Universität zu Köln

Çebi, Zehra (2017). Efficient microscale screening of various Haematococcus pluvialis strains for growth and astaxanthin production. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Das Ketocarotenoid Astaxanthin wird in der Natur von einigen Algen, Pflanzen, Pilzen und Bakterien synthetisiert. Hierbei besitzt die Grünalge Haematococcus pluvialis mit bis zu 4% des Trockengewichtes die höchste Kapazität Astaxanthin zu akkumulieren. Kommerziell wird natürliches Astaxanthin aus H. pluvialis als pharmazeutisch-funktionelles Lebensmittel für den Menschen und hauptsächlich als Färbemittel in der Aquakultur verwendet. Aufgrund hoher Produktionskosten von natürlichem Astaxanthin aus H. pluvialis wird der kommerzielle Astaxanthinmarkt von dem synthetischen Analogon dominiert. Da jedoch die Nachfrage für natürliches Astaxanthin stetig steigt, laufen die Bestrebungen zur Verbesserung von Massenkultursystemen für H. pluvialis, insbesondere auf technischer Ebene, auf Hochtouren, um die Produktionskosten zu senken und damit die Konkurrenzfähigkeit von natürlichem Astaxanthin auf dem Carotenoidmarkt zu erhöhen. Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der Verbesserung der H. pluvialis Produktivität auf biologischer Ebene, nämlich durch Selektion und genetische Manipulation eines effizienten H. pluvialis Stammes. Hierfür wurden 26 Stämme mit geographisch unterschiedlicher Herkunft im Mikromaßstab analysiert. Schnell wachsende Stämme wurden entweder verschiedenen Stressfaktoren ausgesetzt, um die Astaxanthinproduktion zu induzieren, oder durch EMS Mutagenese manipuliert, um sowohl das Wachstum als auch die Astaxanthinproduktion zu verbessern. Zudem wurden phylogenetische Analysen durchgeführt. Die Versuchsansätze im Mikromaßstab konnten sowohl für das Selektieren effizient wachsender Stämme als auch für das Selektieren von Stressfaktoren für eine effiziente Astaxanthinproduktion erfolgreich eingesetzt werden. Hierbei wurden fünf effizient wachsende Stämme mit einem maximalen AUCexp / AUCtotal Verhältnis von 100% identifiziert: H. pluvialis CCAC Stämme 0055, 2072, 3305, 3319 und SAG 34-1n. Zusätzlich wurde gezeigt, dass eine Kombination aus Phosphatmangel und Salzstress (0.8% NaCl) die Astaxanthinproduktion effizient steigern kann: eine finale Astaxanthinkonzentration von 51 µg mL-1 auf absoluter Ebene und 204 pg Zelle-1 auf zellulärer Ebene konnten erzielt werden. Grundsätzlich konnte die finale Astaxanthinkonzentration bei einer Salzkonzentration von 0.3% und 0.5% deutlich gesteigert werden. Ob eine weitere Steigerung der Astaxanthinproduktion zwischen einer Salzkonzentration von 0.3% bis 0.5% möglich ist, müsste in zukunftigen Analysen untersucht werden. Im Versuchsansatz zur Optimierung eines H. pluvialis Stammes durch EMS Mutagenese konnten keine Mutanten generiert werden, die in ihrem Wachstum oder in ihrer Astaxanthinproduktion im positive Sinne übermäßig verändert waren. Zukünftig könnten physikalische und chemische Mutagenesen kombiniert werden, um den Erfolg zu steigern. Die phylogenetischen Analysen ergaben, dass H. pluvialis eine monophyletische Gruppe ist und dass die physiologischen Differenzen möglicherweise auf verschiedene Ökotypen zurück zu führen sind. Insgesamt erwies sich das Screenen von H. pluvialis Stämmen für effizientes Wachstum und effiziente Astaxanthinproduktion im Mikromaßstab als attraktive, zeit- und platzsparende Alternative zu den üblicherweise eingesetzten Methoden.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language The ketocarotenoid astaxanthin is naturally synthesized by some algae, plants, fungi and bacteria. However, the freshwater chlorophyte Haematococcus pluvialis exhibits the highest capacity to accumulate astaxanthin in nature with up to 4% of the dry weight. Natural astaxanthin from H. pluvialis is commercially applied as nutraceuticals for human health and predominantly, as a colouring agent for aquaculture. Due to high production costs for natural astaxanthin from H. pluvialis, the commercial astaxanthin market is currently dominated by the synthetic analogue. Since the demand for natural astaxanthin is steadily increasing, attempts for improving H. pluvialis mass culture systems are ongoing, especially on technical level in order to assure lower production costs and thus, to elevate the competitiveness of natural astaxanthin on the carotenoid market. This PhD project focuses on improving H. pluvialis productivity on a biological level by selection and genetic manipulation of an efficient H. pluvialis strain. For this, 26 strains from geographically diverse regions were screened on a microscale level. Best growing strains were either subjected to different stress factors for astaxanthin production or manipulated by EMS mutagenesis for improving both, growth and astaxanthin production. Furthermore, phylogenetic analyses were performed. Using the microscale approach for efficient growth, five strains were successfully detected with a maximal AUCexp / AUCtotal ratio of 100%: H. pluvialis CCAC strains 0055, 2072, 3305, 3319 and SAG 34-1n. Additionally, the microscale approach successfully facilitated the detection of stress conditions for efficient astaxanthin production in H. pluvialis CCAC 3305: the combination of phosphorus-deficiency and salt stress (0.3% NaCl) yielded in a final astaxanthin concentration of 51 µg mL-1 in total and 204 pg cell-1 on a cellular level. In general, final concentration of total astaxanthin in full and nutrient deficient medium was increased when combined with 0.3 and 0.5%. Future analyses of salt concentrations ranging from 0.3 to 0.5% might reveal even more efficient kinetics of astaxanthin production. Furthermore, the strain improvement approach via EMS mutagenesis did not generate any hyper-growing or hyper-astaxanthin accumulating mutants suggesting coupling of physical and chemical mutagens for future molecular breeding approaches. Finally, phylogenetic analyses revealed that H. pluvialis is a monophyletic group comprising physiological differences possibly caused by different ecotypes. Overall, microscale screening of H. pluvialis strains for efficient growth and astaxanthin production constitutes an attractive, time- and space-saving alternative to other generally applied methods. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Çebi, Zehra zehra_cebi@gmx.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-76420
Date:	2017
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Haematococcus pluvialis; astaxanthin; microscale screening; growth kinetics; temperature optima; genome size; DNA sequencing; phylogenetic analyses; rbcL; ITS 2; EMS mutagenesis English
Date of oral exam:	23 January 2017
Referee:	Name Academic Title Melkonian, Michael Prof. Dr. Becker, Burkhard Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7642