Optimierung der Stoffwechselregulation in Hefestämmen für dynamische Produktionsbedingungen

Die in der Biotechnologie verwendeten Mikrobenstämme sollen Produkte mit einer hohen Ausbeute herstellen und gleichzeitig robust gegenüber Schwankungen in der Nährstoffversorgung sein. Solche Schwankungen treten in großen Bioreaktoren als transiente Unterversorgung mit Kohlenstoff und Sauerstoff auf.
Bisher ist allerdings die Stoffwechselrobustheit gegenüber Nährstoffschwankungen nicht gut verstanden.
Das ROBUSTYEAST-Konsortium wird einen systembiologischen Ansatz verwenden, um diese Mechanismen aufzudecken und für die Optimierung von Mikrobenstämmen in biotechnologischen Anwendungen nutzbar zu machen.
Damit sollen evolutionäre Optimierungsprotokolle etabliert werden, die Mikrobenstämme robuster gegenüber Nährstoffschwankungen machen.

Das Konsortium wird die Robustheit der Hefe Saccharomyces cerevisiae gegenüber Schwankungen in zwei Typen von zyklischen Nährstoffwechseln experimentell untersuchen, die für die Industrie von großer Bedeutung sind, nämlich sich wiederholende Wechsel zwischen Glukose- und Ethanol-basiertem Wachstum, bzw. aerobem und anaerobem Wachstum.
Während der evolutionären Adaptation von Hefe an diese Wechsel werden physiologische Parameter experimentell überwacht.
Außerdem entwickelt das Konsortium dazu theoretische und rechnerische Methoden, mit denen die Optimierung des Stoffwechselübergangs von einem stationären Zustand zu einem anderen über eine dynamische Regulation abgebildet werden kann.
Durch Kombination der Daten mit der mathematischen Modellierung und rechnerischen Analyse wird das Konsortium Eigenschaften des Stoffwechselnetzwerkes identifizieren, die Hefe robust gegenüber den hier untersuchten, industriell relevanten Nährstoffschwankungen machen.
Die Ergebnisse der Modellierung und Optimierung werden in ein Verfahren zur optimalen Experimentenplanung integriert, mit dem evolutionäre Adaptationsprotokolle entwickelt werden sollen, die den Mikrobenstämmen eine höhere Robustheit gegenüber dynamischen Schwankungen vermitteln.

Insgesamt wird das Projekt für biotechnologische Anwendungen Werkzeuge bereitstellen, um für Robustheit wichtige Stoffwechseleigenschaften zu identifizieren, und die Regulationsprinzipien für robustes Wachstum von S. cerevisiae unter schwankenden Umgebungsbedingungen aufzeigen.

Dieses Projekt 031L0017A wird im Rahmen der EU-Joint-Programming Initiative ERA-Net Angewandte Systembiologieforschung ERASysAPP (www.erare.eu, Cofund-Programm von HORIZON 2020) vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.