Exploring the potential of using alternative carbon sources for the fermentative production of riboflavin with engineered Corynebacterium glutamicum
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3038353Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
B2 -vitaminet, også kjent som riboflavin, er kategorisert som et essensielt næringsstoff for cellene. Mangel på riboflavin vil påvirke de essensielle funksjonene til cellene og forårsake økt risiko for vaskulær sykdom og produksjon av kreftceller. Riboflavin er derfor industrielt produsert for bruk som tilskudd i fôr og mattilsetninger.
Corynebacterium glutamicum er en mikrobiell vert som vanligvis brukes til industriell produksjon av aminosyrer, spesielt l-glutaminsyre og l-lysin. Videre har den blitt modifisert for produksjon av forskjellige verdiskapende forbindelser, slik som vitaminet riboflavin. Den er unikt på grunn av dens evne til å bruke flere karbonkilder samtidig, som er forårsaket av dens mangel på det komplekse karbon-katabolitt-undertrykkelses-systemet og er videre vellykket modifisert for bruken av non-native karbonkilder.
Seks stammer av C. glutamicum ble modifisert gjennom denne oppgaven for å analysere hvordan forbruket av forskjellige native og non-native karbonkilder ville påvirke veksthastigheten til stammene og riboflavinproduksjonen. Glukose, fruktose, mannitol og xylose var karbonkildene brukt for analyse, både som eneste karbonkilde og i kombinasjoner. Stammen modifisert med evnen til mannitolforbruk, med den høyeste riboflavinproduksjonen, ga en konsentrasjon på 0.39 ± 0.12 g/L over 25 timer, ved å bruke kombinasjon av 1 % glukose og 1 % mannitol som karbonkilde. Videre viste xylose som eneste karbonkilde en forbedring i riboflavins spesifikke produktivitet. Derfor ble prosessen oppskalert i bioreaktorer. Fermenteringen ble delt inn i en batch og en fôrfase, med total fed-batch-fermenterings tid på 72 timer. Batchfasen bestod av 1 % xylose, mens tilsatt fôr hadde en konsentrasjon på 5 % xylose. Den endelige biomasseverdien, riboflavinkonsentrasjonen og produktutbytteverdien for fed-batch-fermenteringen ble funnet til å være 3.29 g/l, 0.85 g/l og 0.065 g/g.
Gjennom arbeidet i denne masteroppgaven har det blitt bevist at bruk av ikke-konvensjonelle og bærekraftige substrater for C. glutamicum er et kraftig verktøy innen industriell bioteknologi. Ytterligere leting og utnyttelse er nødvendig for å fortsette å utvikle bærekraftige bioprosesser og håndheve den sirkulære bioøkonomien. The B2 vitamin, also known as riboflavin, is categorised as an essential nutrient for cells. A deficiency of riboflavin would affect the proper functions of the cells and cause effects such as the increased risk of vascular disease and the production of cancer cells. Riboflavin is therefore industrially produced for utilisation as a supplement in feed and food additives.
Corynebacterium glutamicum is a microbial host commonly used for the industrial production of amino acids, in particular l-glutamic acid and l-lysine. Furthermore, it has been engineered for the production of different added value compounds, such as the vitamin riboflavin. It is unique because of its capability to utilise multiple carbon sources simultaneously, caused by it lacking the carbon catabolite repression system and being successfully modified to use non-native carbon sources.
Six strains of C. glutamicum were successfully modified through this thesis to analyse how the consumption of different native and non-native carbons sources would affect the growth rate of the strains and the riboflavin production. Glucose, fructose, mannitol and xylose were carbon sources analysed as sole carbon sources and in combinations. The strain, modified with the ability for mannitol consumption, with the highest riboflavin production, yielded a titer of 0.39 ± 0.12 g/L over 25 hours, utilising a combination of 1% glucose and 1% mannitol as carbon source.
Furthermore, xylose as sole carbon source showed an improvement in riboflavin's specific productivity. Therefore, the process was scaled-up in bioreactors. The fermentation was divided into a batch and a feed phase, with the total fermentation time at 72 hours. The batch phase consisted of 1% xylose, while the feed added had a concentration of 5% xylose. The final biomass value, riboflavin titer and product yield values for the fed-batch fermentation were found to be 3.29 g/L, 0.85 g/L and 0.065 g/g.
Through the work done in this master thesis, it has been proven that the use of non-conventional and sustainable substrates for C. glutamicum is a powerful tool within industrial biotechnology. Further exploration and exploitation is needed to continue developing sustainable bioprocesses and enforcing the circular bioeconomy.