Otimização da produção de ácido 3-hidroxipropiônico por Escherichia coli via engenharia metabólica e de processos

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Batista, Raquel Salgado
Orientador(a): Silva, Adilson José da lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17184
Resumo: The integration of substrates from bioprocesses is of great interest due to the need of destination for them and the possibility of converting them into value-added products. Among these substrates, the hydrolysates from biorefineries and glycerol obtained from the production of biofuels stand out. Listed as an important chemical platform that can be obtained from biomass by the U.S. Department of Energy, 3-hydroxypropionic acid (3-HP) becomes a product option to be obtained from the co-products mentioned above. The production of 3-HP by biological routes presents some advantages over chemical routes and has become increasingly feasible due to the continuous advancement in industrial biotechnology. To make this production feasible, bioprocesses have been developed from recombinant microorganisms. Thus, the application of genetic engineering in the modification of genes related to the metabolic pathway of these microorganisms allows the construction of strains capable of obtaining 3-HP from cheap substrates (e.g., glycerol, glucose, and xylose). A recombinant E. coli strain developed in our research group showed promising results through the β-alanine production route, but the insertion of the 3-HP production pathway in this strain resulted in a deficiency of cofactors, since the last reaction of the pathway is NADPH dependent. Therefore, the regeneration of this cofactor was evaluated by the expression of genes encoding the NADP+ dependent enzyme glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, so that the demand for this cofactor by the NADPH dependent pathways could be met. Overexpression of the gapN gene from Streptococcus equi zooepidemicus, which encodes an NADP+ dependent GAPDH, coupled with regulation of endogenous gapA transcription and the use of glycerol as a carbon source, resulted in 147% higher production compared to the control strain. The use of lactose as an induction agent for the lacUV5 promoter was also evaluated in this study and increased the final 3-HP concentration by about 7% compared to the production obtained by the same strain using 1mM IPTG as an induction agent. Furthermore, conditions with O2 restriction in the process showed that, for the pathway studied, 3-HP production is favored under aerobic condition, and oxygen restriction limits production and leads to acetate accumulation by the cell. Taken together, the strategies evaluated led to the second highest production of 3-HP by the β-alanine pathway reported so far in the literature.
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Listed as an important chemical platform that can be obtained from biomass by the U.S. Department of Energy, 3-hydroxypropionic acid (3-HP) becomes a product option to be obtained from the co-products mentioned above. The production of 3-HP by biological routes presents some advantages over chemical routes and has become increasingly feasible due to the continuous advancement in industrial biotechnology. To make this production feasible, bioprocesses have been developed from recombinant microorganisms. Thus, the application of genetic engineering in the modification of genes related to the metabolic pathway of these microorganisms allows the construction of strains capable of obtaining 3-HP from cheap substrates (e.g., glycerol, glucose, and xylose). A recombinant E. coli strain developed in our research group showed promising results through the β-alanine production route, but the insertion of the 3-HP production pathway in this strain resulted in a deficiency of cofactors, since the last reaction of the pathway is NADPH dependent. Therefore, the regeneration of this cofactor was evaluated by the expression of genes encoding the NADP+ dependent enzyme glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, so that the demand for this cofactor by the NADPH dependent pathways could be met. Overexpression of the gapN gene from Streptococcus equi zooepidemicus, which encodes an NADP+ dependent GAPDH, coupled with regulation of endogenous gapA transcription and the use of glycerol as a carbon source, resulted in 147% higher production compared to the control strain. The use of lactose as an induction agent for the lacUV5 promoter was also evaluated in this study and increased the final 3-HP concentration by about 7% compared to the production obtained by the same strain using 1mM IPTG as an induction agent. Furthermore, conditions with O2 restriction in the process showed that, for the pathway studied, 3-HP production is favored under aerobic condition, and oxygen restriction limits production and leads to acetate accumulation by the cell. Taken together, the strategies evaluated led to the second highest production of 3-HP by the β-alanine pathway reported so far in the literature.O aproveitamento de subprodutos de bioprocessos é de grande interesse devido a necessidade de destinação final para os mesmos e a possibilidade de convertê-los em produtos de valor agregado. Dentre esses substratos, destacam-se os hidrolisados de material lignocelulósico e o glicerol obtido a partir da produção de biocombustíveis. Listado como uma importante plataforma química que pode ser obtida a partir da biomassa pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, o ácido 3-hidroxipropiônico (3-HP) se torna uma opção de produto a ser obtido a partir dos coprodutos citados anteriormente. A produção do 3-HP por rotas biológicas apresenta algumas vantagens sobre as rotas químicas, e tem se tornado cada vez mais viável devido ao contínuo avanço na biotecnologia industrial. Com o objetivo de viabilizar esta produção, tem-se desenvolvido bioprocessos a partir de microrganismos recombinantes. Assim, a aplicação da engenharia genética na modificação de genes relacionados à via metabólica desses microrganismos permite a construção de linhagens capazes de obter o 3-HP a partir de substratos baratos (p.e. glicerol, glicose e xilose). Uma linhagem recombinante de E. coli desenvolvida no nosso grupo de pesquisa apresentou resultados promissores por meio da rota de produção a partir da β-alanina, mas a inserção da via de produção do 3-HP nessa linhagem resultou numa deficiência de cofatores, já que a última reação da via é dependente de NADPH. Diante disso, a regeneração desse cofator foi avaliada a partir da expressão de genes que codificam a enzima gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase NADP+ dependente, de modo que a demanda desse cofator pelas vias dependentes dele fosse suprida. A superexpressão do gene gapN de Streptococcus equi zooepidemicus que codifica uma gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase (GAPDH) dependente de NADP+ , aliada à regulação da transcrição do gapA endógeno e o uso do glicerol como fonte de carbono, resultou em uma produção 147% maior em relação à produção da linhagem controle. O uso da lactose como agente de indução do promotor lacUV5 também foi avaliado nesse estudo e aumentou cerca de 7% a concentração final de 3-HP em relação à produção obtida pela mesma linhagem utilizando IPTG 1mM como agente indutor. Além disso, condições com restrição de O2 no processo mostraram que, para a via estudada, a produção do 3-HP é favorecida em processo aeróbio e restrições de oxigênio limitam a produção e acarretam o acúmulo de acetato pela célula. Em conjunto, as estratégias avaliadas até o momento levaram à obtenção da segunda maior produção de 3-HP pela via da β-alanina, reportada até o momento na literatura.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)CNPq 132651/2020-3Processos FAPESP 2016/10.636-8Processos FAPESP 2019/07902-6porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessÁcido 3-hidroxipropiônicoβ-alaninaGlicerolLactoseFábrica celularGPDH3-Hydroxypropionic acidβ-alanineGlycerolCell factoryENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAOtimização da produção de ácido 3-hidroxipropiônico por Escherichia coli via engenharia metabólica e de processosOptimization of 3-hydroxypropionic acid production by Escherichia coli using metabolic and process engineeringinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDissertação Raquel - 2022 _ rev AJS (1).pdfDissertação Raquel - 2022 _ rev AJS (1).pdfDissertaçãoapplication/pdf3152623https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17184/4/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20Raquel%20-%202022%20_%20rev%20AJS%20%281%29.pdf4c0a61940e03c802a4569d77cfa32128MD54Carta Comprovante _ versao final dissertacao _ Raquel.pdfCarta Comprovante _ versao final dissertacao _ Raquel.pdfCarta comprovanteapplication/pdf67531https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17184/6/Carta%20Comprovante%20_%20versao%20final%20dissertacao%20_%20Raquel.pdfd9ac816fa1c0c6c7cbf57c5b39b5bc50MD56CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17184/7/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD57TEXTDissertação Raquel - 2022 _ rev AJS (1).pdf.txtDissertação Raquel - 2022 _ rev AJS (1).pdf.txtExtracted texttext/plain171519https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17184/8/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20Raquel%20-%202022%20_%20rev%20AJS%20%281%29.pdf.txtbd5b0d77f71ee42671dd2b2ef76602beMD58Carta Comprovante _ versao final dissertacao _ Raquel.pdf.txtCarta Comprovante _ versao final dissertacao _ Raquel.pdf.txtExtracted texttext/plain1253https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17184/10/Carta%20Comprovante%20_%20versao%20final%20dissertacao%20_%20Raquel.pdf.txt95e8dedbdcc5d7fd1db20f158dda136eMD510THUMBNAILDissertação Raquel - 2022 _ rev AJS (1).pdf.jpgDissertação Raquel - 2022 _ rev AJS (1).pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg5991https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17184/9/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20Raquel%20-%202022%20_%20rev%20AJS%20%281%29.pdf.jpg4a0ec79dca1c664d9f2fe6a5b079c499MD59Carta Comprovante _ versao final dissertacao _ Raquel.pdf.jpgCarta Comprovante _ versao final dissertacao _ Raquel.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg11898https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17184/11/Carta%20Comprovante%20_%20versao%20final%20dissertacao%20_%20Raquel.pdf.jpgdca0bcb34e81295a1323c6e1f8b734fcMD511ufscar/171842023-01-10 03:20:40.78oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/17184Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-05-25T13:05:07.002081Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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