Universität zu Köln

Untersuchungen zum Einfluss von pH- und CO2-Stress auf Physiologie und Threoninproduktion von Escherichia coli

Nettekoven, Jeannine Astrid (2009) Untersuchungen zum Einfluss von pH- und CO2-Stress auf Physiologie und Threoninproduktion von Escherichia coli. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Das gramnegative Enterobakterium Escherichia coli ist nicht nur der bedeutendste mikrobielle Modellorganismus, sondern wird auch zur biotechnologischen Produktion einer Vielzahl von Substanzen, darunter der Aminosäure L-Threonin, eingesetzt. Sowohl in seinem natürlichen Habitat als auch während der Threoninproduktion ist E. coli verschiedenen Stresssituationen, wie Veränderungen des externen pH-Werts und der CO2-Konzentration, ausgesetzt. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Veränderung des externen pH-Werts in beide Richtungen eine drastische Verringerung von Wachstum und Produktivität der Zellen zur Folge hat. Während eine erhöhte CO2-Konzentration bei neutralem externen pH-Wert keinen Einfluss hatte, wurde durch die Kombination von niedrigem pH-Wert und erhöhter CO2-Konzentration die Threoninproduktion komplett inhibiert. E. coli besitzt eine effektive pH-Homöostase bei externen pH-Werten zwischen 5,5 und 9. In diesem Bereich wurde ein interner pH-Wert von 7 � 7,5 aufrechterhalten. Dabei wurde beobachtet, dass der Stammhintergrund und die Zusammensetzung des Mediums signifikante Veränderungen der pH-Resistenz zur Folge hatten. Aminosäure-Decarboxylasen und Transporter besitzen bei moderat niedrigen pH-Werten keine Bedeutung im Gegensatz zu Kaliumtransportsystemen, deren Einfluss in diesem Bereich bestätigt werden konnte. Die Aufgabe von Kationen-Protonen-Antiportern scheint auf die Natrium-Homöostase beschränkt zu sein. Es konnte festgestellt werden, dass sowohl bei niedrigem als auch bei hohem pH-Wert weitere, bisher unbekannte Komponenten an der pH-Homöostase beteiligt sein müssen. Die Untersuchung der Bildung von Acetat als Nebenprodukt der Threoninproduktion ergab, dass von den Zellen gebildetes Acetat im Gegensatz zu extern zugegebenem keinen Einfluss auf den internen pH-Wert von E. coli hat. CO2 hatte in hohen Konzentrationen bei Wildtyp und Produktionsstamm einen Zusammenbruch des pH-Gradienten zur Folge. Ein Mechanismus für die Wirkung von CO2 konnte vorgeschlagen werden. Darüber hinaus konnten Vorschläge zur Optimierung der Prozessbedingungen und der Stämme für die biotechnologische Produktion abgeleitet werden.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Escherichia coli is the main model organism for Gram-negative bacteria and used for the biotechnological production of a variety of compounds like the amino acid L-threonine (70.000 t/a). In its natural habitat, as well as during fermentation processes, E. coli is exposed to different stress conditions like changes in the external pH or high CO2-concentrations. In the present work it was shown, that variations of the exernal pH in both directions impact growth and productivity of E. coli cells. High CO2-concentrations had no effect at neutral pH, but inhibited threonine production at low external pH almost completely. In order to adress pH-response E. coli performs effective pH-homeostasis at external pH between 5.5 and 9. The genetic background of the strain and the composition of the growth medium were found to be relevant for the extent of resistance against variations of the external pH. Furthermore it was shown, that amino acid decarboxylases and transporters are not neccesary for effevtive pH-homeostasis at moderate pH variations. In contrast the importance of potassium import for growth at low external pH was proven. Cation proton antiporters were found necessary for sodium homeostasis but not for pH-homeostasis at akaline pH. Furthermore, the contribution of so far unknown components of pH homeostasis in E. coli was concluded. The formation of acetate as a byproduct of threonine production had no impact on the internal pH, whereas externally added acetate induced a decrease of the internal pH. CO2 caused a comparable breakdown of the pH gradient in wildtype as well as in the production strain. Based on the experimental results a model is proposed for the CO2 and acetate dependent decrease of the internal pH. Furthermore, process optimization and improvement of production strains can be suggested from this work.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Nettekoven, Jeannine Astridjeannine.nettekoven@gmx.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-26875
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Escherichia coli , pH-Stress , ThreoninproduktionGerman
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Biochemie
    Language: German
    Date: 2009
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 03 February 2009
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 05 May 2009 11:50:12
    Referee
    NameAcademic Title
    Krämer, ReinhardProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2687

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