Weed to Feed: From Seaweed to Sustainable Microbial Feedstock

Abstract

Nye og mer bærekraftige løsninger kreves i industriell sammenheng for å konservere ressurser som verdensbefolkningen allerede er svært avhengig av, som for eksempel dyrkbar jord. I løpet av dette prosjektet har tare blitt undersøkt som en potensiell kandidat for føde i mikrobielle prosesser for produksjon av vitaminet riboflavin. Bakterien Corynebacterium glutamicum har blitt genetisk konstruert for å benytte karbonkilder fra tareartene Laminaria hyperborea og Palmaria palmata som den i utgangspunktet ikke kan benytte. Nye bakteriestammer har vist vekst i CgXII minimalt medium med mannitol eller galaktose som eneste karbonkilde, og oppnådde vekstrater på henholdsvis 0.25 ± 0.02 t-1 og 0.34 ± 0.01 t-1. Stammene viste også vekst i tarebaserte medier. Kultivering i minimalt medium med laminarin som eneste karbonkilde ga ingen vekst. Et ukarakterisert, iboende importsystem for galaktose ble undersøkt i C. glutamicum og resultater tyder på at enten PTSG eller PTSF har evnen til å importere galaktose. Evnen til å produsere det blå pigmentet phycocyanobilin ble testet i både villtype C. glutamicum og i en bakteriestamme som kunne benytte galaktose, men ingen blåfarge ble observert hos noen av dem. Riboflavin har blitt produsert med galaktose som eneste karbonkilde. To parallelle «fed-batch» fermenteringer med en stamme som kan benytte galaktose og produsere riboflavin, kultivert i tarehydrolysat (50 %) fra P. palmata, ga endelig konsentrasjon, utbytte og volumetrisk produktivitet for riboflavin på henholdsvis 1139.4 ± 58.6 mg/L, 106.2 ± 5.5 mg/g og 25.3 ± 1.3 mg/L t.

More sustainable solutions are required in industry to preserve resources that the world population already relies heavily on, such as arable land. In this work seaweed has been investigated as a potential feedstock for microbial production of the vitamin riboflavin. The bacterium Corynebacterium glutamicum has been genetically engineered to utilize non-native carbon sources from the seaweeds Laminaria hyperborea and Palmaria palmata. New strains have been successfully cultivated in CgXII minimal media containing mannitol or galactose as sole carbon source and growth rates of 0.25 ± 0.02 h-1 and 0.34 ± 0.01 h-1 were achieved, respectively. New strains have also been successfully cultivated in seaweed-based media. No growth could be observed for cultivation in minimal medium with laminarin as sole carbon source. An uncharacterized native galactose import system in C. glutamicum has been investigated, with results indicating that either PTSG or PTSF is able to import galactose. Production capability for the blue pigment phycocyanobilin has been tested both in wild type and in galactose utilizing strains, but no blue colour could be observed for either. Riboflavin has been successfully produced with galactose as sole carbon source. Two in-parallel fed-batch fermentations with a galactose-utilizing riboflavin producer cultivated in seaweed hydrolysate (50 %) from P. palmata yielded riboflavin titer, yield and volumetric productivity of 1139.4 ± 58.6 mg/L, 106.2 ± 5.5 mg/g and 25.3 ± 1.3 mg/L h, respectively.