Glucose-xylose co-utilization and lactate production with engineered thermophilic Parageobacillus thermoglucosidasius
Diese Studie zeigt, dass die Kombination aus dem Reverse Engineering der *ptsG*- und *rbsR*-Gene mit der rationalen Überexpression von Xylosestoffwechsel-Operonen in dem thermophilen Bakterium *Parageobacillus thermoglucosidasius* die Kohlenstoffkatabolit-Repression effektiv überwindet, was eine effiziente Glukose-Xylose-Koinnutzung ermöglicht und die Laktaterträge in Bioreaktor-Fermentationen signifikant steigert.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich eine Welt vor, in der der Brennstoff für unsere Fabriken nicht aus Nahrungspflanzen wie Mais oder Zuckerrohr stammt, sondern aus den zähen, faserigen Abfällen von Pflanzen: den Halmen von Weizen, den Spelzen von Reis und den Holzspänen, die nach der Holzernte übrig bleiben. Dieses Material, bekannt als Lignocellulose, ist reichlich vorhanden und steht nicht in Konkurrenz zu unserer Nahrungsmittelversorgung, was es zu einer Traumressource für die Herstellung nachhaltiger Kunststoffe und Chemikalien macht. Das Umwandeln dieser zähen Pflanzenmasse in nützliche Produkte ist jedoch schwierig. Wenn Wissenschaftler diese Fasern aufspalten, setzen sie eine Mischung aus zwei Hauptzuckern frei: Glukose und Xylose. Während viele Mikroben Glukose leicht fressen können, ignorieren sie Xylose oft und warten, bis die Glukose aufgebraucht ist, bevor sie überhaupt mit dem zweiten Zucker beginnen. Dieses Warten bremst die Produktion und verschwendet Zeit. Um dieses Problem zu lösen, suchen Forscher nach Mikroben, die beide Zucker gleichzeitig essen können, insbesondere nach solchen, die in heißen Umgebungen gedeihen, in denen der Abbau von Pflanzenfasern am effizientesten abläuft.
Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, das hitzeliebende Bakterium Parageobacillus thermoglucosidasius so zu modifizieren, dass es diese Vorliebe beim Essen überwindet. Dieser Mikroorganismus ist bereits ein starker Kandidat für die industrielle Nutzung, da er am besten bei Temperaturen zwischen 60 und 65 Grad Celsius wächst, was der Hitze entspricht, die zum Abbau von Pflanzenfasern benötigt wird. Die Wissenschaftler wollten seine internen Anweisungen so umprogrammieren, dass er Glukose und Xylose zusammen konsumiert, anstatt nacheinander. Sie begannen mit der Untersuchung eines früheren Experiments, bei dem die Bakterien natürlich dazu evolviert waren, beide Zucker zu essen, wenn sie dazu gezwungen wurden. Durch die Untersuchung der genetischen Veränderungen in diesen evolvierten Bakterien identifizierte das Team zwei spezifische Mutationen, die für dieses neue Verhalten verantwortlich zu sein schienen. Eine Mutation veränderte ein Protein, das der Zelle hilft, Glukose zu greifen, und die andere entfernte eine genetische „Bremse“, die die Zelle normalerweise daran hindert, Transporter für andere Zucker herzustellen.
Die Forscher bauten diese exakten Veränderungen in eine Standardversion des Bakteriums ein, um zu sehen, ob sie das verbesserte Verhalten reproduzieren konnten. Sie erzeugten drei neue Stämme: einen mit dem veränderten Glukose-greifenden Protein, einen mit der entfernten Bremse und einen, der beide Veränderungen kombiniert. Sie probierten auch einen anderen Ansatz aus, indem sie die Bakterien zwangen, ständig die Maschinerie zu produzieren, die zum Essen von Xylose benötigt wird, unabhängig davon, welche anderen Zucker vorhanden waren. Als sie diese neuen Stämme in kontrollierten Umgebungen testeten, zeigten die Ergebnisse, dass die genetischen Veränderungen funktionierten, aber auf unterschiedliche Weise. Der Stamm mit dem veränderten Glukoseprotein aß beide Zucker mit einer ähnlichen Geschwindigkeit. Der Stamm mit der entfernten Bremse aß beide Zucker ebenfalls zusammen, wuchs jedoch insgesamt langsamer. Der Stamm mit beiden kombinierten Veränderungen verhielt sich überraschenderweise so, dass er tatsächlich Xylose gegenüber Glukose bevorzugte – eine vollständige Umkehrung der normalen Reihenfolge.
Um zu verstehen, warum diese Veränderungen stattfanden, blickte das Team in das Innere der Zellen und untersuchte, welche Proteine produziert wurden. Sie fanden heraus, dass die Mutationen dazu führten, dass die Bakterien die Gene für das Essen von Xylose nicht mehr unterdrückten, was der Zelle ermöglichte, die notwendigen Werkzeuge zum Konsum von Xylose zu produzieren, selbst während noch Glukose vorhanden war. Der Stamm mit der entfernten Bremse zeigte einen signifikanten Rückgang der Proteine, die für das Greifen von Glukose verantwortlich sind, was den Verbrauch dieses Zuckers wahrscheinlich so weit verlangsamte, dass Xylose gleichzeitig gegessen werden konnte. Die Forscher testeten auch, wie gut diese Bakterien Milchsäure – eine Chemikalie, die zur Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe verwendet wird – aus einer Mischung der beiden Zucker produzieren konnten. Die manipulierten Stämme schnitten besser ab als die ursprünglichen, unveränderten Bakterien. Der Stamm mit der entfernten Bremse produzierte die höchste Menge an Milchsäure im Verhältnis zum konsumierten Zucker und erreichte eine Ausbeute von 72,76 Prozent, verglichen mit 56,76 Prozent des ursprünglichen Stammes. Ein anderer Stamm, der gezwungen wurde, ständig die Xylose-fressende Maschinerie zu produzieren, zeigte ebenfalls starke Ergebnisse mit einer Ausbeute von 63 Prozent.
Die Studie legt nahe, dass es zwar half, die Bakterien einfach dazu zu bringen, mehr Xylose-fressende Werkzeuge zu produzieren, der effektivste Weg, die Bakterien dazu zu bringen, beide Zucker gleichzeitig zu essen, jedoch darin bestand, die Art und Weise zu ändern, wie sie Glukose wahrnehmen und konsumieren. Indem sie die Aufnahme des bevorzugten Zuckers verlangsamten, konnten die Bakterien den zweiten Zucker viel früher erschließen. Dieser Ansatz ermöglichte es dem Team, eine mikrobielle Fabrik zu erschaffen, die effizienter mit Pflanzenabfällen arbeitet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es durch kleine, spezifische Änderungen im genetischen Code der Bakterien möglich ist, das volle Potenzial pflanzlicher Rohstoffe auszuschöpfen und ein komplexes Gemisch aus Zuckern in wertvolle Produkte zu verwandeln, ohne die langen Verzögerungen, die durch die natürlichen Essgewohnheiten der Bakterien verursacht werden. Die Arbeit bietet einen klaren Weg zur Verbesserung der Art und Weise, wie wir erneuerbare Ressourcen zur Herstellung der Materialien der Zukunft nutzen.
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