Optimierung der L-Serin-Gewinnung

Die AminosĂ€ure L-Serin ist ein interessantes Produkt fĂŒr die Pharma- und Nahrungsmittelindustrie. In hochreiner Form dient sie beispielsweise als Zusatz von Infusionslösungen. Durch gezielte Eingriffe in den Stoffwechsel des Bakteriums Corynebacterium glutamicum wurde ein Serin-Produktionsstamm konstruiert, der das gewĂŒnschte Produkt L-Serin ausgehend vom nachwachsenden Rohstoff Zucker produziert. Das entwickelte Verfahren wurde mittels Ökobilanzierung und Wirtschaftlichkeitsanalyse mit dem konventionellen, sehr umweltbelastenden Verfahren verglichen. Die Ergebnisse versetzen die als Industriepartner beteiligte Amino GmbH in die Lage, das neue fermentative Verfahren zur mikrobiellen L-Serin-Produktion in den Produktionsmaßstab zu ĂŒberfĂŒhren.
Ziel des Projekts war es, ein hocheffizientes biotechnologisches Verfahren zur umweltfreundlichen Herstellung der AminosĂ€ure L-Serin zu entwickeln. Dazu wurde der Stoffwechsel des Bakteriums Corynebacterium glutamicum gezielt und mit grĂ¶ĂŸtmöglicher Ausbeute in Richtung L-Serin-Bildung umgelenkt. Dieses Bakterium ist als guter AminosĂ€ureproduzent bekannt und mit ihm werden derzeit die AminosĂ€uren L-Lysin und L-Glutamat im 100.000-Tonnen-Maßstab produziert.

Serin im Zentrum des Stoffwechsels
WĂ€hrend die Biosynthese der AminosĂ€ure L-Serin in nur drei Schritten erfolgt, stellt sie selbst die Vorstufe fĂŒr eine Vielzahl weiterer Stoffwechselprozesse dar. Es war daher notwendig, einerseits die L-Serin-Biosynthese durch Überproduktion der Biosyntheseenzyme zu verstĂ€rken und andererseits den Abbau des L-Serins zu vermindern. Das erfolgte durch Ausschalten der entscheidenden L-Serin abbauenden Enzyme. In Kombination mit einer verbesserten Vorstufenbereitstellung und Deregulation der SchlĂŒsselenzyme gelang es, die L-Serin-Anreicherung um den Faktor 10.000 zu steigern.

Trotz dieser ermutigenden Ergebnisse sind weitere Fortschritte erfoderlich, um eine wirtschaftliche Produktion von Serin im industriellen Maßstab zu ermöglichen. Als Ziel fĂŒr die Produktion wurde in der Modellbildung fĂŒr die begleitende Ökobilanz und Wirtschaftlichkeitsanalyse fĂŒr das fermentative Verfahren von 30g/l Produktausbeute und 47% Aufarbeitungsausbeute ausgegangen. Betrachtet wurden hierbei auch unterschiedliche Ausgangsrohstoffe. Unter diesen Bedingungen zeigen sich signifikante ökologische Vorteile (Energiebedarf, Wasserverbrauch, Abwasser, Treibhauseffekt) des fermentativen Verfahrens gegenĂŒber dem Referenzverfahren der sauren Hydrolyse. Aus ökonomischer Sicht bietet die Fermentation bei diesen Zielparametern relativ zur sauren Hydrolyse und unter den Bedingungen eines deutschen Produktionsstandorts zwar Kostenvorteile; um aber im internationalen Wettbewerb dauerhaft bestehen zu können und angesichts des herrschenden Preisdrucks auf dem Markt fĂŒr AminosĂ€uren auch in ungĂŒnstigen Marktphasen mit ausreichenden DeckungsbeitrĂ€gen produzieren zu können, ist eine weitere Verbesserung des Stamms und des Gesamtprozesses erforderlich.

Projektziel:
Mikrobielle Produktion der AminosĂ€ure L-Serin unter besonderer BerĂŒcksichtigung der Ökobilanzierung
ProjekttrÀger:
Forschungszentrum JĂŒlich GmbH Institut fĂŒr Biotechnologie 1 Prof. Dr. Hermann Sahm 52425 JĂŒlich
Telefon:
02461 / 61-3294
Fax:
02461 / 61-2710
URL:
www.fz-juelich.de/ibt/ibt-1.html
E-Mail:
h.sahm@fz-juelich.de
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Bakteriums Corynebacterium glutamicum
Gezielte VerÀnderungen im Stoffwechsel von Corynebacterium glutamicum zur Konstruktion eines Serinproduktionsstamms