Enzymatische De-Polymerisation von pektinreichen landwirtschaftlichen Reststoffen zur Gewinnung von D-Galakturonsäure mittels Aspergillus niger

Aspergillus niger wird als auf pektinreiche Substrate spezialisierter Saprophyt als idealer Organismus zur Freisetzung von D-Galakturonsäure (D-GalA) aus pektinreicher Biomasse wie Zuckerrübenmasse oder Apfeltrester im industriellen Maßstab angesehen. Die Arbeitsgruppe Benz konzentriert sich auf die Stammentwicklung von A. niger, um eine effizientere enzymatische Pektin-Depolymerisation zu realisieren und dadurch eine ökonomisch attraktive Versorgung mit D-GalA aus landwirtschaftlichen Verwertungsresten zu ermöglichen. Dazu setzen wir neben neuartigen Methoden zur Genomeditierung, wie z.B. CRISPR/Cas9, auch auf Ansätze zur Modifikation und Aktivierung von Transkriptionsfaktoren, zur selektiven Modifikation des endogenen D-GalA-Metabolismus sowie der Morphologiebeeinflussung. In enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Bioverfahrenstechnik an der TU München werden diese Modifikationen detailliert getestet und schließlich in einem robusten Fermentations- und Hydrolyse Prozess zur Gewinnung von Galakturonsäure für folgende Biokonversionen implementiert.

Entwicklung eines skalierbaren Bioprozesses für die Gewinnung von D-Galakturonsäure aus pektinreichen Substraten mittels Aspergillus niger

Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die technische Reaktionsanalyse von rekombinanten A. niger-Stämmen, die in der Arbeitsgruppe Benz erstellt werden. Die Analysen werden unter definierten Bedingungen in Rührkesselreaktoren durchgeführt. Kontrollierte Parallel-Bioreaktoren werden für den Vergleich verschiedener rekombinanter Stämme sowie auch der entsprechenden Fermentations- und Hydrolyse-Bedingungen verwendet. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studien werden skalierbare und effiziente Prozesse zur Produktion von Pektinasen und D-Galakturosäure aus pektinreichen Verwertungsresten im Litermaßstab erstellt und validiert. Von besonderem Interesse sind die Untersuchungen zur simultanen Pektinase-Produktion und Pektin-Hydrolyse, sowie auch eine potentielle Prozessintegration mit der folgenden Biokonversion der produzierten D-GalA.

Metabolismus-Engineering in Saccharomyces cerevisae zur Biokonversion von D-Galakturonsäure zu Polyhydroxysäuren

Unser Ziel ist es, S. cerevisiae für die Biotransformation von D-GalA to L-galaktonate (L-GalOA) zu nutzen. L-GalOA besitzt das Potential zur Anwendungen als Chelator, in Feuchtigkeitscremes, als pH-Stabilisator und Gärmittel in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie. Die biologische Produktion in S. cerevisiae erfordert den Einsatz von heterologen D-GalA Transportern und Reduktasen, aber auch weitreichende Interventionen im zentralen Kohlenstoff-Metabolismus der Wirtszelle. Vorausgegangene Publikationen konnten zudem zeigen, dass der höhere Oxidationsstatus von D-GalA (im Vergleich zu Neutralzuckern) eine der Herausforderungen für die metabolische Umsetzung von D-GalA darstellt (Biz et al., 2016), da zusätzliche Reduktionsäquivalente benötigt werden. Diese können durch die Fermentation mit anderen, in der pektinreichen Biomasse vorhandenen, Zuckerverbindungen wie Gukose, Galaktose und Arabinose rückgewonnen werden, indem bspw. die Ethanol-Bildung blockiert wird. Auf diese Weise kann eine vollständigere Verwertung des pektinreichen Rohmaterials erreicht werden als bisher umgesetzt.

Entwicklung eines skalierbaren Bioprozesses zur Konversion von D-GalA zu Polyhydroxysäuren in S. cerevisae im industriellen Maßstab

Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die reaktionstechnische Analyse der erstellten, rekombinanten S. cerevisiae Stämmen unter kontrollierten Reaktionsbedingungen in Rührkesselreaktoren. Dazu werden vergleichende Analysen rekombinanter Stämme in Parallelreaktor-Versuchsansätzen dzurchgeführt. Basierend auf den Erkenntnisse der technischen Reakationsanalysen werden skalierbare und effiziente Prozesse für die Biotransformation von D-Galakturonsäure im Litermaßstab erstellt und validiert. Nachfolgend werden geeignete Methoden zur Isolierung, Reinigung und Laktonisierung von L-Galaktonat untersucht. Von besonderem Interesse sind die abschließenden Untersuchungen zu einer möglichen Prozessintegrierung der Biotransformation und die vorgeschalteten Hydrolyse der pektinreichen Agrar-Reststoffe.