Glycolic acid production in Saccharomyces cerevisiae

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Author
Date
2011
Department
Biotekniikan ja kemian tekniikan laitos
Major/Subject
Bioprosessitekniikka
Mcode
Kem-70
Degree programme
Language
en
Pages
vi + 75 + [17]
Series
Abstract
The depletion of fossil resources requires usage of alternative raw materials, such as renewable biomass, for the chemical production. The robustness for process conditions and good genetic accessibility make S. cerevisiae an attractive microbial host for the production of biomass-based chemicals, such as organic acids. The research conducted with S. cerevisiae will also benefit the development of bioprocesses with other eukaryotic microbes. Aim of this work was to enhance the glycolic acid production of previously engineered S. cerevisiae strains. To improve the substrate and cofactor availability for this process, metabolic modifications of the glyoxylate cycle and of the central carbon metabolism were tested. Shakeflask and aerobic glucose-limited chemostat cultivations were used to determine the glycolic acid production levels and the carbon source preferences of the production strains. Although the metabolic pathways related to the glycolic acid production in S. cerevisiae were further optimized in this work the glycolic acid production levels were not significantly changed in the shake-flask cultivations in comparison with the previous production strains. The aerobic glucose-limited chemostat experiments resulted in the unexpected Crabtree effect (aerobic alcoholic fermentation) and zero glycolic acid production levels. The tested strains seemed to produce glycolic acid in the shake-flasks from ethanol which either served as one carbon source of the cultivation or was first formed via aerobic fermentation of sugars of the cultivation media. The Crabtree effect is a dominant feature in the energy metabolism of S. cerevisiae, which makes production of other chemicals than ethanol rather ineffective in this microbe. Discovery of a shorter metabolic pathway and possibly another production host might be a more desirable choice economically and environmentally for the glycolic acid production.

Fossiilisten raaka-aineiden ehtyminen edellyttää vaihtoehtoisten resurssien, kuten biomassan, hyödyntämistä kemikaalien valmistuksessa. S. cerevisiae -hiiva soveltuu teollisuusprosessien tuotanto-olosuhteisiin erittäin hyvin. Lisaksi S. cerevisiae -hiivakantojen kehittäminen esimerkiksi metaboliamuokkauksen menetelmillä on suhteellisen vaivatonta. Kyseiset ominaisuudet tekevät S. cerevisiae -hiivasta kiinnostavan tuotantomikrobin biomassapohjaisten kemikaalien, kuten orgaanisten happojen, valmistukseen. S. cerevisiae -hiivalla tehty tutkimus auttaa myös kehittämään muiden eukaryoottimikrobien bioprosesseja. Työn tarkoituksena oli tehostaa aiemmin muokattujen S. cerevisiae -hiivakantojen glykolihapon tuotantoa. Hiivan glyoksylaattisykliä ja keskeistä energiametaboliaa muokattiin, jotta prosessin substraattien ja kofaktorien saatavuudet parantuisivat. Pullokasvatuksia sekä aerobisia, glukoosirajoitteisia kemostaattikasvatuksia hyödynnettiin glykolihapon tuottopitoisuuksien sekä kantojen hiilenlähteen käytön määrityksessä. Työssä muokattujen kantojen glykolihapon tuottopitoisuudet eivät merkittävästi muuttuneet verrattuna aiempien kantojen pullokasvatuksiin, vaikka metaboliaa oli jatkomuokattu glykolihapon tuotantoa varten. Aerobisessa, glukoosirajoitteisessa kemostaatissa testattujen kantojen energiametaboliaa leimasi yllättäen Crabtree-ilmiö (aerobinen alkoholikäyminen), eikä glykolihappoa myöskään tuottunut. Testatut kannat vaikuttivat tuottavan glykolihappoa etanolista, joka oli joko osana kasvatusalustaa tai muodostui kasvatusalustan sokerien. aerobisessa käymisessä. Crabtree-ilmiö on dominoiva energiametabolian ominaisuus S. cerevisiae -hiivassa, mikä tekee muiden kemikaalien kuin etanolin tuottamisesta hankalaa kyseisessä mikrobissa. Lyhyemmän. metaboliareitin ja mahdollisesti myös eri tuotanto-organismin löytäminen voisivat olla taloudellisesti ja ympäristön kannalta parempi vaihtoehto glykolihapon tuotantoon.
Description
Supervisor
Leisola, Matti
Thesis advisor
Richard, Peter
Koivistoinen, Outi
Keywords
Saccharomyces cerevisiae, glykolihappo, glycolic acid, metaboliamuokkaus, metabolic engineering, fermentointi, fermentation
Other note
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122358382
Collections
[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM