Stammverbesserung von komplexen Phänotypen durch genome shuffling in Clostridium diolis DSM 15410 und Clostridium acetobutylicum ATCC 824 und DG1

Die Nachfrage nach umweltfreundlichen, ökonomisch kompetitiven biotechnologischen Prozessen zur Herstellung von Chemikalien ist im letzten Jahrzehnt stark angestiegen. Dies hat zu einer vermehrten Zunahme an neuen Methoden und Werkzeugen für die schnelle und zeiteffiziente Entwicklung von industriellen Hochleistungsstämmen geführt. Bei der Verbesserung von komplexen Phänotypen von industriellen Hochleistungsstämmen wie der Toleranz oder die volumetrische Produktivität gibt es hingegen wenige anwendbare Methoden. Dies gilt insbesondere für Mikroorganismen, die genetisch und physiologisch schlecht charakterisiert sind und wo die Methoden der modernen Molekularbiologie limitiert sind. Lange Zeit ist der Goldstandard die klassische Stammverbesserung gewesen, welche meist auf chemischer Mutagenese und anschließender Selektion oder Durchmusterung basiert. Dieser iterative Zyklus wird solange fortgesetzt bis das gewünschte Ziel erreicht wird. Der Nachteil dieser in der Industrie sehr gut entwickelten Methode ist ihr immenser Zeit- und Laboraufwand. Die Methode des genome shuffling wurde kürzlich in der Literatur als eine neue und effiziente Methode zur Optimierung von komplexen, zellulären Phänotypen demonstriert. Sie Methode basiert auf der rekursiven Protoplastenfusoin von multiparentalen Elternstämmen und nutzt den Vorteil der homologen Rekombination ganzer Genome ohne die Notwendigkeit der Kenntnis der Genomsequenz des entsprechenden Mikroorganismus oder ein detailliertes Verständnis über die Physiologie und Genetik. Vielmehr ist sie eine kombinatorische Methode, die als eine black box angesehen werden kann. Sie wurde in der Literatur als eine effiziente Methode gegenüber der klassischen Stammverbesserung beschrieben, welche den Zeitaufwand für die Entwicklung eines Hochleistungsstammes um den Faktor 20 verkürzt. Clostridien sind für die Biotechnologie interessante Mikroorganismen, da sie unter anaeroben Bedingungen eine Vielzahl an kommerziell interessanten chemischen Verbindungen von Natur aus selbst herstellen. Darunter zählen Ethanol, Aceton, Butanol, Hexanol, 1,3-Propandiol, 2,3-Butandiol, Wasserstoff und auch Antibiotika. Weiterhin können Clostridien unterschiedliche Kohlenstoffquellen wie C5 und C6 Zucker verwerten. Insbesondere die Fähigkeit Lignozellulose effizient zu degradieren und Syngas als Energiequelle zu benutzen sind für neue biotechnologische Prozesse sehr interessant. Allerdings sind die meisten Mikroorganismen dieser Gattung genetisch schlecht charakterisiert und moderne molekularbiologische Methoden befinden sich erst in der Entwicklung.In der vorliegenden Arbeit wurde die erstmalige Anwendung des genome shuffling in strikt anaeroben Mikroorganismen untersucht. Die durchgeführten Arbeiten gliedern sich dabei in zwei Teile. Zunächst wird als exemplarisches Beispiel für eine Stammverbesserung von komplexen Phänotypen die Verbesserung der 1,3-Propandiolproduktion (1,3-PDO) in Clostridium diolis DSM 15410 untersucht.In einem zweiten Teil wird der Zelluloseabbau in Clostridium acetobutylicum ATCC 824 und der Mutante DG1 optimiert. Dazu sollte ein neuer Hybridstamm generiert werden, der das Genom zwischen C. cellulolyticum ATCC 35319, welcher Zellulose effizient abbauen kann, mit dem Genom von Clostridium acetobutylicum ATCC 824 vereint.