Towards hybrid production of fine chemicals and high-value compounds

Labib, Mohamed Mamdouh Ali Abdelmoteleb; Wiechert, Wolfgang; Büchs, Jochen

doi:41406

Towards hybrid production of fine chemicals and high-value compounds = Wege zur hybriden Produktion von Feinchemikalien und hochwertigen Substanzen

Labib, Mohamed Mamdouh Ali Abdelmoteleb^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Mohamed Mamdouh Ali Abdelmoteleb Labib

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Büchs, Jochen (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-12-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-05460
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/847605/files/847605.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Computational Systems Biotechnology (FZ Jülich) (420410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
3-hydroxybenzoate (frei) ; D-glucose (frei) ; D-xylose (frei) ; L-alanine (frei) ; atom-efficient enzymatic synthesis (frei) ; corynebacterium glutamicum (frei) ; electrochemically induced crystallization (frei) ; enzymatic cascade (frei) ; flux balance analysis (frei) ; growth-decoupled production (frei) ; industrial biotechnology (frei) ; isomerase pathway (frei) ; metaraminol (frei) ; one-pot production process (frei) ; organic acids (frei) ; protocatechuate (frei) ; pyruvate (frei) ; second generation substrates (frei) ; stirred tank fermentation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Aktuell beruhen industrielle Bioprozesse hauptsächlich auf einem „Ein Substrat – Ein Produkt“ Konzept. Im Gegensatz dazu erfordert die Implementierung einer nachhaltigen und im Hinblick auf eine ökologisch und ökonomisch kompetitive Bioökonomie den Aufbau hochvernetzter Wertschöpfungsnetzwerke basierend auf „Multi Substrat – Multi Produkt“ Prozessen. Die Etablierung solcher „hybriden“ Produktionsprozesse erfordert eine effiziente Kopplung von mikrobiellen Biotransformationen und enzymatischen Kaskadenreaktionen mit maßgeschneiderten Verfahren zur Produktabtrennung. Im ersten Teil dieser Promotionsarbeit wurde ein nachhaltiger Bioprozess für die mikrobielle Produktion und anschließende Aufarbeitung von Protocatchuat (PCA) etabliert. Durch die Kombination von in silico-Stammdesign und gezieltem Metabolic Engineering wurde ein Corynebacterium glutamicum-Stamm entwickelt, der D-Xylose effizient verwerten kann und eine 14-fach höhere PCA-Produktion im Vergleich zum Ausgangstamm ermöglicht. Anschließend wurde ein einstufiger Fermentationsprozess etabliert, bei dem D-Glucose und D-Xylose als komplementäre Substrate für das Zellwachstum bzw. die Produktsynthese eingesetzt werden können. Die Aufarbeitung von PCA aus Fermentationsüberstanden wurde durch elektrochemisch induzierte Kristallisation realisiert, indem die pH-abhängigen Eigenschaften von PCA ausgenutzt wurden. Im zweiten Teil der Arbeit wurden mikrobielle und enzymatische Verfahren entwickelt, um die nachhaltige Produktion von Metaraminol auf Basis von biobasiertem 3-Hydroxybenzoat (3HB), Pyruvat, L-Alanin und 3-Hydroxybenzaldehyd (3HBald) zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang wurde der Metabolismus von C. glutamicum zielgerichteten Modifikationen unterzogen, um die Produktion von 3HB aus D-Xylose als einziger Kohlenstoffquelle, sowie die Koproduktion von Pyruvat und L-Alanin unter mikroaeroben Bedingungen zu ermöglichen. Die Überstände aus der Kultivierung der entsprechenden Stämme wurden anschließend als Substrat für nachgeschaltete enzymatische Kaskadenreaktionen weiter untersucht. Der Einsatz hochselektiver Carboxylat-Reduktasen zur Reduktion von 3HB ermöglicht die effiziente enzymatische Synthese von 3HBald. Analog demonstriert die vollständige enzymatische Umsetzung von Pyruvat zu (R)-Phenylacetylcarbinol (3-OH-PAC) - einer chemischen Vorstufe von Metaraminol - die Atomeffizienz der entsprechenden enzymatischen Reaktion. Die etablierten Produktionsrouten für PCA und Metaraminol stellen eine beispielhafte Demonstration hybrider Produktionsprozesse dar. Dieser Demonstrator kann als Blaupause für die Entwicklung hochgradig verwobener Netzwerke und deren Einsatz in der nachhaltigen Produktion von Feinchemikalien und hochwertiger Substanzen angesehen werden.

At present, industrial bioprocesses are predominantly based on a “one substrate – one product” concept. However, the implementation of a sustainable bioeconomy that is competitive with respect to ecologic and economic demands will critically depend on novel highly interwoven value networks based on “multi substrate – multi product” processes. The establishment of such “hybrid” production processes requires an efficient coupling of microbial biotransformations and enzymatic cascade reactions with tailored product separation methods. In the first part of this thesis, a sustainable bioprocess was established for the microbial production and subsequent downstream processing of protocatechuate (PCA). Combining in silico strain design and targeted metabolic engineering enabled Corynebacterium glutamicum to utilize D xylose efficiently, yielding 14-fold higher PCA production compared to the parental producer strain. Following this, a one-pot fermentation process was developed using D-glucose and D xylose as complementary substrates for cellular growth and product synthesis, respectively. Downstream processing of PCA from the fermentation supernatant was realized via electrochemically induced crystallization by taking advantage of the pH-dependent properties of PCA. In the second part of the work, microbial and enzymatic processes were developed to supply the sustainable formation of metaraminol with biosynthesized 3-hydroxybenzoate (3HB), pyruvate, L-alanine, and 3-hydroxybenzaldeyhde (3HBald). In this context, C. glutamicum underwent rational metabolic engineering to enable the production of 3HB from D xylose as the sole carbon source as well as the co-production of pyruvate and L-alanine under microaerobic conditions. Subsequently, the supernatants from cultivations of the respective strains were further investigated as substrates for downstream enzymatic cascade reactions. Hereby, the reduction of 3HB utilizing highly selective carboxylate reductases resulted in the efficient enzymatic synthesis of 3HBald without the formation of by-products. Similarly, the complete enzymatic conversion of pyruvate into (R)-phenylacetylcarbinol (3-OH-PAC) – a precursor for metaraminol – demonstrated the atom efficiency of the respective enzymatic reaction. The established production routes for PCA and metaraminol provide an exemplary demonstration of hybrid production processes. This demonstrator can be regarded as a blueprint for the development of highly interwoven networks and their use in the sustainable production of fine chemicals and high-value compounds.

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