating dissolved oxygen levels, a PHA titer of 21.9 g L-1 was achieved, alongside a noteworthy space-time-yield of 1.4 g L-1 h-1 employing glucose as the substrate. Both values are comparable to recent titers reached with this genus. Additionally, promising findings could be made by substituting glucose with ethylene glycol, showcasing the viability of this substrate for PHA production. In the context of batch fermentation, the utilization of the genetically modified P. pantotrophus DSM 2944 AZCR strain exhibited substantial PHA accumulation. Collectively, these findings underscore the promising potential of P. pantotrophus as a candidate for bioplastic production, thus contributing to the advancement of a circular bioeconomy. This thesis aims to provide a wider context for chassis strain development using Paracoccus as a case study. A critical view of chassis strain development is proposed, an intensive strain screening is performed and a proof-of concept fermentation is established, to work towards amore sustainable future.

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