Das grampositive Bakterium Clostridium acetobutylicum ist in der Lage, Lösungsmittel wie Butanol, einen Biokraftstoff der nächsten Generation, zu produzieren. Zur Nutzung von lignozellulosehaltiger Biomasse für die Biobutanolproduktion wird diese oft mit Natriumhydroxid vorbehandelt, um für die Fermentation verwertbare Zucker zu erhalten. Daher enthält das resultierende Hydrolysat gewöhnlich hohe Natriumkonzentrationen, die die Butanolproduktion hemmen und die Verwendung dieser kostengünstigen und nachwachsenden Rohstoffe einschränken.
Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Salzstressantwort von C. acetobutylicum und die Aufdeckung von Schutzsubstanzen und Schlüsselgenen zur Steigerung der Lösungsmittelbildung in salzhaltigem Medium. Für C. acetobutylicum zeigten Fütterungsexperimente eine positive Wirkung der Aminosäure Arginin auf das Wachstum unter Salzstress. Mittels metabolic engineering konnte anschließend die Arginin-Biosynthese von C. acetobutylicum durch Inaktivierung des entsprechenden Repressors erfolgreich verstärkt und so die Butanolproduktion unter Salzstress, aber auch in salzfreiem Medium, signifikant gesteigert werden. Transkriptomanalysen verdeutlichten dabei die Verknüpfung der Aminosäure-Biosynthesen, sowie den Zusammenhang verschiedener Stressantworten bei C. acetobutylicum und bieten Ansatzpunkte für die weitere Optimierung der Biobutanol-Fermentation.
The Gram-positive bacterium Clostridium acetobutylicum is well known for its ability to produce solvents like butanol, a next-generation biofuel. Lignocellulosic biomass used in biobutanol production is often pre-treated with sodium hydroxide to break up complex carbohydrates into sugars usable for fermentation. In consequence, the resulting hydrolysate usually contains high sodium concentrations inhibiting butanol production and thus limiting the use of these low-cost feedstocks.
The aim of this work was to analyse the salt stress response of C. acetobutylicum and to identify protective substances and key genes to increase solvent formation in salt-containing medium. For C. acetobutylicum , feeding experiments showed a positive effect of the amino acid arginine on growth under salt stress. By means of metabolic engineering, the arginine biosynthesis of C. acetobutylicum was successfully enhanced by inactivating the corresponding repressor, thus significantly increasing butanol production both under salt stress and in salt-free medium. Transcriptome analyses revealed the link between amino acid biosyntheses as well as the connection between different stress responses in C. acetobutylicum and offer starting points for the further optimization of biobutanol fermentation.