Bringing $Paracoccus$ to biotechnology – from versatile phenotypes to a SynBio chassis

Pal, Upasana; Blank, Lars M.; Clavel, Thomas

doi:HT031170449

Bringing $Paracoccus$ to biotechnology – from versatile phenotypes to a SynBio chassis

Pal, Upasana^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeUpasana Pal

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-286-3

ReiheApplied microbiology ; 40

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-03-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04921
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1012214/files/1012214.pdf

Einrichtungen

Projekte

BMBF 031B0854 - Mikrobielle Biofabriken: ParaCoquette - Paracoccus als Plattformorganismus - Der Weg zur Bioökonomie (031B0854) (031B0854)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Paracoccus (frei) ; applied microbiology (frei) ; genetic engineering (frei) ; genome scale metabolic model (frei) ; metabolic flux analysis (frei) ; sustainable circular economy (frei) ; synthetic microbial chassis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die drängenden Probleme des 21. Jahrhunderts zeigen die Mangelnde Nachhaltigkeit der linearen Wirtschaft auf und betonen die Notwendigkeit einer zirkulären Bioökonomie, in der Ressourcenkontinuierlich wiederverwendet und umfunktioniert werden, um Abfall zu minimieren und ökologische Nachhaltigkeit zu fördern. Eine vielversprechende Lösung in der zirkulären Bioökonomie ist die Entwicklung mikrobieller Chassis-Stämme, die metabolisch robust sind und zur Erreichung der Ziele der zirkulären Bioökonomie beitragen, indem sie Abfallmaterialien in wertvolle Produkte umwandeln. Diese Doktorarbeit konzentriert sich auf die Entwicklung eines neuartigen mikrobiellen Chassis aus der Gattung Paracoccus, das für seine metabolische Robustheit, Osmotoleranz und Thermotoleranz bekannt ist, günstige und erneuerbare Quellen nutzt und bioplastische Polyhydroxyalkanoate (PHAs) produziert. Der erste Teil dieser Studie umfasst die Entwicklung eines genetischen Werkzeugkastens mitzahlreichen Bio-Teilen zur gezielten genetischen Manipulation des neuartigen Chassis, mitbesonderem Fokus auf die Nutzung von PET-Monomeren und damit auf die Unterstützung der zirkulären Bioökonomie. Der zweite Teil der Studie befasst sich mit der vollständigen Genomsequenzierung von Paracoccus-Stämmen, der phylogenetischen Analyse und schließlich der Neuklassifizierung uncharakterisierter Stämme, wodurch das Wissen über diese Gattung erweitert wird. Der letzte Abschnitt dieser Studie verwendet einen dualen Ansatz zur Untersuchung des Metabolismus des neuartigen SynBio-Chassis P. pantotrophus DSM 2944, einschließlich einer invivo-13C-basierten MFA und der Kuration eines genomweiten Modells des SynBio-Chassis(iPpan24). Die MFA zeigte eine Präferenz dieses Chassis für den ED-Weg gegenüber dem EMP-Wegim Glukosestoffwechsel, was auf eine effiziente Proteinallokation hinweist. Das neu kuratierte GEM wurde zur Vorhersage biotechnologisch relevanter Produktausbeuten und zur Eröffnung zukünftiger modellgestützter Optimierungen für effiziente Bioprozesse verwendet. Zusammenfassend leistet diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung eines neuartigen mikrobiellen Chassis aus der Gattung Paracoccus zur Unterstützung der nachhaltigen Bioökonomie der Zukunft.

The pressing issues of the 21st century expose the unsustainability of the linear economy, emphasizing the need for a circular bioeconomy where resources are continually reused and repurposed to minimize waste and promote ecological sustainability. One promising solution within the circular bioeconomy is the development of microbial chassis strains, that are metabolically robust and can be harnessed to aid the circular bioeconomy goals of upcycling waste materials into value-added products. This Ph.D. research focuses on developing a novel microbial chassis from the genus Paracoccus, known for its metabolic robustness for being osmo- and thermo-tolerant, consuming cheap and renewable sources and native producers of bioplastics polyhydroxyalkanoates. The first part of this study includes the development of a robust genetic toolbox with many bio-parts for tailored genetic engineering of the novel chassis with a focus on PET monomer utilization thereby contributing to a circular bioeconomy. The second part of this study dwells on the whole genome sequencing of Paracoccus strains, conducting phylogenetic analysis, and finally resulting in there classification of uncharacterized strains, thereby expanding knowledge regarding this genus. Whereas the last section of this study focuses on a dual approach involving understanding the metabolism of the novel SynBio chassis, P. pantotrophus DSM 2944 comprising an in-vivo 13C-based MFA coupled with the curation of a genome-scale model of the novel SynBio chassis (iPpan24). The MFA highlighted how this novel chassis preferred the ED pathway over EMP pathways for glucose metabolism, indicating efficient protein allocation, and the newly curated GEM was utilized to predict yields of biotechnologically relevant products and open doors to future model-guided rational strain engineering for efficient bioprocesses. In summary, a significant process was made to develop a novel microbial chassis from the genus Paracoccus, to contribute towards sustainable bio-economy goals of the future.

OpenAccess:
PDF
(additional files)