Establishing a Bacillus methanolicus - Corynebacterium glutamicum consortium towards the sustainable production of amino acids

Abstract

Kjemikalier med høy kommersiell verdi, som aminosyrer, produseres hovedsakelig ved fermentering av plantebaserte produkter i dagens industrielle bioteknologi. Dette vekker bekymring, da disse substratene konkurrerer med ressursene i matindustrien, som kan bli av mangelvare på grunn av verdens befolkningsvekst. Dette har økt interessen for å benytte alternative substrater i fermenteringsindustrien, som for eksempel substrater fra alger og en-karbon kjemikaliet metanol. Bakteriene C. glutamicum og B. methanolicus har de nødvendige egenskapene for å produsere kjemikalier fra disse alternative substratene. C. glutamicum er høyt utviklet innen fermenteringsindustrien, og den termofile bakterien B. methanolicus er også under utvikling. Bioteknologien er i stadig utvikling for å optimalisere den mikrobielle produksjonen av kjemikalier, og for tiden er mikrobielle konsortium av stor interesse. Produksjonsprosesser kan bli mer robuste ved bruk av mikrobielle konsortium, da syntesetrinnene kan fordeles på ulike mikrober, noe som reduserer den totale metabolske belastningen. Dette studiet etablerte et mikrobielt konsortium bestående av C. glutamicum og B. methanolicus for produksjon av aminosyrer, og det etablerte også en metode for å observere veksten til de ulike komponentene i konsortiet. Begge bakteriene C. glutamicum og B. methanolicus vokste i en co-kultur og beviste dermed at bakteriene har grunnlag for å vokse sammen i et konsortium, og det ble også bevist at bakteriene ikke har kompetitive egenskaper ovenfor hverandre. Et syntetisk konsortium ble etablert bestående av en metionin-auxotrof stamme av B. methanolicus og en lysin-auxotrof stamme av C. glutamicum, hvor de interagerer gjennom utveksling av lysin og metionin i et mutualistisk forhold. Et mutualistisk konsortium ble også designet for å produsere aminosyren piperkolsyre ved å fermentere metanol og rødalge ekstrakt, men disse bakteriestammene ble ikke fullstendig konstruert i dette studiet. Studiet legger likevel grunnlag for videre utvikling av B. methanolicus og C. glutamicum konsortium og deres bærekraftige produksjon av aminosyrer.

The current microbial production of value-added products such as amino acids mainly utilizes agriculturally derived feedstocks, which brings concerns regarding its competition with food resources. The use of microbes that can utilize alternative sources such as marine algae-derived feedstocks and the one-carbon compound methanol have therefore become of great interest in biotechnology. Microorganisms with the ability to utilize such carbon sources are the industrially advanced bacterium C. glutamicum and the upcoming thermophilic bacterium B. methanolicus. With the aim of establishing more robust microbial productions, synthetic consortia enabling modularized metabolic pathways and reduced metabolic burdens of bacteria have become of increasing interest. Herein, a B. methanolicus and C. glutamicum consortium towards sustainable production of amino acids was established in this study, as well as a method for consortia growth monitoring. The wild-type strains of B. methanolicus and C. glutamicum were capable of growing in a co-culture and proved native co-culture capacities and no pre-established competitive interactions of the bacteria. A synthetic consortium was established for the L-methionine auxotrophic strain M168-20-sfGFP and the L-lysine auxotrophic strain CgΔlysA-mCherry, by enforcing mutualistic cross-feeding of L-methionine and L-lysine metabolites. A B. methanolicus and C. glutamicum consortium for the production of the value-added amino acid L-pipecolic acid, by utilizing the sustainable feedstocks methanol and red algae extract, was designed. The engineering of the strains was, however, not achieved herein. This study provides insight and opens doors for further investigation and construction of B. methanolicus and C. glutamicum consortia towards sustainable microbial production of value-added compounds.