Metabolisches Engineering von rekombinanter S. cerevisiae

Aufgrund ihrer positiven "Kraftstoff und Umwelt" Eigenschaften stellen Ethanol und veredelt in der Form von Methyl-t-butyl-ester die vielversprechendsten Alternativen zu den gegenwärtigen Kraftstoffen fossiler Herkunft dar. Das steigende Interesse an Alternativkraftstoffen ist auf die Inkraftsetzung der Kraftstoffrichtlinie (2003/30/EU) zurückzuführen, welche die gesetzlichen Rahmenbedingungen für die Beimengung von Alternativtreibstoffen zu fossilen Kraftstoffen bildet und einen Anteil an alternativen Kraftstoffsubstituenten von 5.75% bis 2010 vorsieht. Die Verwendung von pflanzlicher Biomasse in Form von Lignocellulose Materialien für die Ethanol Produktion ist eine vielversprechende Alternative zu den traditionell verwendeten Industriepflanzen. Die vollständige Verwertung der Zuckerfraktion dieser Materialien, welche vorwiegend aus Xylose und Glukose gebildet wird, ist für eine wirtschaftlich attraktive Ethanol Produktion notwendig. Der Stoffwechsel der Saccharomyces cerevisiae, die traditionell für die Ethanol Produktion aus Glukose verwendet wird, muss für die Ethanol Herstellung aus Xylose speziell verändert werden, da die Hefe allein nicht die Fähigkeit besitzt Xylose zu verwerten. Gemeinsame Expression der Enzyme Xylose Reduktase, Xylitol Dehydrogenase und Xylulokinase befähigt die Hefe zwar Xylose in Ethanol unter Sauerstoffausschluss umzusetzen aber nur mit mäßiger Ethanol Ausbeute und starker Akkumulation von unerwünschtem Xylitol. Diese Ineffizienzen sind auf die gegensätzliche Koenzymspezifität der Xylose Reduktase (präferenziert NADPH) und der Xylitol Dehydrogenase (NAD- spezifisch) zurückzuführen, die eine Wiederverwertung der Koenzyme während der Xylose Assimilation verhindert. Ein Balancieren der Koenzymverwertung in der Zelle ist für eine effiziente Ethanol Produktion essentiell. Vorarbeiten in denen die Koenzymspezifitäten der Xylose Reduktase und Xylitol Dehydrogenase verändert wurden bieten nun erstmals die Möglichkeit gezielt die ersten Schritte der Xylose Assimilierung zu optimieren. Zu diesem Zweck wurden sechs Hefestämme designed und konstruiert, die entweder NADH/NAD oder NADPH/NADP als rezyklierendes Koenzymsystem bevorzugen. NADPH/NADP spezifische Stämme unterscheiden sich zusätzlich in ihrer relativen Koenzympräferenz was eine Adaption an das optimale Koenzym Gleichgewicht in der Zelle ermöglicht. Der Phenotyp mit der höchsten Ethanol Produktion wird im Zuge des Stipendiums an der ETH Zürich, am Institut für Molekulare System Biologie unter der Leitung von Prof. Dr. Uwe Sauer mit Hilfe metabolischer Netzwerk Analyse basierend auf Metabolitbilanzierung und 13C-Isotopomer Analyse im Vergleich mit dem Referenzstamm untersucht. Die Bestimmung von Nettostoffwechselflüssen im zentralen Kohlenstoffmetabolismus und die Identifizierung metabolischer Netzwerk Topologien sind für ein umfassendes Verständnis des erzielten Phenotyps essentiell. Diese stellen die molekulare Basis für die Entwicklung eines industriefähigen Hefestammes dar.