ERA-NET: Replacing food-competing feedstocks with Methanol, CO2 and Methylamine for a Sustainable Bioeconomy

I løpet av rapporteringsperioden har vi formelt inkludert tidligere NTNU-postdoc Marta Irla og hennes nye arbeidsgiver Universitetet i Aarhus i Danmark som en assosiert partner i MCM4SB-konsortiet; dette ble gjort i samråd med ERACoBioTech og de respektive MCM4SB-prosjektpartnerne. Marta var engasjert i NCM4SB som NTNU postdoc ved prosjektets oppstart, og har vært aktivt involvert i prosjektet etter flyttingen til Danmark i 2022; hennes bidraget er svært verdifullt for den vitenskapelige fremdriften til prosjektet. Vårt forskningsfokus ved NTNU i denne rapporteringsperioden har vært ytterligere optimalisering og stammeutvikling, testing og analyse med bruk av den metylotrofe modellbakterien Bacillus methanolicus. Vi har publisert en viktig publikasjon om overproduksjon av riboflavin fra metanol (Klein et al 2023) som har vært en sentral aktivitet i prosjektet fra NTNU side. Vi bruker nå også vår etablerte Bacillus methanolicus genom skala modell (GSM) for videre design av metabolic engineering strategier inkludert for overproduksjon av det kommersielle produktet L-malate. B. methanolicus GSM brukes også som grunnlag for en teknoøkonomisk analyse for å forutsi økonomisk gjennomførbarhet, flaskehalser og driftsmål for prosessforbedring. Vi har konstruert rekombinante B. methanolicus-stammer som overuttrykker gener som koder for to nøkkel- enzymer for assimilering av CO2, nemlig PEP-karboksylase og pyruvat karboksylase, hentet fra ulike organismer. Vi har etablert mutantstammer som overproduserer forløpermolekylet oksaloacetate (OAA) gjennom biokjemiske reaksjoner som øker CO2-assimilering i bakterien. Genene som koder for citrate syntase og aspartate aminotransferase har nedregulert ved å bruke vår nylig etablerte CRISPR-teknologi i B. methanolicus; denne nedreguleringen forårsaket høyere nivåer av forløper-molekylet OAA. Blant de testede B. methanolicus stammene ble de mest lovende resultatene oppnådd med en stamme som overuttrykker PEP-karboksylase genet, og logisk ble denne stammen derfor valgt for ytterligere forbedring av produksjonsegenskapene. Vi har også gjort store fremskritt med genetic engineering av Bacillus methanolicus for overproduksjon av 3-hydroksypropionsyre fra metanol og resultatene av dette ble presentert som et minisymposium på Bacell-konferansen i Kobe Japan i november 2023. En publikasjon er under skriving. I god tilknytning til dette prosjektet har vi fortsatt vår forskning på grunnleggende kunnskap om bakteriell metylotrofi, og et manuskript med tittelen “Identification and characterization of a novel formaldehyde dehydrogenase in Bacillus subtilis” ble submitted for publisering i desember 2023. Vi har i prosjektperioden arrangert to fysiske prosjektmøter, ett i Ljubljana (arrangert av industripartneren Acies Bio) og ett i Aarhus (arrangert av den nye assosierte partneren Marta Irla, Aarhus Universitet); flere felles publikasjoner ble diskutert og er nå i pipelinen.

-

The MCM4SB project aims to replace sugar-based feedstocks for bioprocesses with one carbon (C1) compounds, namely methanol (CH3OH), carbon dioxide (CO2) and methylamine (CH3NH2) in order to establish a novel, sustainable production within a low-fossil-fuel bio-economy. We will combine utilization of methanol with CO2 and/or methylamine for production of the bulk chemical L-malate and the specialty chemical N-methyl-L-glutamate, by using two different methylotrophic organisms Bacillus methanolicus and Methylobacterium extorquens. The application of two diverse hosts has a double impact on the establishment of novel biotechnological processes – on the metabolic engineering level, different genetic targets will be selected based on the flux balance analysis and on the technological level, different cultivation conditions such as medium components and temperature. B. methanolicus utilizes ribulose monophosphate cycle to assimilate methanol and is not able to use methylamine as carbon source while M. extorquens utilizes methylamine via the N-methyl-L glutamate pathway. This project combines systems and synthetic biology approaches. Specifically, target identification for strain development will be guided by the genome-scale metabolic models, which will be iteratively fine-tuned based on experimental test results, and the newly developed strains will be characterized on the transcriptome level in order to detect the bottlenecks in the metabolism, which will subsequently be relieved to steer the next round of strain development. The techno-economic assessment will help to steer the bioprocess design by assessing the economic feasibility, bottlenecks, and operation targets for process improvement and identify possible trade-offs during early stages of design and development. Responsible Research and Innovation will be a cross-cutting and integrated research activity in MCM4SB with a focus on sustainable bioeconomy based on renewable feedstocks.