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Verbesserung der Riboflavin-Biosynthese mit Bacillus subtilis durch Verwendung des Regulators RibR

Kurzfassung

Angesichts der stetig steigenden Nachfrage nach Vitamin B2 sind effiziente Verfahren zur Riboflavin-Produktion von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Forschungsergebnisse aus der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. Mack vom Institut für Technische Mikrobiologie der Hochschule Mannheim eröffnen neue Möglichkeiten für die Optimierung der Herstellungsverfahren von Riboflavin aus Bacillus-subtilis-basierten Produktionsstämmen. In Laborversuchen konnte eine Steigerung der Riboflavin-Ausbeute um 15 % erreicht werden.

Hintergrund

Aufgrund unausgewogener Ernährung muss das lebensnotwendige Vitamin B2 (Riboflavin) Nahrungsmitteln und Tierfutter zugesetzt werden. Von der industriellen Riboflavin-Produktion werden über 80 % als Additive im Tierfutter verwendet, der Rest wird in hochreiner Form in Lebensmittel- und Pharmaindustrie verarbeitet. Angesichts der stetig steigenden Nachfrage sind effiziente Verfahren zur Riboflavin-Produktion von großer wirtschaftlicher Bedeutung.

Problemstellung

In den letzten Jahrzehnten haben einstufige mikrobielle Verfahren zur Riboflavin-Biosynthese die mehrstufigen chemischen Verfahren vom Markt verdrängt. Diese Entwicklung geht v. a. auf stetige Stammverbesserungen und die damit einhergehende Erhöhung der Ausbeute zurück.
Obwohl mit heutigen Produktionsstämmen die wirtschaftliche Erzeugung von Riboflavin möglich ist, wird die theoretische Kohlenstoffsubstrat-Ausbeute der Biosynthese bei Weitem nicht erreicht. Die Bereitstellung des Kohlenstoffsubstrats stellt aber einen ernst zu nehmenden Kostenfaktor bei der Riboflavin-Biosynthese dar.

Lösung

Die Forschungsergebnisse von Prof. Dr. Mack vom Institut für Technische Mikrobiologie der Hochschule Mannheim eröffnen nun neue Möglichkeiten bzgl. der Optimierung der Herstellungsverfahren sowie in Bezug auf Stammverbesserungen von Bacillus-subtilis-basierten Produktionsstämmen.
Prof. Dr. Mack gelang der Nachweis, dass die verstärkte intrazelluläre Bildung des regulatorisch wirksamen Proteins RibR zu einer erhöhten Expression der Riboflavin-Biosynthesegene und des Riboflavin-Transportergens führt. Die verstärkte Bildung von RibR kann einfach und kostengünstig erreicht werden und zieht eine Steigerung der Riboflavin-Produktion nach sich.
Die Steigerung der Produktivität wird dadurch ausgelöst, dass RibR die Funktion zweier FMN-RNA-Schalter beeinflusst, die bei hoher Riboflavin-Konzentration die Riboflavinderivate FMN bzw. FMNH2 binden. Die Bindung von FMN bzw. FMNH2 schaltet die FMN-RNA-Schalter aus, wodurch die Expressionsrate der Riboflavin-Synthesegene und -Transportergene reduziert wird. Die negative Regulation durch FMN bzw. FMNH2 wird durch Bindung von RibR unterdrückt, die FMN-RNA-Schalter bleiben dauerhaft aktiv. Auf diese Weise kann die Riboflavin-Produktion in der Zelle auch bei hohen Riboflavinkonzentrationen stattfinden.
Prof. Dr. Mack konnte in Laborversuchen unter Anwendung des Verfahrens eine Steigerung der Riboflavin-Ausbeute um 15 % erreichen.

Lichtmikroskopische Aufnahme von rekombinanten Bacillus subtilis Zellen
Rekombinante Bacillus subtilis Zellen (dunkelgraue Stäbchen) überproduzieren den Regulator RibR und produzieren das Vitamin Riboflavin (gelbe Nadeln). (Lichtmikroskopische Aufnahme, 1000-fach)

Vorteile

  • 15-prozentige Erhöhung der Produktionsausbeute bei der Riboflavin-Biosynthese mit Bacillus subtilis
  • Einfache und kostengünstige Implementierung in bestehende Verfahren
  • Stabiler Einbau in bestehende Produktionsstämme innerhalb kurzer Zeit

Anwendungsbereiche

  • Herstellung von Riboflavin
  • Stammverbesserungen von Bacillus-subtilis-basierten Produktionsstämmen
Exposé
Kontakt
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Entwicklungsstand
Funktionsnachweis / TRL3
Patentsituation
DE 102015007865 B3 erteilt
Referenznummer
14/115TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.