Molecular mechanism controlling polyhydroxyalkanoate synthesis in halophilic archaea

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-09-19

Department

Major/Subject

Biotuotteet

Mcode

CHEM3048

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

42

Series

Abstract

Sustainable and biodegradable alternatives to fossil-based plastics are required to mitigate global plastic pollution. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are biodegradable polyesters produced by microorganisms, showing promise in replacing traditional polymers, such as polypropylene (PP) and polyethylene (PE), but they suffer from high production costs, because of expensive feedstocks and complex downstream processing. Utilizing halophiles shows promise in decreasing these costs by enabling the use of cheap feedstocks (e.g., industrial- or agricultural wastes), and simple PHA extraction with pure water, inducing osmotic shock. In this thesis, the molecular mechanism controlling PHA biosynthesis in halophilic archaea was investigated via a literature study. Based on an initial literature survey of the research field, a PHA-producing model halophilic archaea Haloferax mediterranei (HFX), is highlighted as a focus for the thesis. It was found that HFX can use sugars, short-chain fatty acids, glycerol, amino acids, and chitin to produce poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV), which is a more promising PHA, as opposed to the common PHA polyhydroxybutyrate (PHB). PHBV can have thermomechanical properties close to those of PP and PE. HFX produces PHB mostly via two pathways analogous to the well-studied bacterial type I and II pathways. Moreover, a total of 5 propionyl-CoA-producing pathways were found in the literature, responsible for the high polyhydroxyvalerate (PHV) content of the produced PHBV in HFX. Additionally, the role of the PHAs was found to be more than energy and carbon storage in halophiles: They use PHAs as a protection against osmotic shock and inhibitory effects of substrates in the environment. These aspects, along with the enzymes and molecular-level regulatory systems examined in this thesis, can give insight into the development of better PHBV production systems with HFX or with haloarchaea in general. Further research should focus especially on the regulatory mechanisms of PHBV synthesis, enzyme reaction mechanisms, and chitin metabolism in HFX.

Muovijätteen kertyminen ympäristöön on maailmanlaajuinen ongelma, jonka lievittämiseksi tarvitaan biohajoavia muoveja fossiilipohjaisten muovien tilalle. Polyhydroksialkanoaatti (PHA) on biohajoava muovi, jota tuotetaan mikro-organismeilla, kuten bakteereilla tai arkeoneilla. Bakteereissa yleisin PHA, poly(3-hydroksibutyraatti) (PHB), on kovaa, haurasta ja vaikeasti työstettävää. PHB:n ja poly(3-hydroksivaleraatti):n (PHV) kopolymeeri poly(3-hydroksibutyraatti-ko-3-hydroksivaleraatti) (PHBV) vastaa termomekaanisilta ominaisuuksiltaan perinteisiä muoveja, kuten polypropeenia (PP) tai polyeteeniä (PE). Esteenä PHA:n menestykselle ovat sen korkeat tuotantokustannukset, johtuen kalliista raaka-aineista, sekä jatkokäsittelystä. Halofiilien hyödyntäminen PHA-tuotannossa voi laskea näitä tuotantokustannuksia mahdollistamalla halvempien raaka-aineiden hyödyntämisen ja kustannustehokkaan PHA:n erottamisen käyttämällä osmoottista shokkia. Tämä kandidaatintyö käsittelee PHA-biosynteesiä halofiilisissä arkeoneissa. Työn tavoite oli vastata neljään päätutkimuskysymykseen, joista tärkein oli: “Mikä molekyylimekanismi vastaa PHB:n ja PHV:n biosynteesistä halofiilisissä arkeoneissa?” Lisäksi työ esittelee PHB:n, PHV:n ja PHBV:n ominaisuuksia, sekä näitä tuottavia halofiilisiä ja halotolerantteja mikro-organismeja. Molekyylimekanismeja tutkittiin aineenvaihduntateiden, entsyymien, geenien, sekä sääntelymekanismien tasolla. Yksityiskohtaiset reaktiomekanismit rajattiin työn ulkopuolelle, ja tutkittavat PHA:t rajattiin PHB:hen, PHV:hen, ja PHBV:hen. Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena. Työn pääasiallisena tutkimusmallina oli halofiilinen arkeoni Haloferax mediterranei (HFX). HFX hyödyntää PHB:n tuottamiseen bakteereistakin löytyviä aineenvaihduntatie I:stä ja II:sta, sekä useista haloarkeoneista löytyvää glyseroli-3-fosfaatti (G3P) aineenvaihduntatietä. Lisäksi HFX sisältää 5 erilaista propionyylikoentsyymi-A:ta tuottavaa aineenvaihduntatietä, jotka ovat vastuussa korkeasta PHV-pitoisuudesta, sekä kyvystä tuottaa PHV:tä ilman rakenteellisia esiasteita. Lisäksi HFX pystyy kasvamaan ja tuottamaan PHBV:tä kitiinistä. Nämä aineenvaihduntatiet mahdollistavat HFX:lle useiden erilaisten hiililähteiden hyödyntämisen, kuten sokerit, aminohapot, rasvahapot, glyseroli ja kitiini. HFX:n PHBV-biosynteesissä tärkeimmät entsyymit ovat β-ketotiolaasit BktB ja PhaA, asetoasetyylikoentsyymi-A-reduktaasit PhaB1 ja PhaB2, ja PHA-syntaasi PhaEC, joita koodaavat vastaavasti geenit bktB, phaA, phaB1, phaB2, phaE, ja phaC. Näistä phaE ja phaC muodostavat operonin, yhteisellä promoottorilla. β-ketotiolaaseista vain BktB osallistuu PHV:n muodostamiseen. PHA-biosynteesiä sääteleviä tekijöitä ovat mm. PspR, PhaR ja PhaP proteiinit. PhaR ja PhaP edistävät PHA:n muodostumista, mutta yksityiskohtaista promootiomekanismia ei ole selvitetty. Toisaalta PspR ja PhaR repressoivat PHA:n muodostumista toimimalla phaRP-operonin repressoreina. Lisäksi PHBV:n PHV-mooliprosentti kasvaa ympäristön suolaisuuden, tai inhibitorisen substraatin konsentraation funktiona HFX:ssä. PHBV:n muodostuminen ei ole vahvasti linkittynyt typen saantiin HFX:ssä, mutta fosforin puute kasvattaa PHBV:n tuotantoa. HFX:n molekyylimekanismin huomattiin olevan monimutkainen, sisältäen useita aineenvaihduntateitä, entsyymeitä, näitä koodaavia geenejä, sekä säätelymekanismeja. Kirjallisuudessa on kuitenkin selkeitä tutkimusaukkoja, esim. PhaP:n ja PhaR:n promootiomekanismi, entsyymien yksityiskohtaiset reaktiomekanismit, sekä kitiinin aineenvaihdunta. Reaktiomekanismien puutetta voi selittää vaikeus kuvata suolatolerantteja entsyymejä röntgenkristallografialla, tai tehokkaiden ekspressiojärjestelmien puute. Kitiinin aineenvaihdunnan selventäminen voisi mahdollisesti löytää uusia propionyylikoentsyymi-A:ta tuottavia aineenvaihduntateitä. Lisäksi olisi hyödyllistä selvittää eri aineenvaihduntateiden aktiivisuuksia hiililähteen funktiona, mikä voisi auttaa HFX:n geenimuokkauksessa.

Description

Supervisor

Hiltunen, Eero

Thesis advisor

Kamravamanesh, Donya

Keywords

polyhydroxyalkanoate, halophile, pathway, biosynthesis, molecular mechanism

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202510077497

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM