Hövels, Marcel: Optimierung der mikrobiellen Produktion von präbiotischen Zuckerderivaten auf Levan-Basis. - Bonn, 2021. - Dissertation, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn.
Online-Ausgabe in bonndoc: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5-61899
@phdthesis{handle:20.500.11811/9048,
urn: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5-61899,
author = {{Marcel Hövels}},
title = {Optimierung der mikrobiellen Produktion von präbiotischen Zuckerderivaten auf Levan-Basis},
school = {Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn},
year = 2021,
month = apr,

note = {Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Entwicklung und Optimierung einer mikrobiellen Produktionsstrategie zur Synthese ß-2,6-glykosidisch verknüpfter Fruktane. Levan (ß-2,6-glykosidisch verknüpftes Fruktan) und Inulin (ß-2,1-glykosidisch verknüpftes Fruktan), sowie die entsprechenden kurzkettigen Fruktooligosaccharide (L-FOS und I-FOS) können aufgrund ihrer präbiotischen Eigenschaften zur Modulation der humanen Darm-Mikrobiota eingesetzt werden. Aufgrund der gesundheitsfördernden Effekte, die durch Präbiotika vermittelt werden, besteht großes Interesse effiziente Produktionsstrategien für präbiotische Substanzen zu entwickeln und Alternativen für den Inulin-dominierten Fruktan-Markt zu schaffen. Die Synthese von polymerem Levan und kurzkettigen L-FOS wird enzymatisch durch Levansucrasen katalysiert, die durch zahlreiche Vertreter der bakteriellen Domäne und vereinzelt durch Pflanzen produziert werden. Ein initiales Screening nach Levan-Produzenten innerhalb der bakteriellen Gattung Gluconobacter konnte Gluconobacter (G.) japonicus LMG 1417 als geeignete Plattform für die Produktion des präbiotischen Fruktan-Polymers Levan aufklären. Wie proteinbiochemische Untersuchungen aufdeckten, produziert das Essigsäurebakterium eine umsatzstarke Levansucrase (LevS1417), die Saccharose mit einer spezifischen Aktivität von 2826 ± 102,5 U mg-1 in Fruktane des Levan-Typs umsetzte. Aufbauend auf den Kulturüberständen von G. japonicus LMG 1417 und eines auf G. japonicus basierenden Überexpressionsstamms konnte eine zellfreie Levanproduktion etabliert werden, die Levan-Ausbeuten von 157,9 ± 7,6 g L-1 (Wildtyp) beziehungsweise 148,5 ± 12,9 g L-1 (Überexpressionsstamm) ermöglichte. Um die im Rahmen der Levan-Produktion entstehende Reaktionslösung, die aufgrund des Fruktan-Polymers eine hohe Viskosität aufweist, für industrielle Aufreinigungsverfahren zugänglich zu machen, erfolgte ein Screening nach Levan-hydrolysierenden Enzymen. Das Resultat dieses Screenings war die Identifikation der neuartigen Endolevanase LevB2286 aus Azotobacter chroococcum DSM 2286, die polymeres Levan rapide in kurzkettige FOS umsetzt. Diese FOS können aufgrund ihres moderaten Molekulargewichts durch skalierbare Aufreinigungsverfahren wie Nanofiltration oder Chromatographie aus entsprechenden Prozesslösungen aufgereinigt werden. Die Enzymcharakterisierung von LevB2286 deckte auf, dass die erstmals untersuchte Endolevanase eine äußerst hohe spezifische Aktivität (6685 ± 224 U mg-1) und einzigartige hydrolytische Eigenschaften aufweist. Durch die simultane, Plasmid-vermittelte Produktion der Levansucrase (LevS1417) und Endolevanase (LevB2286) in Escherichia (E.) coli, wurde ein bi-enzymatisches System entwickelt, mit dem in einem einzigen Reaktionsansatz Saccharose in kurzkettige L-FOS umgesetzt werden konnten. Unter Verwendung der entsprechenden (E.) coli-Mutante in Form von Rohzellextrakt, wurde in einem hochskalierten 500 mL-Ansatz ausgehend von Saccharose eine L-FOS Ausbeute von 310,5 ± 11,6 g L-1 erzielt. Das entwickelte bi-enzymatische System könnte die Basis für eine industrielle Großproduktion von Levan-basierten FOS und langfristig Alternativen für den Fruktan-Markt schaffen.},
url = {http://hdl.handle.net/20.500.11811/9048}
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