Systems biology of bacterial methylotrophy for biotechnological products from methanol

Mikroorganismer anvendes innenfor Industriell bioteknologi for bærekraftig produksjon av medisiner, biomaterialer, mat og helsekostprodukter. Råmaterialene er hovedsakelig sukker og melasse som utvinnes fra planter som krever dyrkbar mark og er dermed kommer industrien i uheldig konkurranse med matproduksjon. Metanol kan produseres fra naturgass og fra CO2 og anses som et alternativt og potensielt attraktivt råmateriale for industriell bioteknologi. Metylotrofer er spesialiserte bakterier som kan bruke metanol som råmateriale, og disse bakteriene har dermed potensiale innenfor industriell bioteknologi for å lage nyttige produkter fra nettopp metanol. MetAPP har utført en systembiologisk forskning på to ulike metylotrofe bakterier; Methylobacterium extorquens og Bacillus methanolicus, til utvikling av genmodifiserte bakterier for bærekraftig omsetning av metanol til verdifulle kjemikalier. Hovedfokus hos SINTEF har vært forskning på bakterien B. methanolicus, inkludert etablering av dyrkingsprosesser under oppskalerte og industrielt relevante betingelser, samt design og konstruksjon av genmodifiserte mutanter som produserer betydelige mengder av to industrielt viktige forbindelser; kadaverin som anvendes som komponent i bioplast og GABA som har flere ulike anvendelser både innen medisin og biomaterialer. I alt 10 hittil ustuderte naturlige isolater av B. metanolicus er genomsekvensert og den samlede informasjonen har gitt oss helt ny genetisk viten omkring metylotrofi som igjen brukes for bedre design av genmodifiserte mutanter. MetAPP forskningen har dessuten bidratt til en betydelig utvidelse av den genetiske verktøykassen, inkludert alternative plasmider og nye regulerbare promotorer, og følgelig ha stor betydelighet for videre bioteknologiske anvendelser av denne bakterien innenfor industriell bioteknologi. Det ble lagt ned en betydelig innsats for å etablere et funksjonelt CRISPR/Cas system i B. methanolicus for å kunne målrettet og effektivt redigere i hele arvematerialet. Dette har ennå ikke lyktes, men verdifull kompetanse og erfaring tas videre i nytt ERA-prosjekt som MetAPP partnere har fått på plass i prosjektperioden. Når dette lykkes vil det ytterligere åpne potensialet for metylotrofe bakterier som betydelige arbeidshester innenfor industriell bioteknologi. I sum har MetAPP bidratt til vesentlig utvikling av systembiologisk kunnskap og metoder, samt utvikling av metylotrofe mutanter som effektivt produserer to industrielt viktige forbindelser, GABA og kadaverin, fra metanol.

A systems-level understanding of microorganisms is a prerequisite for their rational engineering and efficient use as microbial cell factories in biotechnology. There is a high societal need for a sustainable production of key chemistry, food and health care compounds. Methanol is abundant and regarded as alternative highly attractive non-feed raw material in microbial fermentation. Methylotrophy, the ability of microorganisms to use methanol as their sole source of carbon and energy for growth, bears the potential to build value from methanol through production of special, fine, bulk, and fuel chemicals. The US makes strong efforts towards utilizing shale gas: here we provide and European alternative. Nature evolved different solutions to harness methanol for the purpose of energy generation and biomass formation. These are reflected best by the two facultative methylotrophic model bacteria Methylobacterium extorquens and Bacillus methanolicus. M. extorquens is a mesophilic Gram-negative that shows flexible carbon source utilization of several one-carbon compounds and possess the serine cycle and ethylmalonyl-CoA pathway for carbon assimilation. It is intensely pigmented due to production of carotenoids. B. methanolicus is a thermophilic Gram-positive which possesses the ribulose monophosphate cycle as key pathway and is the first example of plasmid-dependent methylotrophy. B. methanolicus is a natural overproducer of amino acids, a trait that will be further exploited in this project. Our vision is the first application of systems biology to bacterial methylotrophy in order to gain systems-level understanding of evolutionary alternatives of a key metabolic trait. The project MetApp encompasses genome-scale modelling, quantitative multi-Omics and high-throughput genetic analysis, tests of orthogonality, data management, and model refinement and abstraction to deduce and experimentally evaluate strategies for methanol-based production of sought-after chemicals.