Untersuchungen zum Einfluss von pH-Variation und erhöhter CO2 Konzentration auf Stoffwechsel und Aminosäureproduktion mit Corynebacterium glutamicum

Follmann, Martin (2008). Untersuchungen zum Einfluss von pH-Variation und erhöhter CO2 Konzentration auf Stoffwechsel und Aminosäureproduktion mit Corynebacterium glutamicum. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Das grampositive Bodenbakterium Corynebacterium glutamicum wird in großem Umfang zur biotechnologischen Produktion von L-Lysin eingesetzt. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen einer Variation des pH-Wertes sowie von erhöhter CO2 Konzentration - zwei während der industriellen L-Lysinproduktion häufig auftretende Stressfaktoren - analysiert. Es wurde gezeigt, dass C. glutamicum bei externen pH-Werten zwischen pH 6,0 und 9,5 einen relativ stabilen cytoplasmatischen pH-Wert und bei pH-Werten zwischen pH 4,5 und 10 ein relativ konstantes elektrochemisches Protonenpotential aufrechterhält. Die höchsten Wachstumsraten wurden im Bereich der effektiven pH-Homöostase zwischen pH 6,0 und 9,5 mit einem Optimum bei pH 8,0 bis 8,5 beobachtet. Erhöhte CO2 Konzentrationen hatten bei neutralem pH keinen Einfluss, weder auf das Wachstum, noch auf bioenergetische Parameter oder die Lysinbildung. Bei erniedrigtem pH führte eine Erhöhung der CO2 Konzentration zu einer massiven Beeinträchtigung des Zellwachstums und der Lysinbildung. Dabei wurde gezeigt, dass eine Erhöhung der CO2 Konzentration direkt eine Absenkung des cytoplasmatischen pH-Wertes nach sich zieht und die Mechanismen der pH-Homöostase bei gleichzeitig erniedrigtem pH und erhöhter CO2 Konzentration überfordert sind. Es wurden zwei putative Mrp Na+/H+ Antiporter identifiziert, welche bei erhöhten Na+ Konzentrationen essentiel sind und deren Aktivität vermutlich zudem für die pH-Homöostase bei gleichzeitig vorliegendem alkalischem pH und erhöhter Na+ Konzentration wichtig ist. Des Weiteren wurde gezeigt, dass bei erniedrigtem externen pH die Anwesenheit von K+ zur Aufrechterhaltung eines neutralen cytoplasmatischen pH-Wertes sowie zum Wachstum notwendig ist. Dabei sind sowohl der interne Kaliumgehalt als auch der Vorgang des Kaliumtransportes, welcher über den putativen Kaliumkanal CglK erfolgt, ausschlaggebend. Es wurde ein direkter Zusammenhang zwischen der Einstellung des internen pH-Wertes und der Einstellung des Membranpotentials beobachtet und als Modell für die K+ abhängige pH-Homöostase vorgeschlagen, dass eine durch K+ vermittelte Absenkung des Membranpotentials zu einer Stimulierung von Protonen exportierenden Komponenten und damit zur Anhebung des cytoplasmatischen pH-Wertes führt.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
The impact of variations in pH and increased CO2 concentrations on metabolism and amino acid production with Corynebacterium glutamicum	English

Translated abstract:

Abstract

Language

The Gram-positive soil bacterium Corynebacterium glutamicum is widely used for the biotechnological production of L-Lysine. In this work the physiological consequences of variations in pH and increased CO2 concentrations - two common stress factors cells are exposed to during industrial fermentation processes - were analyzed. It was shown that C. glutamicum is able to maintain relatively constant values for the cytoplasmic pH at external pH values ranging from pH 6.0 to 9.5 as well as relatively constant values for the electrochemical proton potential at external pH values ranging from pH 4.5 to 10. The highest growth rates were observed in the range of effective pH homeostasis with an optimum at pH 8.0 to 8.5. Increased CO2 concentrations did not influence cell growth, bioenergetic parameters or the lysine formation at neutral pH. At acidic pH increased CO2 concentrations led to severe inhibition of growth and lysine production. It was shown that CO2 lowers the internal pH by exceeding the capacity for pH homeostasis upon simultaneous presence of acidic pH and increased CO2 concentrations. In addition this work revealed the significance of two Mrp-type antiporters especially at combined high pH and high Na+ concentrations. At acidic pH values the pH homeostasis and the ability for growth were found to depend on the presence of K+. Both the internal K+ content and the K+ transport mediated via the putative K+ channel CglK are essential for the maintenance of the internal pH at a neutral value. A direct correlation between the membrane potential and the cytoplasmic pH was observed. It was suggested that a depolarization of the membrane potential caused by K+ stimulates the activity of proton exporting components, leading to an increase in the internal pH.

English

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