Microbial production of xylitol, L-xylulose and L-xylose

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Nyyssölä, Antti, D.Sc. (Tech.), Technical Research Centre of Finland VTT, Finland
dc.contributor.author Usvalampi, Anne
dc.date.accessioned 2013-10-02T09:00:15Z
dc.date.available 2013-10-02T09:00:15Z
dc.date.issued 2013
dc.identifier.isbn 978-952-60-5317-2 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5316-5 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/11007
dc.description.abstract Rare sugars are defined as monosaccharides and their derivatives that are rare in nature. These rare sugars have many potential uses in medicine and food industry. Their derivatives can be used as antiviral and anticancer drugs. Most rare sugars taste sweet, but they are not metabolized by humans to the same level of more common sugars. Thus they can be used as low calorie sweeteners. Some rare sugars have the ability to suppress blood glucose and insulin levels and could thus be used as diabetes drugs. Also other medicinal and nutriceutical properties have been found. Rare sugars are generally expensive, as they cannot be isolated from natural sources in significant amounts. They are often produced by chemical means, but due to several steps and poor yields, the prices have stayed high. Biotechnological production is often superior to chemical methods once suitable enzymes acting on rare sugars are found. In this thesis the microbial production of two rare sugars – L-xylulose and L-xylose – and one sugar alcohol, xylitol, was studied. As a meso-sugar, xylitol is an intermediate between D- and L-sugars. It has several interesting characteristics, such as the ability to prevent dental caries and ear infections. In this thesis xylitol was produced from D-xylose by recombinant Lactococcus lactis harboring the xylose reductase gene from Pichia stipitis. The strain was able to produce xylitol from xylose in a quantitative yield, but it was not able to convert all the xylose initially present to xylitol. The productivity of the strain was competitive with previous reports using natural or recombinant strains. Next, the xylitol-4-dehydrogenase from Pantoea ananatis was produced recombinantly in Escherichia coli and characterized. The resting recombinant cells were used to produce L-xylulose from xylitol in quantitative yields. The volumetric productivity of this strain was one of the best reported to date. Last, the L-fucose isomerase gene from E. coli was overexpressed in a recombinant E. coli strain. The gene product was characterized and it was noticed to convert L-xylulose to L-xylose with the reaction balance strongly on the side of xylose. Contrary to earlier reports on the conversion between L-xylulose and L-xylose, practically no L-lyxose was formed with this enzyme. Resting cells of the recombinant strain were also able to convert L-xylulose to L-xylose. In conclusion, starting from a readily available sugar, D-xylose, xylitol and two rare sugars, L-xylulose and L-xylose were produced using resting cells of recombinant bacteria. Additionally, the enzymes performing the reaction between xylitol and L-xylulose, as well as between L-xylulose and L-xylose were characterized. en
dc.description.abstract Luonnossa harvinaiset monosakkaridit ja niiden johdannaiset on määritelty harvinaisiksi sokereiksi. Harvinaisilla sokereilla on useita käyttömahdollisuuksia lääke- ja elintarviketeollisuudessa. L-Muotoisten sokereiden johdannaisia voidaan käyttää esimerkiksi virus- ja syöpälääkkeinä. Useimmat harvinaiset sokerit maistuvat makeilta, mutta sopivien entsyymien puutteessa ruoansulatus ei kykene käyttämään niitä kuten tavallisia sokereita. Tästä syystä harvinaisia sokereita voidaan käyttää vähäkalorisina makeutusaineina. Tietyillä harvinaisilla sokereilla on myös kyky alentaa veren sokeri- ja insuliinitasoja, mistä syystä niitä voitaisiin käyttää diabeteslääkkeinä. Koska harvinaisia sokereita ei voida eristää luonnosta merkittäviä määriä, ne ovat yleensä kalliita. Harvinaisia sokereita voidaan valmistaa kemiallisesti, mutta synteesit koostuvat yleensä useista vaiheista ja saannot ovat usein huonoja. Biotekniset tuotantomenetelmät ovat monesti osoittautuneet kemiallisia paremmiksi, kunhan löydetään sopivat entsyymit, joilla on aktiivisuutta haluttuja sokereita kohtaan. Tässä väitöskirjassa tutkittiin kahden harvinaisen sokerin – L-ksyluloosin ja L-ksyloosin – sekä sokerialkoholi ksylitolin mikrobiologista tuottoa. Ksylitoli on meso-sokeri, ja luonnollinen välimuoto muutettaessa D-sokereita L-sokereiksi. Lisäksi ksylitolilla on useita kiinnostavia ominaisuuksia, kuten kyky ehkäistä hammaskariesta ja korvatulehduksia. Tässä työssä ksylitolia tuotettiin D-ksyloosista Lactococcus lactis -bakteerilla, johon oli lisätty Pichia stipitis -hiivan ksyloosireduktaasi-geeni. Kyseinen kanta tuotti ksylitolia D-ksyloosista kvantitatiivisella saannolla, mutta se ei kyennyt käyttämään kaikkea lähtöainetta. Tuottonopeus oli kilpailukykyinen aiemmin raportoitujen tulosten kanssa. Seuraavaksi Pantoea ananatis -bakteerin ksylitoli-4-dehydrogenaasi-geeni kloonattiin Escherichia coli -bakteeriin ja sen tuottama entsyymi karakterisoitiin. Lepäävillä rekombinantti-soluilla saatiin tuotettua ksylitolista L-ksyluloosia kvantitatiivisella saannolla. Kannan tuottonopeus oli yksi parhaista tähän päivään mennessä raportoidusta. Lopulta E. coli -bakteerin L-fukoosi-isomeraasi-geeni yliekspressoitiin rekombinanttisessa E. coli -kannassa. Tuotettu entsyymi karakterisoitiin, ja sen todettiin isomeroivan L-ksyluloosia L-ksyloosiksi. Toisin kuin aiemmin raportoiduissa kokeissa, sivutuotteena ei syntynyt L-lyksoosia merkittäviä määriä. Lisäksi lepäävät solut tuottivat L-ksyloosia L-ksyluloosin toimiessa lähtöaineena. Yhteenvetona, tässä työssä valmistettiin ksylitolia, L-ksyluloosia ja L-ksyloosia lepäävillä rekombinanttisilla bakteerisoluilla. Lähtöaineena käytettiin halpaa D-ksyloosia. Lisäksi työssä karakterisoitiin entsyymit, jotka katalysoivat reaktioita ksylitolista L-ksyluloosiksi ja L-ksyluloosista L-ksyloosiksi. fi
dc.format.extent 98 + app. 44
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 137/2013
dc.relation.haspart [Publication 1]: Nyyssölä, A., Pihlajaniemi, A., Palva, A., von Weymarn, N. and Leisola, M., Production of xylitol from D-xylose by recombinant Lactococcus lactis, J. Biotechnol. 118 (2005) 55-66.
dc.relation.haspart [Publication 2]: Aarnikunnas, J.S., Pihlajaniemi, A., Palva, A., Leisola, M. and Nyyssölä, A., Cloning and expression of a xylitol-4-dehydrogenase gene from Pantoea ananatis, Appl. Environ. Microbiol. 72 (2006) 368-377.
dc.relation.haspart [Publication 3]: Usvalampi, A., Kiviharju, K., Leisola, M. and Nyyssölä, A., Factors affecting the production of L-xylulose by resting cells of recombinant Escherichia coli, J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 36 (2009) 1323-1330.
dc.relation.haspart [Publication 4]: Usvalampi, A., Turunen, O., Valjakka, J., Pastinen, O., Leisola, M. and Nyyssölä, A., Production of L-xylose from L-xylulose using Escherichia coli L-fucose isomerase, Enzyme Microb. Tech. 50 (2012) 71-76.
dc.subject.other Biotechnology en
dc.title Microbial production of xylitol, L-xylulose and L-xylose en
dc.title Ksylitolin, L-ksyluloosin ja L-ksyloosin mikrobiologinen tuotto fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Biotekniikan ja kemian tekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Biotechnology and Chemical Technology en
dc.subject.keyword xylitol en
dc.subject.keyword L-xylulose en
dc.subject.keyword L-xylose en
dc.subject.keyword rare sugars en
dc.subject.keyword metabolic engineering en
dc.subject.keyword ksylitoli fi
dc.subject.keyword L-ksyluloosi fi
dc.subject.keyword L-ksyloosi fi
dc.subject.keyword harvinaiset sokerit fi
dc.subject.keyword metabolian muokkaus fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5317-2
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Ojamo, Heikki, Prof., Aalto University, Department of Biotechnology and Chemical Technology, Finland
dc.opn Vandamme, Erick, Emeritus Prof., Ghent University, Belgium
dc.date.dateaccepted 2013-08-20
dc.contributor.lab Bioprocess Engineering en
dc.contributor.lab Bioprosessitekniikka fi
dc.rev Richard, Peter, Dr. rer. nat., VTT, Docent, University of Helsinki, Finland
dc.rev Saris, Per, Prof., University of Helsinki, Finland
dc.date.defence 2013-10-25


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account