DE102013205986A1 - Microorganism strain and process for fermentative production of C4 compounds from C5 sugars - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Produktionsstamm zur fermentativen Herstellung von C4-Produkten der in der Lage ist als C-Quelle bei der Fermentation aus Lignozellulose-haltiger Biomasse und der daraus isolierbaren Hemicellulose gewonnene Zucker zu verwerten, herstellbar aus einem Ausgangsstamm, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstamm ein natürlicherweise zur 2,3-Butandiolproduktion befähigter Wildtypstamm ist und der Produktionsstamm gleichzeitig eine im Vergleich zum Ausgangsstamm verstärkte Expression eines Gens kodierend für eine Transketolase (EC 2.2.1.1) und eines Gens kodierend für eine Transaldolase (EC 2.2.1.2) aufweist.The invention relates to a production strain for the fermentative production of C4 products which, as a C source during fermentation, is able to utilize biomass containing lignocellulose and the sugar obtained from it, hemicellulose, which can be produced from a starting strain, characterized in that the starting strain is a wild type strain which is naturally capable of producing 2,3-butanediol and the production strain at the same time has an increased expression of a gene coding for a transketolase (EC 2.2.1.1) and a gene coding for a transaldolase (EC 2.2.1.2) compared to the starting strain.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikroorganismenstamm und ein Verfahren zur fermentativen Herstellung von C4-Verbindungen aus C5-Zuckern (Pentosen).The invention relates to a microorganism strain and a process for the fermentative production of C4 compounds from C5 sugars (pentoses).

Bedingt durch steigende Rohölpreise steigen auch die Herstellungskosten der daraus petrochemisch gewonnenen Grundstoffe für die chemische Industrie. Daraus resultiert ein wachsendes Interesse an alternativen Produktionsverfahren für chemische Grundstoffe, speziell auf Basis nachwachsender Rohstoffe.Due to rising crude oil prices, the production costs of the resulting petrochemical raw materials for the chemical industry are also increasing. This results in a growing interest in alternative production processes for chemical raw materials, especially based on renewable raw materials.

Beispiele für chemische Grundstoffe (sog. chemische Synthesebausteine oder auch Plattformchemikalien genannt) aus nachwachsenden Rohstoffen sind Ethanol (C2-Baustein), Glycerin, 1,3-Propandiol, 1,2-Propandiol, Milchsäure, 3-Hydroxypropionsäure (C3-Bausteine) oder Bernsteinsäure, 1-Butanol, 2-Butanol, 1,4-Butandiol, Acetoin, Diacetyl oder auch 2,3-Butandiol (C4-Bausteine). Diese chemischen Bausteine sind die biogenen Ausgangsverbindungen, aus denen dann auf chemischem Wege weitere Grundchemikalien hergestellt werden können. Voraussetzung dafür ist die kostengünstige fermentative Herstellung der jeweiligen Synthesebausteine aus nachwachsenden Rohstoffen. Entscheidende Kostenfaktoren sind einerseits die Verfügbarkeit geeigneter billiger nachwachsender Rohstoffe sowie andererseits effiziente mikrobielle Fermentationsverfahren, welche diese Rohstoffe effizient in den gewünschten chemischen Grundstoff umwandeln. Für die Wirtschaftlichkeit dieser fermentativen Verfahren ist dabei entscheidend, dass die eingesetzten Mikroorganismen die billigsten verfügbaren Rohstoffe effizient in das gewünschte Produkt umsetzen können.Examples of chemical raw materials (so-called chemical synthesis building blocks or platform chemicals called) from renewable resources are ethanol (C2-block), glycerol, 1,3-propanediol, 1,2-propanediol, lactic acid, 3-hydroxypropionic acid (C3 building blocks) or Succinic acid, 1-butanol, 2-butanol, 1,4-butanediol, acetoin, diacetyl or 2,3-butanediol (C4 building blocks). These chemical building blocks are the biogenic starting compounds from which further basic chemicals can be produced chemically. The prerequisite for this is the cost-effective fermentative production of the respective synthesis building blocks from renewable raw materials. Decisive cost factors include the availability of suitable cheaper renewable raw materials as well as efficient microbial fermentation processes, which efficiently convert these raw materials into the desired chemical raw material. It is crucial for the economy of these fermentative processes that the microorganisms used can efficiently convert the cheapest available raw materials into the desired product.

Ein auf fermentativem Weg zugänglicher C4-Baustein (C4-Plattformchemikalie) ist 2,3-Butandiol. Der Stand der Technik zur fermentativen 2,3-Butandiol Herstellung ist zusammengefasst in Celinska und Grajek (Biotechnol. Advances (2009) 27: 715–725 und in Ji et al., Biotechnol. Adv. (2011) 29: 351–364) .A C4 building block accessible by fermentation (C4 platform chemical) is 2,3-butanediol. The state of the art for fermentative 2,3-butanediol production is summarized in Celinska and Grajek (Biotechnol. Advances (2009) 27: 715-725 and in Ji et al., Biotechnol. Adv. (2011) 29: 351-364) ,

Aus dem mikrobiellen 2,3-Butandiol Biosyntheseweg (siehe Gleichungen (I) bis (III)) sind neben 2,3-Butandiol noch weitere Verbindungen mit vier C-Atomen fermentativ zugänglich, nämlich Acetoin und davon durch Oxidation abgeleitet auch Diacetyl. 2,3-Butandiol, Acetoin und Diacetyl werden daher im Folgenden zusammenfassend auch als C4-Produkte bezeichnet.From the microbial 2,3-butanediol biosynthetic pathway (see equations (I) to (III)), in addition to 2,3-butanediol, further compounds having four carbon atoms are fermentatively available, namely acetoin and, derived therefrom by oxidation, also diacetyl. 2,3-butanediol, acetoin and diacetyl are therefore collectively also referred to as C4 products.

2,3-Butandiol ist mögliches Ausgangsprodukt für Produkte der Petrochemie mit vier C-Atomen (C4-Bausteine) wie Acetoin, Diacetyl, 1,3-Butadien, 2-Butanon (Methyl-Ethylketon, MEK). Außerdem sind Produkte mit zwei C-Atomen (C2-Bausteine) wie Essigsäure ( US 2012288908 AA ) und davon abgeleitet, Acetaldehyd, Ethanol und auch Ethylen zugänglich. Durch Dimerisierung von 2,3-Butandiol sind auch C8-Verbindungen denkbar, die Verwendung z. B. als Treibstoff im Luftfahrtbereich haben.2,3-butanediol is a possible starting material for petrochemical products with four carbon atoms (C4 building blocks) such as acetoin, diacetyl, 1,3-butadiene, 2-butanone (methyl ethyl ketone, MEK). In addition, products with two carbon atoms (C2 building blocks) such as acetic acid ( US 2012288908 AA ) and derived therefrom, acetaldehyde, ethanol and also ethylene accessible. By dimerization of 2,3-butanediol and C8 compounds are conceivable, the use z. B. as a fuel in the aviation sector.

Der von verschiedenen Mikroorganismen beschrittene biosynthetische Weg zu 2,3-Butandiol ist bekannt (siehe Reviews von Celinska und Grajek, Biotechnol. Advances (2009) 27: 715–725 und Ji et al., Biotechnol. Adv. (2011) 29: 351–364 ) und führt vom zentralen Stoffwechselprodukt Pyruvat über die drei folgenden enzymatischen Schritte zum 2,3-Butandiol: Reaktion der Acetolactatsynthase: Bildung von Acetolactat aus zwei Molekülen Pyruvat unter Abspaltung von CO2.

Figure DE102013205986A1_0002
Reaktion der Acetolactatdecarboxylase: Decarboxylierung von Acetolactat zu Acetoin.
Figure DE102013205986A1_0003
Reaktion der Acetoinreduktase (2,3-Butandioldehydrogenase): NADH-abhängige Reduktion von Acetoin zu 2,3-Butandiol.
Figure DE102013205986A1_0004
The biosynthetic pathway to 2,3-butanediol followed by various microorganisms is known (see Reviews by Celinska and Grajek, Biotechnol. Advances (2009) 27: 715-725 and Ji et al., Biotechnol. Adv. (2011) 29: 351-364 ) and leads from the central metabolite pyruvate via the following three enzymatic steps to 2,3-butanediol: Reaction of Acetolactatsynthase: Formation of acetolactate from two molecules of pyruvate with elimination of CO 2 .
Figure DE102013205986A1_0002
Reaction of Acetolactate Decarboxylase: Decarboxylation of Acetolactate to Acetoin.
Figure DE102013205986A1_0003
Acetoin reductase reaction (2,3-butanediol dehydrogenase): NADH-dependent reduction of acetoin to 2,3-butanediol.
Figure DE102013205986A1_0004

Der Stand der Technik offenbart Verfahren zur Herstellung von 2,3-Butandiol, die hauptsächlich auf der Verwendung von Glucose als Fermentationsrohstoff (C-Quelle) beruhen (siehe z. B. WO 12104234 A1 ). Um 2,3-Butandiol und auch andere C4- und C2-Plattformchemikalien wie Acetoin, Ethanol und Essigsäure wirtschaftlich, d. h. konkurrenzfähig zur Produktion aus petrochemischen Rohstoffen, herstellen zu können, ist Glucose nicht der bevorzugte Fermentationsrohstoff. Glucose ist eines der Basisprodukte in der Nahrungsmittelindustrie (vor allem hergestellt aus Stärke, Zuckerrohr oder Zuckerrübe) und wird mittlerweile auch verstärkt zur Bioethanol Herstellung eingesetzt. Bei der dadurch hervorgerufenen steigenden Nachfrage ist mit einer stetigen Verteuerung des Rohstoffs Glucose zu rechnen. Da der Fermentationsrohstoff einer der kostenbestimmenden Faktoren bei der Herstellung biogener Plattformchemikalien ist, wird verstärkt nach Alternativen gesucht. Da großtechnische, auf Glucose als Fermentationsrohstoff beruhende Fermentationsverfahren eine unerwünschte Konkurrenz zu dessen Verwendung als Nahrungsmittel darstellen, gibt es auch gewichtige sozialpolitisch motivierte Gründe für die Suche nach alternativen Fermentationsrohstoffen.The prior art discloses processes for the preparation of 2,3-butanediol based mainly on the use of glucose as a fermentation raw material (C source) (see e.g. WO 12104234 A1 ). In order to produce 2,3-butanediol and also other C4 and C2 platform chemicals such as acetoin, ethanol and acetic acid economically, ie competitive for production from petrochemical raw materials, glucose is not the preferred fermentation raw material. Glucose is one of the basic products in the food industry (mainly made of starch, sugar cane or sugar beet) and is now increasingly used for bioethanol production. The resulting increase in demand is expected to lead to a steady increase in the price of glucose. As the fermentation raw material is one of the cost-determining factors in the production of biogenic platform chemicals, more and more alternatives are being sought. Since large-scale fermentation processes based on glucose as a fermentation raw material represent an unwanted competition to its use as a foodstuff, there are also important socio-politically motivated reasons for the search for alternative fermentation raw materials.

Unter den alternativen Fermentationsrohstoffen fällt lignozellulosehaltiger Biomasse eine zentrale Bedeutung zu. Sie fällt in der Land- oder Forstwirtschaft als Stroh, Bagasse oder als Abfall der Holzverarbeitung in großen Mengen ohne entsprechende Verwertungsmöglichkeiten an. Entsprechend gibt es große Anstrengungen, wertsteigernde Verwendungsmöglichkeiten für Bestandteile der Lignozellulose zu finden.Among the alternative fermentation raw materials lignocellulosic biomass is of central importance. In agriculture or forestry, it occurs as straw, bagasse or as a waste of wood processing in large quantities without corresponding exploitation possibilities. Accordingly, there is a great effort to find value-increasing uses for components of lignocellulose.

Lignozellulosehaltige Biomasse besteht aus den drei Hauptkomponenten Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Schwerpunkt bei der Verwertung von Lignozellulose ist die Gewinnung von Glucose aus Cellulose, v. a. zur fermentativen Gewinnung von Bioethanol. Die Gewinnung von Glucose aus Cellulose ist ein vergleichsweise aufwendiger und teurer Prozess, der gegenwärtig mit der konventionellen Herstellung aus Nahrungsmittelpflanzen nicht konkurrieren kann.Lignocellulosic biomass consists of the three main components cellulose, hemicellulose and lignin. The focus in the utilization of lignocellulose is the recovery of glucose from cellulose, v. a. for the fermentative production of bioethanol. The recovery of glucose from cellulose is a relatively expensive and expensive process that currently can not compete with conventional production from food plants.

Hemicellulose ist nach der Cellulose das am häufigsten in der Natur vorkommende Polysaccharid ( Saha, J. Ind. Microbiol. Biotechnol. (2003) 30: 279–291 ) und daher als Quelle zur Gewinnung von Zucker für die Fermentation von großem Interesse.Hemicellulose is, after cellulose, the most abundant naturally occurring polysaccharide ( Saha, J. Ind. Microbiol. Biotechnol. (2003) 30: 279-291 ) and therefore as a source for obtaining sugar for the fermentation of great interest.

Vergleichsweise einfach zugänglich sind die in der Hemicellulose enthaltenen Zucker, darunter vor allem die am häufigsten vorkommende Xylose und auch Arabinose. Verschiedene Verfahren der Extraktion von Zuckern aus Hemicellulose sind dem Fachmann bekannt, darunter solche, die auf hydrothermal, thermisch bei saurem pH oder enzymatisch mit Xylanasen durchgeführter Hydrolyse der Hemicellulose beruhen ( Saha, J. Ind. Microbiol. Biotechnol. (2003) 30: 279–291 ).The sugars contained in hemicellulose are comparatively easy to access, especially the most abundant xylose and also arabinose. Various methods of extracting sugars from hemicellulose are known in the art, including those based on hydrolysis of the hemicellulose hydrothermally, thermally at acidic pH or enzymatically with xylanases ( Saha, J. Ind. Microbiol. Biotechnol. (2003) 30: 279-291 ).

Xylose (vor allem D-Xylose, CAS Nummer 58-86-6) als Hauptbestandteil der Hemicellulose ist eines der am häufigsten in der Natur vorkommenden Kohlenhydrate. Xylose ist an sich ein Abfallstoff, der nur begrenzt Verwendung in der Nahrungsmittelindustrie findet (z. B. zur Herstellung des Süßstoffes Xylitol, Saha, J. Ind. Microbiol. Biotecanol. (2003) 30: 279–291 ) und wegen fehlender Verstoffwechslung der Xylose durch die industriell eingesetzten Fermentationshefen auch nicht zur Herstellung von Bioethanol im großtechnischen Maßstab geeignet ist.Xylose (mainly D-xylose, CAS number 58-86-6), the major constituent of hemicellulose, is one of the most abundant naturally occurring carbohydrates. Xylose is in itself a waste which finds only limited use in the food industry (eg Preparation of the sweetener Xylitol, Saha, J. Ind. Microbiol. Biotecanol. (2003) 30: 279-291 ) and because of lack of metabolism of xylose by the industrially used fermentation yeasts not suitable for the production of bioethanol on a large scale.

Diese Faktoren, billiger und in großen Mengen verfügbarer Rohstoff, vergleichsweise einfache Isolierung und geringe Nachfrage nach alternativer Verwertung machen Xylose zu einem attraktiven Fermentationsrohstoff bei der Herstellung biogener Plattformchemikalien, besonders bei der fermentativen Herstellung der C4-Produkte 2,3-Butandiol oder Acetoin und hier insbesondere bei der Verwendung des fermentativ hergestellten 2,3-Butandiols oder Acetoins zur Gewinnung von Essigsäure durch Gasphasenoxidation.These factors, cheap and abundant raw material, comparatively simple isolation and low demand for alternative utilization make xylose an attractive fermentation raw material in the production of biogenic platform chemicals, especially in the fermentative production of the C4 products 2,3-butanediol or acetoin and here in particular when using the fermentatively produced 2,3-butanediol or acetoin to obtain acetic acid by gas phase oxidation.

Verschiedene natürliche Produzenten von 2,3-Butandiol sind bekannt, z. B. aus den Gattungen Klebsiella, Raoultella, Enterobacter, Aerobacter, Aeromonas, Serratia, Bacillus, Paenibacillus, Lactobacillus, Lactococcus etc. Aber auch Hefen sind als Produzenten bekannt (z. B. Bäckerhefe).Various natural producers of 2,3-butanediol are known, for. B. from the genera Klebsiella, Raoultella, Enterobacter, Aerobacter, Aeromonas, Serratia, Bacillus, Paenibacillus, Lactobacillus, Lactococcus etc. But also yeasts are known as producers (eg bakers yeast).

Die meisten bakteriellen Produzenten sind Mikroorganismen der biologischen Sicherheitsstufe S2, können also großtechnisch nicht ohne aufwendige und kostenintensive technische Sicherheitsmaßnahmen eingesetzt werden (dazu und zu weiteren mikrobiellen 2,3-Butandiolproduzenten siehe Review von Celinska und Grajek, Biotechnol. Advances (2009) 27: 715–725 ). Dies würde ebenso für bisher nicht beschriebene gentechnisch optimierte Produktionsstämme basierend auf diesen Stämmen gelten. Most bacterial producers are microorganisms of biological safety level S2, so can not be used on a large scale without expensive and costly technical safety measures (see also and to other microbial 2,3-butanediol producers see Review by Celinska and Grajek, Biotechnol. Advances (2009) 27: 715-725 ). This would also apply to hitherto undescribed genetically optimized production strains based on these strains.

Eine gängige Definition für den Begriff „biologische Sicherheitsstufe” und die Einteilung in verschiedene Sicherheitsstufen findet sich z. B. in „Biosafety in Microbiological and Biomedical Laboratories”, S. 9 ff. (Tabelle 1), Centers for Disease Control and Prevention (U.S.) (Editor), Public Health Service (U.S.) (Editor), National Institutes of Health (Editor), Herausgeber: U.S. Dept. of Health and Human Services; 5, 5th edition, Revised December 2009 edition (March 15, 2010); ISBN-10: 0160850428 .A common definition for the term "biological security level" and the division into different security levels can be found z. In "Biosafety in Microbiological and Biomedical Laboratories", p. 9 et seq. (Table 1), Centers for Disease Control and Prevention (US) (Editor), Public Health Service (US) (Editor), National Institutes of Health (Editor), Publisher: US Dept. of Health and Human Services; 5, 5th edition, Revised December 2009 edition (March 15, 2010); ISBN 10: 0160850428 ,

Für eine kosteneffiziente großtechnische Produktion von C4-Produkten, insbesondere 2,3-Butandiol, sind Produktionsstämme der biologischen Sicherheitsstufe S1 bevorzugt. Für diese wurden jedoch bisher keine ausreichend hohen Produktausbeuten beschrieben. Bekannte 2,3-Butandiol Produktionsstämme aus der biologischen Sicherheitsstufe S1 sind Stämme der Art Raoultella terrigena oder Stämme der Gattung Bacillus (bzw. Paenibacillus) wie Paenibacillus polymyxa oder Bacillus licheniformis. In der Fachliteratur ( Drancourt et al., Int. J. Syst. Evol. Microbiol. (2001), 51: 925–932 ) wurden verschiedene, ursprünglich der Gattung Klebsiella zugeordnete Bakterienspezies genetisch analysiert. Aufgrund der gefundenen Heterogenität (siehe in Drancourt et al., Int. J. Syst. Evol. Microbiol. (2001), 51: 925–932 ) wurden Stämme der ursprünglich Klebsiella terrigena benannten Art taxonomisch neu eingeordnet und innerhalb der neu geschaffenen Gattung Raoultella in die Art Raoultella terrigena umbenannt. Bakterienstämme der Arten Klebsiella terrigena und Raoultella terrigena bezeichnen somit Stämme der gleichen Art, sind aber verschieden von anderen Stämmen der Gattung Klebsiella.For cost-effective large-scale production of C4 products, in particular 2,3-butanediol, production strains of biological safety level S1 are preferred. For these, however, no sufficiently high product yields have been described so far. Known 2,3-butanediol production strains from the biological safety level S1 are strains of the species Raoultella terrigena or strains of the genus Bacillus (or Paenibacillus) such as Paenibacillus polymyxa or Bacillus licheniformis. In the literature ( Drancourt et al., Int. J. Syst. Evol. Microbiol. (2001), 51: 925-932 ) various bacterial species originally belonging to the genus Klebsiella were genetically analyzed. Due to the heterogeneity found (see in Drancourt et al., Int. J. Syst. Evol. Microbiol. (2001), 51: 925-932 ) tribes of the originally Klebsiella terrigena named species were taxonomically rearranged and renamed within the newly created genus Raoultella in the species Raoultella terrigena. Bacterial strains of the species Klebsiella terrigena and Raoultella terrigena thus designate strains of the same species, but are different from other strains of the genus Klebsiella.

Nur für wenige der bekannten 2,3-Butandiol produzierenden Stämme ist eine fermentative Herstellung aus Xylose beschrieben. Für Klebsiella pneumoniae, einem Mikroorganismus der biologischen Sicherheitsstufe S2, wurde die fermentative Herstellung der C4-Produkte 2,3-Butandiol und Acetoin aus den C-Quellen Xylose und Glucose verglichen ( Yu and Saddler, Appl. Environ. Microbiol. (1983) 46: 630–635 ). Die dabei erzielten C4-Ausbeuten betrugen 88 g/l für Xylose als C-Quelle und 112 g/l für Glucose als C-Quelle. Dabei war die Fermentationsdauer zur Erlangung der maximalen C4-Ausbeute mit 6–8 Tagen ungewöhnlich lange, entsprechend einer vor allem für Xylose vergleichsweise niedrigen Raum-Zeitausbeute der C4-Produkte 2,3-Butandiol und Acetoin von ca. 0,6 gl–1h–1 (siehe 3 und 4 in Yu and Saddler, Appl. Environ. Microbiol. (1983) 46: 630–635 ). Mit Xylose wurden also einerseits deutlich niedrigere 2,3-Butandiolausbeuten erzielt als mit Glucose als Fermentationsrohstoff und darüber hinaus war die für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wichtige Raum-Zeitausbeute niedrig.Only a few of the known 2,3-butanediol-producing strains a fermentative production of xylose is described. For Klebsiella pneumoniae, a microorganism of biological safety level S2, the fermentative production of the C4 products 2,3-butanediol and acetoin from the C sources xylose and glucose was compared ( Yu and Saddler, Appl. Environ. Microbiol. (1983) 46: 630-635 ). The C4 yields obtained were 88 g / l for xylose as the C source and 112 g / l for glucose as the C source. The fermentation time to obtain the maximum C4 yield was 6-8 days unusually long, corresponding to a particularly for xylose comparatively low space-time yield of C4 products 2,3-butanediol and acetoin of about 0.6 gl -1 h -1 (see 3 and 4 in Yu and Saddler, Appl. Environ. Microbiol. (1983) 46: 630-635 ). Thus, on the one hand, significantly lower 2,3-butanediol yields were achieved with xylose than with glucose as the fermentation raw material, and, moreover, the space-time yield, which is important for the economy of the process, was low.

Aufgrund der Stöchiometrie der biochemischen Stoffwechselwege, Glykolyse im Falle von Glucose, Pentosephosphatweg im Falle von Xylose, beträgt die maximal erzielbare Ausbeute jeweils 0,5 g 2,3-Butandiol je g Glucose, bzw. Xylose ( Jansen et al., Biotechnol. Bioeng. (1984) 26: 362–369 ). Offensichtlich führt die Verstoffwechslung von Xylose über den Pentosephosphatweg nicht so effizient zu den C4-Produkten Acetoin und 2,3-Butandiol als die Verstoffwechslung von Glucose über die Glykolyse.Due to the stoichiometry of the biochemical pathways, glycolysis in the case of glucose, pentose phosphate pathway in the case of xylose, the maximum achievable yield in each case 0.5 g of 2,3-butanediol per g of glucose, or xylose ( Jansen et al., Biotechnol. Bioeng. (1984) 26: 362-369 ). Obviously, the metabolism of xylose via the pentose phosphate pathway does not lead as efficiently to the C4 products acetoin and 2,3-butanediol as the metabolism of glucose via glycolysis.

US 7998722 offenbart rekombinante Stämme der Gattungen Zymomonas und Zymobacter mit verbesserter Xylose Verwertung. Die verbesserte Xylose Verwertung wird primär erreicht durch Expression eines Gens codierend eine Xyloseisomerase. Durch zusätzliche Expression der Gene einer Xylulokinase, sowie der Gene für eine Transketolase und eine Transaldolase wird die Xylose Verwertung weiter verbessert. Die so optimierten Stämme können für die Produktion der C2-Verbindung Ethanol aus Xylose verwendet werden. Offenbart werden Genkonstrukte, die vor allem die Expression der Xyloseisomerase verbessern und dadurch zu einer verbesserten Xylose Verwertung führen. US 7998722 offenbart, dass in Stämmen der Gattungen Zymomomonas und Zymobacter mindestens vier Gene, darunter die Gene der Transketolase und Transaldolase, überexprimiert werden müssen, um die Xylose Verwertung zu verbessern und solche Stämme für die Ethanolproduktion zu verwenden, die Produktion von C4-Produkten wird nicht angesprochen. US 7998722 discloses recombinant strains of the genera Zymomonas and Zymobacter with improved xylose utilization. The improved xylose utilization is achieved primarily by expression of a gene encoding a xylose isomerase. By additional expression of the genes of a xylulokinase, as well as the genes for a transketolase and a transaldolase, the xylose utilization is further improved. The thus optimized strains can be used for the production of the C2 compound ethanol from xylose. Gene constructs are disclosed which, above all, improve the expression of xylose isomerase and thereby lead to improved xylose utilization. US 7998722 discloses that in strains of the genera Zymomomonas and Zymobacter, at least four genes, including the transketolase and transaldolase genes, must be overexpressed to enhance xylose utilization and use such strains for ethanol production, the production of C4 products is not addressed ,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Produktionsstamm zur fermentativen Herstellung von C4-Produkten zur Verfügung zu stellen, der in der Lage ist als C-Quelle bei der Fermentation aus Lignozellulose-haltiger Biomasse und der daraus isolierbaren Hemicellulose gewonnene Zucker zu verwerten.The object of the present invention is to provide a production strain for the fermentative production of C4 products, which is able to utilize as C source in the fermentation of lignocellulose-containing biomass and the sugar which can be isolated from hemicellulose.

Gelöst wurde die Aufgabe durch einen Produktionsstamm der aus einem Ausgangsstamm herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstamm ein natürlicherweise zur 2,3-Butandiolproduktion befähigter Wildtypstamm ist und der Produktionsstamm gleichzeitig eine im Vergleich zum Ausgangsstamm verstärkte Expression eines Gens kodierend für eine Transketolase (EC 2.2.1.1) und eines Gens kodierend für eine Transaldolase (EC 2.2.1.2) aufweist.The problem has been solved by a production strain which can be produced from an initial strain, characterized in that the parent strain naturally results in 2,3-butanediol production is capable of wild-type strain and the production strain at the same time an increased compared to the parent strain expression of a gene encoding a transketolase (EC 2.2.1.1) and a gene encoding a transaldolase (EC 2.2.1.2).

In der vorliegenden Erfindung wird unterschieden zwischen einem Ausgangsstamm und einem Produktionsstamm. Beim Ausgangsstamm handelt es sich um einen natürlicherweise zur 2,3-Butandiolproduktion befähigten Wildtypstamm. Solche Wildtypstämme sind z. B. offenbart in Celinska und Grajek, Biotechnol. Advances (2009) 27: 715–725 (siehe Kapitel 4, „Microorganisms”) .In the present invention, a distinction is made between a parent strain and a production strain. The parent strain is a wild-type strain naturally capable of 2,3-butanediol production. Such wild-type strains are z. B. disclosed in Celinska and Grajek, Biotechnol. Advances (2009) 27: 715-725 (see Chapter 4, "Microorganisms") ,

Unter einem Produktionsstamm im Sinne der vorliegenden Erfindung ist somit ein bezüglich der 2,3-Butandiolproduktion optimierter Ausgangsstamm zu verstehen, der durch eine im Vergleich zum Ausgangsstamm verstärkte Expression der für die Enzyme Transketolase und Transaldolase kodierenden Gene gekennzeichnet ist. Der Produktionsstamm wird vorzugsweise aus dem Ausgangsstamm hergestellt.For the purposes of the present invention, a production strain is thus to be understood as meaning an initial strain which is optimized with regard to 2,3-butanediol production and which is characterized by an expression of the genes coding for the enzymes transketolase and transaldolase in comparison to the starting strain. The production strain is preferably produced from the parent strain.

Bevorzugte Ausgangsstämme sind Mikroorganismenstämme ausgewählt aus der Gattung Raoultella, Klebsiella, Bacillus, Paenibacillus, Serratia oder Lactobacillus.Preferred starting strains are microorganism strains selected from the genera Raoultella, Klebsiella, Bacillus, Paenibacillus, Serratia or Lactobacillus.

Besonders bevorzugte Ausgangsstämme sind Mikroorganismenstämme ausgewählt aus der Gattung Raoultella oder Klebsiella, insbesondere bevorzugt Raoultella terrigena. Diese Stämme sind käuflich erhältlich z. B. bei der DSMZ Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GbmH (38124 Braunschweig, Inhoffenstraße 7B). Dies gilt auch für den in den Beispielen verwendeten Stamm Raoultella terrigena DSM 2687, welcher ein insbesondere bevorzugter Ausgangsstamm ist.Particularly preferred starting strains are microorganism strains selected from the genus Raoultella or Klebsiella, particularly preferably Raoultella terrigena. These strains are commercially available for. B. in the DSMZ German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GbmH (38124 Braunschweig, Inhoffenstraße 7B). This also applies to the strain Raoultella terrigena DSM 2687 used in the examples, which is a particularly preferred starting strain.

Bei den C4-Produkten handelt es sich vorzugsweise um 2,3-Butandiol, Acetoin oder Diacetyl, bevorzugt um 2,3-Butandiol oder Acetoin und besonders bevorzugt um 2,3-Butandiol.The C4 products are preferably 2,3-butanediol, acetoin or diacetyl, preferably 2,3-butanediol or acetoin and more preferably 2,3-butanediol.

Bei den aus Lignozellulose-haltiger Biomasse und der daraus isolierbaren Hemicellulose gewonnenen Zuckern handelt es sich bevorzugt um Pentosen (C5-Zucker) und insbesondere bevorzugt um Xylose.The sugars obtained from lignocellulose-containing biomass and the hemicellulose isolable therefrom are preferably pentoses (C5-sugars) and particularly preferably xylose.

Transketolase (EC 2.2.1.1) und Transaldolase (EC 2.2.1.2) sind beides Enzyme aus dem nicht-oxidativen Teil des Pentosephosphatwegs. Sie sind unter anderem beteiligt an der Verstoffwechslung von D-Xylose. D-Xylose wird zuerst durch die Enzyme Xyloseisomerase und Xylulokinase zu D-Xylulose-5-Phosphat umgewandelt. Von D-Xylulose-5-Phosphat ausgehend erfolgt dann die weitere Verstoffwechslung, an der neben den Enzymen Ribulose-5-Phosphat Epimerase und Ribose-5-Phosphat Isomerase auch Transketolase und Transaldolase beteiligt sind. Es laufen folgende, in den Gleichungen (IV) bis (VIII) geschilderte Reaktionen ab.Transketolase (EC 2.2.1.1) and transaldolase (EC 2.2.1.2) are both enzymes from the non-oxidative part of the pentose phosphate pathway. Among other things, they are involved in the metabolism of D-xylose. D-xylose is first converted to D-xylulose-5-phosphate by the enzymes xylose isomerase and xylulokinase. Starting from D-xylulose-5-phosphate then takes place the further metabolism in addition to the enzymes ribulose-5-phosphate epimerase and ribose-5-phosphate isomerase and transketolase and transaldolase are involved. The following reactions described in equations (IV) to (VIII) proceed.

Ribulose-5-Phosphat Epimerase:Ribulose-5-phosphate epimerase:

  • D-Xylulose-5-Phosphat → D-Ribulose-5-Phosphat (IV)D-xylulose-5-phosphate → D-ribulose-5-phosphate (IV)

Ribose-5-Phosphat Isomerase:Ribose 5-phosphate isomerase:

  • D-Ribulose-5-Phosphat → D-Ribose-5-Phosphat (V)D-ribulose-5-phosphate → D-ribose-5-phosphate (V)

Transketolase:transketolase:

  • D-Xylulose-5-Phosphat + D-Ribose-5-Phosphat → D-Seduheptulose-7-Phosphat + Glycerinaldehyd-3-Phosphat (VI)D-xylulose-5-phosphate + D-ribose-5-phosphate → D-sedudeptulose-7-phosphate + glyceraldehyde-3-phosphate (VI)

Transaldolase:transaldolase:

  • D-Seduheptulose-7-Phosphat + Glycerinaldehyd-3-Phosphat → Fructose-6-Phosphat + Erythrose-4-Phosphat (VII)D-Sedudeptulose-7-phosphate + glyceraldehyde-3-phosphate → fructose-6-phosphate + erythrose-4-phosphate (VII)

Transketolase:transketolase:

  • Erythrose-4-Phosphat + D-Xylulose-5-Phosphat → Fructose-6-Phosphat + Glycerinaldehyd-3-Phosphat (VIII)Erythrose-4-phosphate + D-xylulose-5-phosphate → fructose-6-phosphate + glyceraldehyde-3-phosphate (VIII)

In Summe entstehen bei der Transketolase und Transaldolase beinhaltenden Reaktionssequenz also aus drei Molekülen D-Xylose (C5-Zucker) zwei Moleküle Fructose-6-Phosphat (C6-Zucker) und ein Molekül Glyerinaldehyd-3-Phosphat (C3-Verbindung), beides Zwischenstufen der Glykolyse und somit dem zentralen Stoffwechsel verfügbar. In sum, in the transketolase and transaldolase-containing reaction sequence, three molecules of D-xylose (C5 sugar) are formed into two molecules of fructose-6-phosphate (C6 sugar) and one molecule of glyceraldehyde-3-phosphate (C3 compound), both intermediates Glycolysis and thus the central metabolism available.

Bei den gleichzeitig überexprimierten Genen der Transketolase (Tkt Gen) und Transaldolase (Tal Gen) handelt es sich um Gene, die für Enzyme der Enyzmklassen EC 2.2.1.1 (Transketolase) und EC 2.2.1.2 (Transaldolase) kodieren und entsprechend der Gleichungen (VI), (VII) und (VIII) an der Verstoffwechslung von D-Xylose zu Fructose-6-Phosphat und Glycerinaldehyd-3-Phosphat beteiligt sind. Dabei kann es sich bei den überexprimierten Genen der Transketolase und Transaldolase entweder um homologe oder heterologe Gene handeln. Bevorzugt handelt es sich um homologe Gene.The simultaneously overexpressed genes of transketolase (Tkt gene) and transaldolase (Tal gene) are genes which code for enzymes of the enzyme classes EC 2.2.1.1 (transketolase) and EC 2.2.1.2 (transaldolase) and according to the equations (VI ), (VII) and (VIII) are involved in the metabolism of D-xylose to fructose-6-phosphate and glyceraldehyde-3-phosphate. The overexpressed genes of transketolase and transaldolase may be either homologous or heterologous genes. Preferably, it is homologous genes.

Wie im 4. und 6. Beispiel offenbart, ist die alleinige Expression entweder einer Transketolase noch einer Transaldolase nicht ausreichend, um die Ausbeute an C4-Produkten zu erhöhen. Eine Verbesserung der Ausbeute an C4-Produkten wird erst durch gleichzeitige Überexpression einer Transketolase und Transaldolase erreicht.As disclosed in Examples 4 and 6, the sole expression of either a transketolase or a transaldolase is not sufficient to increase the yield of C4 products. An improvement in the yield of C4 products is only achieved by simultaneous overexpression of a transketolase and transaldolase.

In einer bevorzugten Ausführung stammen das Tkt Gen (Transketolase) und das Tal Gen (Transaldolase) aus einem Bakterium der Gattung Raoultella.In a preferred embodiment, the Tkt gene (transketolase) and the Tal gene (transaldolase) are derived from a bacterium of the genus Raoultella.

In einer besonders bevorzugten Ausführung stammen das Tkt Gen (Transketolase) und das Tal Gen (Transaldolase) aus einem Stamm der Art Raoultella terrigena.In a particularly preferred embodiment, the Tkt gene (transketolase) and the Tal gene (transaldolase) are derived from a strain of the species Raoultella terrigena.

Insbesondere bevorzugt sind das Tkt Gen (Transketolase) und das Tal Gen (Transaldolase) aus dem Stamm Raoultella terrigena DSM 2687. Das Tkt Gen hat die SEQ ID NO: 1 und kodiert für ein Transketolase Protein mit der Aminosäuresequenz SEQ ID NO: 2.Especially preferred are the Tkt gene (transketolase) and the Tal gene (transaldolase) from the strain Raoultella terrigena DSM 2687. The Tkt gene has the SEQ ID NO: 1 and encodes a transketolase protein having the amino acid sequence SEQ ID NO: 2.

Das Tal Gen hat die SEQ ID NO: 3 und kodiert für ein Transaldolase Protein mit der Aminosäuresequenz SEQ ID NO: 4.The gene has SEQ ID NO: 3 and encodes a transaldolase protein having the amino acid sequence SEQ ID NO: 4.

Die gleichzeitige Überexpression der Transketolase- und Transaldolasegene führt zu Produktionsstämmen mit erhöhten Enzymaktivitäten der Transketolase und Transaldolase, wie im 3. Beispiel beschrieben. Dabei sind Stämme bevorzugt, bei denen die gleichzeitige Überexpression der Transketolase- und Transaldolasegene die Enzymaktivität der Transketolase und Transaldolase jeweils um mindestens den Faktor 2, bevorzugt um mindestens den Faktor 5, besonders bevorzugt um mindestens den Faktor 10 und insbesondere bevorzugt um mindestens den Faktor 20 im Vergleich zur Enzymaktivität im Ausgangsstamm erhöht.The simultaneous overexpression of the transketolase and transaldolase genes leads to production strains with increased enzyme activities of transketolase and transaldolase, as described in Example 3. Strains are preferred in which the simultaneous overexpression of the transketolase and transaldolase genes, the enzyme activity of transketolase and transaldolase each by at least a factor of 2, preferably by at least the factor 5, more preferably by at least a factor of 10 and more preferably by at least the factor 20 increased compared to the enzyme activity in the parent strain.

Wie in den Beispielen der vorliegenden Anmeldung gezeigt (5. und 7. Beispiel), ist die gleichzeitige Überexpression der Gene einer Transketolase und einer Transaldolase im erfindungsgemäßen Produktionsstamm dazu geeignet, bei der Verwendung von Xylose als C-Quelle der Fermentation oder der Anzucht im Schüttelkolben die Ausbeute der C4-Produkte 2,3-Butandiol und Acetoin, und davon bevorzugt 2,3-Butandiol, um mehr als 20%, bevorzugt 40% und insbesondere bevorzugt um mehr als 60% im Vergleich zum Ausgangsstamm zu steigern. Gleichzeitig verringert sich in der Fermentation der Anteil des Nebenprodukts Acetat um mindestens 30%, bevorzugt um mindestens 60% und besonders bevorzugt um 80% im Vergleich zum Ausgangsstamm.As shown in the examples of the present application (5th and 7th examples), the simultaneous overexpression of the genes of a transketolase and a transaldolase in the production strain according to the invention is suitable when using xylose as C source of fermentation or culture in the shake flask the yield of C4 products 2,3-butanediol and acetoin, and preferably 2,3-butanediol, to increase more than 20%, preferably 40% and most preferably more than 60% compared to the starting strain. At the same time, the proportion of by-product acetate in the fermentation decreases by at least 30%, preferably by at least 60%, and more preferably by 80%, compared to the starting strain.

Die Erhöhung der Expression der Transketolase- und Transaldolasegene im Produktionsstamm kann dabei hervorgerufen sein durch eine beliebige Mutation im Genom des Ausgangsstammes (z. B. die Promotoraktivitäten steigernde Mutationen) oder durch gleichzeitige Überexpression homologer oder aber auch heterologer Transketolase- und Transaldolasegene im Ausgangsstamm.The increase in the expression of the transketolase and transaldolase genes in the production strain can be caused by any mutation in the genome of the parent strain (eg the promoter activity-enhancing mutations) or by simultaneous overexpression of homologous or even heterologous transketolase and transaldolase genes in the parent strain.

Bevorzugt ist die gleichzeitige Überexpression homologer oder heterologer Transketolase- und Transaldolasegene im Ausgangsstamm.Preferably, the simultaneous overexpression of homologous or heterologous transketolase and transaldolase genes in the parent strain.

Insbesondere bevorzugt ist die gleichzeitige Überexpression homologer Transketolase- und Transaldolasegene im Ausgangsstamm.Particularly preferred is the simultaneous overexpression of homologous transketolase and transaldolase genes in the parent strain.

Beim Ausgangsstamm handelt es sich um einen natürlicherweise zur 2,3-Butandiol Produktion befähigten Wildtypstamm (wie z. B. zusammengefasst in Celinska und Grajek, Biotechnol. Advances (2009) 27: 715–725, Kapitel 4, „Microorganisms” ), der darüberhinaus bereits anderweitig in Bezug auf die 2,3-Butandiol Produktion optimiert worden sein kann. Bei einem bereits z. B. durch einen gentechnischen Eingriff optimierten Wildtypstamm ist die Expression der Transketolase und der Transaldolase jedoch nicht von der Optimierung betroffen.The parent strain is a wild type strain naturally capable of 2,3-butanediol production (such as summarized in US Pat Celinska and Grajek, Biotechnol. Advances (2009) 27: 715-725, Chapter 4, "Microorganisms" ), which in addition already elsewhere with respect to the 2,3-butanediol Production may have been optimized. In an already z. B. optimized by a genetic engineering wild-type strain, however, the expression of transketolase and transaldolase is not affected by the optimization.

Die Erhöhung der Expression der Transketolase- und Transaldolasegene im Produktionsstamm kann dabei hervorgerufen sein durch eine beliebige Mutation im Genom des Ausgangsstammes (z. B. die Promotoraktivitäten steigernde Mutationen) oder durch gleichzeitige Überexpression homologer oder aber auch heterologer Transketolase- und Transaldolasegene im Ausgangsstamm.The increase in the expression of the transketolase and transaldolase genes in the production strain can be caused by any mutation in the genome of the parent strain (eg the promoter activity-enhancing mutations) or by simultaneous overexpression of homologous or even heterologous transketolase and transaldolase genes in the parent strain.

Der erfindungsgemäße Produktionsstamm wird vorzugsweise hergestellt durch Einbringen eines Genkonstrukts in einen der genannten Ausgangsstämme.The production strain of the invention is preferably prepared by introducing a gene construct into one of said parent strains.

Das Genkonstrukt besteht in seiner einfachsten Form aus den für eine Transketolase und eine Transaldolase kodierenden Strukturgenen, denen operativ verbunden, ein Promotor vorgeschaltet ist. Gegebenenfalls kann das Genkonstrukt auch einen Terminator umfassen, der dem Transketolase, bzw. Transaldolase Strukturgen nachgeschaltet ist. Bevorzugt ist ein starker Promotor, der zu einer starken Transkription führt. Unter den starken Promotoren bevorzugt ist der dem Fachmann aus der Molekularbiologie von E. coli geläufige „Tac-Promotor”.In its simplest form, the gene construct consists of the structural genes coding for a transketolase and a transaldolase, which are operatively linked and preceded by a promoter. Optionally, the gene construct may also comprise a terminator, which is connected downstream of the transketolase or transaldolase structural gene. Preferred is a strong promoter, which leads to a strong transcription. Preferred among the strong promoters is the "Tac promoter" familiar to the person skilled in the art from the molecular biology of E. coli.

Die Strukturgene der Transketolase und Transaldolase können in sog. Operonform auch zusammen in einem Genkonstrukt angeordnet sein (Konstrukt pTkt-Tal, siehe 6).The structural genes of transketolase and transaldolase can also be arranged together in a gene construct in a so-called operon form (construct pTkt-Tal, see 6 ).

Das Genkonstrukt kann in an sich bekannter Weise in Form eines autonom replizierenden Plasmids vorliegen, wobei die Kopienzahl des Plasmids variieren kann. Dem Fachmann ist eine Vielzahl von Plasmiden bekannt, die abhängig von ihrer genetischen Struktur in einem gegebenen Produktionsstamm in autonomer Form replizieren können.The gene construct can be present in a manner known per se in the form of an autonomously replicating plasmid, it being possible for the copy number of the plasmid to vary. A variety of plasmids are known to those skilled in the art, which can replicate autonomously depending on their genetic structure in a given production strain.

Das Genkonstrukt kann jedoch auch im Genom des Produktionsstammes integriert sein, wobei jeder Genort entlang des Genoms als Integrationsort geeignet ist.However, the gene construct can also be integrated in the genome of the production strain, with each gene location along the genome being suitable as integration site.

Das Genkonstrukt, wird in an sich bekannter Weise durch genetische Transformation in den Produktionsstamm eingebracht. Verschiedene Methoden der genetischen Transformation sind dem Fachmann bekannt ( Aune and Aachmann, Appl. Microbiol. Biotechnol. (2010) 85: 1301–1313 ), darunter beispielsweise die Elektroporation.The gene construct is introduced into the production strain in a manner known per se by genetic transformation. Various methods of genetic transformation are known in the art ( Aune and Aachmann, Appl. Microbiol. Biotechnol. (2010) 85: 1301-1313 ), including, for example, electroporation.

Zur Selektion transformierter Produktionsstämme enthält das Genkonstrukt, ebenfalls in bekannter Weise, einen Selektionsmarker zur Auswahl von Transformanten mit dem gewünschten Genkonstrukt. Bekannte Selektionsmarker sind ausgewählt aus Antibiotika-Resistenzmarkern oder aus den eine Auxotrophie komplementierenden Selektionsmarkern.For the selection of transformed production strains, the gene construct contains, likewise in a known manner, a selection marker for the selection of transformants with the desired gene construct. Known selection markers are selected from antibiotic resistance markers or from the auxotrophy complementing selection markers.

Bevorzugt sind Antibiotika-Resistenzmarker, besonders bevorzugt solche, die Resistenz gegen Antibiotika ausgewählt aus Ampicillin, Tetracyclin, Kanamycin, Chloramphenicol, Neomycin oder Zeocin verleihen.Preference is given to antibiotic resistance markers, more preferably those which confer resistance to antibiotics selected from ampicillin, tetracycline, kanamycin, chloramphenicol, neomycin or zeocin.

Insbesondere bevorzugt sind Antibiotika-Resistenzmarker, die Resistenz gegen die Antibiotika Ampicillin und Tetracyclin verleihen.Particularly preferred are antibiotic resistance markers conferring resistance to the antibiotics ampicillin and tetracycline.

In der vorliegenden Erfindung enthält der erfindungsgemäße Produktionsstamm gleichzeitig die Genkonstrukte einer Transketolase und einer Transaldolase, entweder als Einzelkonstrukte in einem Zweiplasmidsystem oder in einem Einplasmidsystem. Dabei können in einem Einplasmidsystem die Genkonstrukte der Transketolase und Transaldolase getrennt oder in Operonstruktur (siehe 1. Beispiel und 6, Plasmid pTkt-Tal) angeordnet sein. Bei getrennter Anordnung erfolgt die Transkription der beiden Gene jeweils von einem eigenen Promotor, bei einer Operonstruktur werden beide Gene zusammen von einem Promotor transkribiert.In the present invention, the production strain of the present invention simultaneously contains the gene constructs of a transketolase and a transaldolase, either as single constructs in a two-plasmid system or in a single-plasmid system. In a single-plasmid system, the transketolase and transaldolase gene constructs can be separated or in operon structure (see example 1 and 2) 6 , Plasmid pTkt valley). In a separate arrangement, the transcription of the two genes is carried out in each case by its own promoter, in an operon structure, both genes are transcribed together by a promoter.

Dem Fachmann ist geläufig, dass in einem Zweiplasmidsystem die Transketolase und Transaldolase Genkonstrukte unterschiedliche Selektionsmarker enthalten müssen, bevorzugt unterschiedliche Antibiotika-Resistenzmarker, um Stämme zu selektieren, die gleichzeitig die Transketolase und Transaldolase Genkonstrukte enthalten.It is well known to those skilled in the art that in a two-plasmid system the transketolase and transaldolase gene constructs must contain different selection markers, preferably different antibiotic resistance markers to select for strains which simultaneously contain the transketolase and transaldolase gene constructs.

Ein erfindungsgemäßer Produktionsstamm enthält somit in einer bevorzugten Ausführungsform gleichzeitig die Transketolase und Transaldolase Genkonstrukte, entweder als Einzelkonstrukte oder in Operonform. Diese Konstrukte liegen im Produktionsstamm entweder in Plasmidform vor oder in das Genom integriert und produzieren gleichzeitig ein Transketolase Enzym und ein Transaldolaseenzym, jeweils in rekombinanter Form. Bevorzugt ist die Plasmidform.Thus, in a preferred embodiment, a production strain according to the invention simultaneously contains the transketolase and transaldolase gene constructs, either as individual constructs or in Operonform. These constructs are either present in the production strain in plasmid form or integrated into the genome and simultaneously produce a transketolase enzyme and a transaldolase enzyme, each in recombinant form. The plasmid form is preferred.

Die rekombinanten Transketolase und Transaldolase Enzyme sind in der Lage, C-5 Zucker, bevorzugt Xylose, über den Pentosephosphatweg in C6- und C3-Verbindungen umzuwandeln und in den Glykolyse Stoffwechselweg einzuschleusen. Nun wurde überraschend gefunden, dass durch gleichzeitige rekombinante Expression der Transketolase- und Transaldolase Enzyme im Produktionsstamm die Ausbeute an C4-Produkten, insbesondere 2,3-Butandiol, gegenüber dem Ausgangsstamm in signifikanter Weise gesteigert werden kann.The recombinant transketolase and transaldolase enzymes are able to convert C-5 sugars, preferably xylose, into C6 and C3 compounds via the pentose phosphate pathway and to infect the glycolysis pathway. It has now surprisingly been found that by simultaneous recombinant expression of the transketolase and transaldolase enzymes in the production strain, the yield of C4 products, in particular 2,3-butanediol, compared to the parent strain can be significantly increased.

Die Erfindung betrifft ferner ein fermentatives Verfahren zur Herstellung von C4-Produkten aus C5-Zuckern.The invention further relates to a fermentative process for the production of C4 products from C5 sugars.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein erfindungsgemäßer Produktionsstamm in einem Anzuchtsmedium kultiviert, wird. Dabei werden einerseits Biomasse des Produktionsstammes und andererseits die C4-Produkte, darunter bevorzugt 2,3-Butandiol, gebildet. Die Bildung von Biomasse und der C4-Produkte kann dabei zeitlich korrelieren oder aber zeitlich voneinander entkoppelt erfolgen. Die Anzucht erfolgt in einer dem Fachmann geläufigen Weise. Dazu kann die Anzucht in Schüttelkolben (Labormaßstab) erfolgen oder aber auch durch Fermentation (Produktionsmaßstab).The method is characterized in that a production strain according to the invention is cultured in a growth medium. On the one hand, biomass of the production strain and, on the other hand, the C4 products, including preferably 2,3-butanediol, are formed. The formation of biomass and the C4 products can be correlated in time or decoupled from each other in terms of time. The cultivation takes place in a manner familiar to the person skilled in the art. This can be done in shake flasks (laboratory scale) or by fermentation (production scale).

Bevorzugt ist ein Verfahren im Produktionsmaßstab durch Fermentation, wobei als Produktionsmaßstab ein Fermentationsvolumen grösser 10 l besonders bevorzugt und ein Fermentationsvolumen grösser 300 l insbesondere bevorzugt ist.Preference is given to a process on a production scale by fermentation, with a fermentation volume greater than 10 l being particularly preferred as the production scale and a fermentation volume greater than 300 l being particularly preferred.

Anzuchtsmedien sind dem Fachmann aus der Praxis der mikrobiellen Kultivierung geläufig. Sie bestehen typischerweise aus einer Kohlenstoffquelle (C-Quelle), einer Stickstoffquelle (N-Quelle) sowie Zusätzen wie Vitaminen, Salzen und Spurenelementen, durch die das Zellwachstum und die C4-Produktbildung, darunter bevorzugt 2,3-Butandiol, optimiert werden.Cultivation media are familiar to those skilled in the practice of microbial cultivation. They typically consist of a carbon source (C source), a nitrogen source (N source) and additives such as vitamins, salts and trace elements, which optimize cell growth and C4 product formation, including preferably 2,3-butanediol.

Bevorzugte C-Quellen zur Anzucht der Produktionsstämme sind Pentosen wie z. B. Xylose, Arabinose, oder Ribose sowie Pentosen enthaltende pflanzliche Hydrolysate, die aus Lignozellulose-haltiger Biomasse wie z. B. Zuckerrohrbagasse, Getreidestroh oder Abfällen der Mais- oder Holzverarbeitung, bzw. der darin enthaltenen Hemicellulose gewonnen werden können. Dabei kann die Hydrolyse der Lignozellulose-haltigen Biomasse dem erfindungsgemäßen Produktionsverfahren vorgeschaltet sein oder aber in situ während des erfindungsgemäßen Produktionsverfahrens erfolgen.Preferred C sources for growing the production strains are pentoses such. B. xylose, arabinose, or ribose and pentoses containing plant hydrolysates, which consist of lignocellulosic biomass such. B. sugar cane bagasse, cereal straw or waste of maize or wood processing, or the hemicellulose contained therein can be obtained. In this case, the hydrolysis of the lignocellulose-containing biomass can be connected upstream of the production process according to the invention or else take place in situ during the production process according to the invention.

Besonders bevorzugte C-Quelle ist Xylose, entweder in isolierter Form oder als Bestandteil eines pflanzlichen Hydrolysats.Particularly preferred C source is xylose, either in isolated form or as part of a vegetable hydrolyzate.

Für das erfindungsgemäße Produktionsverfahren geeignete C-Quellen umfassen somit sowohl die isolierten Reinsubstanzen oder aber auch, zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, nicht weiter aufgereinigte Gemische der einzelnen C-Quellen, wie sie als Hydrolysate durch thermischen, chemischen oder enzymatischen Aufschluss der pflanzlichen Rohstoffe gewonnen werden können.C sources which are suitable for the production process according to the invention thus comprise both the isolated pure substances or else, to increase the economic efficiency, not further purified mixtures of the individual C sources, such as can be obtained as hydrolyzates by thermal, chemical or enzymatic digestion of the vegetable raw materials ,

Die Verwendung der bevorzugten und besonders bevorzugten C-Quellen schließt also nicht aus, dass die erfindungsgemäßen C-Quellen im Gemisch mit anderen, nicht erfindungsgemäßen C-Quellen im Anzuchtsmedium vorkommen. Dazu gehören alle Formen von Monosacchariden, umfassend C6-Zucker wie z. B. Glucose, Mannose oder Fructose. Die C-Quellen umfassen aber auch Disaccharide, insbesondere Saccharose, Lactose, Maltose oder Cellobiose. Weiter betroffen sind alle C-Quellen in Form höherer Saccharide, Glycoside oder Kohlehydrate mit mehr als zwei Zuckereinheiten wie z. B. Maltodextrin, Stärke, Cellulose, Pektin bzw. daraus durch Hydrolyse (enzymatisch oder chemisch) freigesetzte Monomere oder Oligomere.The use of the preferred and particularly preferred C sources thus does not exclude that the C sources according to the invention occur in admixture with other non-inventive C sources in the growth medium. These include all forms of monosaccharides, including C6 sugars such as. As glucose, mannose or fructose. However, the C sources also include disaccharides, in particular sucrose, lactose, maltose or cellobiose. Further affected are all C sources in the form of higher saccharides, glycosides or carbohydrates with more than two sugar units such. As maltodextrin, starch, cellulose, pectin or by hydrolysis (enzymatically or chemically) released monomers or oligomers.

N-Quellen sind solche, die vom Produktionsstamm zur Biomassebildung genützt werden können. Dazu gehört Ammoniak, gasförmig oder in wässriger Lösung als NH4OH oder aber auch dessen Salze wie z. B. Ammoniumsulfat, Ammoniumchlorid, Ammoniumphosphat, Ammoniumacetat oder Ammoniumnitrat. Des Weiteren sind als N-Quelle geeignet die bekannten Nitratsalze wie z. B. KNO3, NaNO3, Ammoniumnitrat, Ca(NO3)2, Mg(NO3)2 sowie andere N-Quellen wie z. B. Harnstoff. Zu den N-Quellen gehören auch komplexe Aminosäuregemische wie z. B. Hefeextrakt, Proteose Pepton, Malzextrakt, Sojapepton, Casaminosäuren, Maisquellwasser (Corn Steep Liquor, flüssig oder aber auch getrocknet als sog. CSD) sowie auch NZ-Amine und Yeast Nitrogen Base.N sources are those that can be used by the production strain for biomass production. These include ammonia, gaseous or in aqueous solution as NH 4 OH or else its salts such. For example, ammonium sulfate, ammonium chloride, ammonium phosphate, ammonium acetate or ammonium nitrate. Furthermore, suitable N-source are the known nitrate salts such. As KNO 3 , NaNO 3 , ammonium nitrate, Ca (NO 3 ) 2 , Mg (NO 3 ) 2 and other N-sources such. B. urea. The N sources also include complex amino acid mixtures such. As yeast extract, proteose peptone, malt extract, soy peptone, casamino acids, corn steep liquor (corn steep liquor, liquid or dried as so-called. CSD) as well as NZ-amines and Yeast Nitrogen Base.

Die Anzucht kann erfolgen im sog. Batch Modus, wobei das Anzuchtsmedium mit einer Starterkultur des Produktionsstammes inokuliert wird und dann das Zellwachstum ohne weitere Fütterung von Nährstoffquellen erfolgt. The cultivation can take place in the so-called batch mode, wherein the growth medium is inoculated with a starter culture of the production strain and then the cell growth takes place without further feeding of nutrient sources.

Die Anzucht kann auch erfolgen im sog. Fed-Batch Modus, wobei nach einer anfänglichen Phase des Wachstums im Batch Modus zusätzlich Nährstoffquellen zugefüttert werden (Feed), um deren Verbrauch auszugleichen. Der Feed kann bestehen aus der C-Quelle, der N-Quelle, einem oder mehreren für die Produktion wichtigen Vitaminen, bzw. Spurenelementen oder aus einer Kombination der vorgenannten. Dabei können die Feedkomponenten zusammen als Gemisch oder aber auch getrennt in einzelnen Feedstrecken zudosiert werden. Zusätzlich können auch andere Medienbestandteile sowie spezifisch die C4-Produktion steigernde Zusätze dem Feed zugesetzt sein. Der Feed kann dabei kontinuierlich oder in Portionen (diskontinuierlich) zugeführt werden oder aber auch in Kombination aus kontinuierlichem und diskontinuierlichem Feed. Bevorzugt ist die Anzucht nach dem Fed-Batch Modus.Cultivation can also take place in the so-called fed-batch mode, with additional nutrient sources being fed in after an initial phase of growth in batch mode (feed) in order to compensate for their consumption. The feed can consist of the C-source, the N-source, one or more important for the production of vitamins, or trace elements or a combination of the aforementioned. The feed components can be added together as a mixture or else separately in individual feed sections. In addition, other media components as well as specific C4 production enhancing additives may be added to the feed. The feed can be fed continuously or in portions (batchwise) or else in a combination of continuous and discontinuous feed. Preference is given to the cultivation according to the fed-batch mode.

Bevorzugte C-Quellen im Feed sind Xylose oder Xylose enthaltende pflanzliche Hydrolysate, die aus Lignozellulose-haltigen Biomasseabfällen gewonnen werden können.Preferred C sources in the feed are xylose or xylose-containing plant hydrolysates which can be obtained from lignocellulosic biomass waste.

Besonders bevorzugte C-Quelle im Feed ist Xylose.Particularly preferred C source in the feed is xylose.

Bevorzugte N-Quellen im Feed sind Ammoniak, gasförmig oder in wässriger Lösung als NH4OH und dessen Salze Ammoniumsulfat, Ammoniumphosphat, Ammoniumacetat und Ammoniumchlorid, weiterhin Harnstoff, KNO3, NaNO3 und Ammoniumnitrat, Hefeextrakt, Proteose Pepton, Malzextrakt, Sojapepton, Casaminosäuren, Maisquellwasser (Corn Steep Liquor) sowie auch NZ-Amine und Yeast Nitrogen Base.Preferred N sources in the feed are ammonia, gaseous or in aqueous solution as NH 4 OH and its salts ammonium sulfate, ammonium phosphate, ammonium acetate and ammonium chloride, furthermore urea, KNO 3 , NaNO 3 and ammonium nitrate, yeast extract, proteose peptone, malt extract, soya peptone, casamino acids Corn Steep Liquor as well as NZ-Amine and Yeast Nitrogen Base.

Besonders bevorzugte N-Quellen im Feed sind Ammoniak, bzw. Ammoniumsalze, Harnstoff, Hefeextrakt, Sojapepton, Malzextrakt oder Corn Steep liquor (flüssig oder in getrockneter Form).Particularly preferred N sources in the feed are ammonia, or ammonium salts, urea, yeast extract, soya peptone, malt extract or corn steep liquor (in liquid or in dried form).

Die Anzucht erfolgt unter pH- und Temperaturbedingungen, welche das Wachstum und die 2,3-BDL Produktion des Produktionsstammes begünstigen. Der geeignete pH-Bereich reicht von pH 5 bis pH 8. Bevorzugt ist ein pH-Bereich von pH 5,5 bis pH 7,5. Besonders bevorzugt ist ein pH-Bereich von pH 6,0 bis pH 7.The cultivation takes place under pH and temperature conditions which favor the growth and the 2,3-BDL production of the production strain. The suitable pH range is from pH 5 to pH 8. Preferred is a pH range of pH 5.5 to pH 7.5. Particularly preferred is a pH range of pH 6.0 to pH 7.

Der bevorzugte Temperaturbereich für das Wachstum des Produktionsstammes beträgt 20°C bis 40°C. Besonders bevorzugt ist der Temperaturbereich von 25°C bis 35°C.The preferred temperature range for the growth of the production strain is 20 ° C to 40 ° C. Particularly preferred is the temperature range of 25 ° C to 35 ° C.

Das Wachstum des Produktionsstammes kann fakultativ ohne Sauerstoffzufuhr erfolgen (anaerobe Kultivierung) oder aber auch mit Sauerstoffzufuhr (aerobe Kultivierung). Bevorzugt ist die aerobe Kultivierung mit Sauerstoff, wobei die Sauerstoffversorgung durch Eintrag von Pressluft oder reinem Sauerstoff gewährleistet wird. Besonders bevorzugt ist die aerobe Kultivierung durch Eintrag von Pressluft.The growth of the production strain can optionally take place without oxygen supply (anaerobic cultivation) or else with oxygen supply (aerobic cultivation). Preferred is the aerobic cultivation with oxygen, wherein the oxygen supply is ensured by entry of compressed air or pure oxygen. Particularly preferred is the aerobic cultivation by entry of compressed air.

Die Kultivierungsdauer zur C4-Produktion beträgt zwischen 10 h und 200 h. Bevorzugt ist eine Kultivierungsdauer von 20 h bis 120 h. Besonders bevorzugt ist eine Kultivierungsdauer von 30 h bis 100 h.The cultivation time for C4 production is between 10 h and 200 h. Preferred is a cultivation period of 20 h to 120 h. Particularly preferred is a cultivation time of 30 h to 100 h.

Kultivierungsansätze, die durch das oben beschriebene Verfahren gewonnen werden, enthalten das C4-Produkt, darunter bevorzugt 2,3-Butandiol, vorzugsweise im Kulturüberstand. Das in den Kultivierungsansätzen enthaltene C4-Produkt kann entweder ohne weitere Aufarbeitung direkt weiterverwendet werden oder aber aus dem Kultivierungsansatz isoliert werden. Zur Isolierung des C4-Produkts, darunter bevorzugt 2,3-Butandiol, stehen an sich bekannte Verfahrensschritte zur Verfügung, darunter Zentrifugation, Dekantierung, Filtration, Extraktion (siehe z. B. DE 10 2011 004 915 ), Destillation oder Kristallisation, bzw. Fällung. Diese Verfahrensschritte können dabei in jeder beliebiger Form kombiniert werden, um das C4-Produkt in der gewünschten Reinheit zu isolieren. Der dabei zu erzielende Reinheitsgrad ist abhängig von der weiteren Verwendung.Cultivation batches obtained by the method described above contain the C4 product, including preferably 2,3-butanediol, preferably in the culture supernatant. The C4 product contained in the cultivation mixtures can either be used directly again without further work-up or else be isolated from the cultivation batch. For isolation of the C4 product, including preferably 2,3-butanediol, known process steps are available, including centrifugation, decantation, filtration, extraction (see, for example, US Pat. DE 10 2011 004 915 ), Distillation or crystallization, or precipitation. These process steps can be combined in any desired form in order to isolate the C4 product in the desired purity. The degree of purity to be achieved depends on the further use.

Verschiedene analytische Methoden zur Identifizierung, Quantifizierung und Bestimmung des Reinheitsgrades der C4-Produkte, darunter bevorzugt 2,3-Butandiol, sind verfügbar, darunter NMR, Gaschromatographie, HPLC, Massenspektroskopie oder auch eine Kombination aus diesen Analysemethoden.Various analytical methods for the identification, quantification and determination of the purity of the C4 products, including preferably 2,3-butanediol, are available, including NMR, gas chromatography, HPLC, mass spectroscopy or even a combination of these analysis methods.

Die Figuren zeigen die in den Beispielen genannten Plasmide.The figures show the plasmids mentioned in the examples.

1 zeigt den in Beispiel 1 verwendeten 2,9 kb großen Expessionsvektor pKKj. 1 shows the 2.9 kb exposition vector pKKj used in Example 1.

2 zeigt den in Beispiel 1 hergestellten 5 kb großen Transketolase Expessionsvektor pTkt. 2 shows the 5 kb transketolase expression vector pTkt prepared in Example 1.

3 zeigt den in Beispiel 1 hergestellten 3,8 kb großen Transaldolase Expessionsvektor pTal. 3 shows the 3.8 kb transaldolase epitope pTal prepared in Example 1.

4 zeigt den in Beispiel 1 hergestellten 4,3 kb großen Transaldolase Expessionsvektor pTal-tet. 4 shows the 4.3 kb transaldolase epitope pTal-tet prepared in Example 1.

5 zeigt den in Beispiel 1 verwendeten 3,3 kb großen Expessionsvektor pKKj-tet. 5 shows the 3.3 kb expression vector pKKj-tet used in Example 1.

6 zeigt den in Beispiel 1 hergestellten 6 kb großen Expessionsvektor pTkt-Tal für die gleichzeitige Expression des Transketolase- und Transaldolase Gens. 6 shows the 6 kb vector pTkt-valley produced in Example 1 for the simultaneous expression of the transketolase and transaldolase gene.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert:The invention is further illustrated by the following examples:

1. Beispiel: Herstellung von Transketolase und Transaldolase ExpressionsvektorenExample 1: Production of transketolase and transaldolase expression vectors

Als Ausgangsstamm für die Genisolierung sowie für die Stammentwicklung wurde Raoultella (Klebsiella) terrigena DSM 2687 verwendet (käuflich erhältlich bei der DSMZ Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH).Raoultella (Klebsiella) terrigena DSM 2687 (commercially available from the DSMZ German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH) was used as a starting strain for gene isolation and for strain development.

Verwendet wurden die Transketolase und Transaldolase Gene aus R. terrigena. Die DNS-Sequenzen der Gene aus R. terrigena sind offenbart in SEQ ID NO: 1 (Tansketolase), kodierend für ein Protein mit der Aminosäuresequenz SEQ ID NO: 2, und in SEQ ID NO: 3 (Transaldolase), kodierend für ein Protein mit der Aminosäuresequenz SEQ ID NO: 4.The transketolase and transaldolase genes from R. terrigena were used. The DNA sequences of the genes from R. terrigena are disclosed in SEQ ID NO: 1 (tansketolase), coding for a protein with the amino acid sequence SEQ ID NO: 2, and in SEQ ID NO: 3 (transaldolase), coding for a protein with the amino acid sequence SEQ ID NO: 4.

Gene der Transketolase (Tkt-Gen) und Transaldolase (Tal-Gen) wurden in PCR-Reaktionen (Taq DNS-Polymerase, Qiagen) aus genomischer R. terrigena DNS (Stamm DSM 2687,) isoliert.Genes of transketolase (Tkt gene) and transaldolase (Tal gene) were isolated in PCR reactions (Taq DNA polymerase, Qiagen) from genomic R. terrigena DNA (strain DSM 2687,).

Die für die PCR-Reaktionen verwendete genomische DNS war zuvor in an sich bekannter Weise mit einem DNS-Isolierungskit (Qiagen) aus Zellen der Anzucht von R. terrigena DSM 2687 in LB-Medium (10 g/l Trypton, 5 g/l Hefeextrakt, 5 g/l NaCl) gewonnen worden.The genomic DNA used for the PCR reactions was previously in a conventional manner with a DNA isolation kit (Qiagen) from cells of the R. terrigena DSM 2687 culture in LB medium (10 g / l tryptone, 5 g / l yeast extract , 5 g / l NaCl).

Für die PCR-Reaktionen wurden folgende Primer verwendet:
Transketolase (Tkt-Gen): Primer Tkt-1f (SEQ ID NO: 5) und Tkt-2r (SEQ ID NO: 6)
The following primers were used for the PCR reactions:
Transketolase (Tkt gene): primer Tkt-1f (SEQ ID NO: 5) and Tkt-2r (SEQ ID NO: 6)

Die Primer hatten folgende DNS-Sequenzen:

Figure DE102013205986A1_0005
Transaldolase (Tal-Gen): Primer Tal-1f (SEQ ID NO: 7) und Tal-2r (SEQ ID NO: 8)The primers had the following DNA sequences:
Figure DE102013205986A1_0005
Transaldolase (Tal gene): Primer Tal-1f (SEQ ID NO: 7) and Tal-2r (SEQ ID NO: 8)

Die Primer hatten folgende DNS-Sequenzen:

Figure DE102013205986A1_0006
The primers had the following DNA sequences:
Figure DE102013205986A1_0006

Das Tansketolase Gen wurde bei der PCR-Reaktion als 2100 bp DNS-Fragment isoliert. Zur nachfolgenden Klonierung in den mit Eco RI und Hind III geschnittenen Expressionsvektor pKKj wurden das Tkt PCR-Produkt mit Mfe I (in Primer Tkt-1f enthalten, kompatibel mit Eco RI) und Hind III (in Primer Tkt-2r enthalten) nachverdaut. Expressionsvektor pKKj ist offenbart in DE 10 2011 003 394 . pKKj ist ein Derivat des Expressionsvektors pKK223-3. Die DNS-Sequenz von pKK223-3 ist offenbart in der „GenBank” Gendatenbank unter der Zugriffnummer M77749.1. Aus dem 4,6 kb Plasmid wurden ca. 1,7 kb entfernt (bp 262–1947 der in M77749.1 offenbarten DNS-Sequenz), wodurch der 2,9 kb Expressionsvektor pKKj (1) entstand.The tansketolase gene was isolated in the PCR reaction as a 2100 bp DNA fragment. For subsequent cloning into the expression vector pKKj cut with Eco RI and Hind III, the Tkt PCR product was post-digested with Mfe I (contained in primer Tkt-1f, compatible with Eco RI) and Hind III (contained in primer Tkt-2r). Expression vector pKKj is disclosed in DE 10 2011 003 394 , pKKj is a derivative of the expression vector pKK223-3. The DNA sequence of pKK223-3 is disclosed in the "GenBank" gene database under the access number M77749.1. Approximately 1.7 kb were removed from the 4.6 kb plasmid (bp 262-1947 of the DNA sequence disclosed in M77749.1), whereby the 2.9 kb expression vector pKKj (FIG. 1 ) originated.

Bei der Klonierung des Transketolase Gens in den pKKj Vektor entstand der 5 kb große Vektor pTkt (2), in dem das Transketolase Gen funktionell mit dem tac-Promotor verknüpft ist und der zur Expression des Transketolase Gens in R. terrigena geeignet ist.When cloning the transketolase gene into the pKKj vector, the 5 kb vector pTkt ( 2 ), in which the transketolase gene is functionally linked to the tac promoter and which is suitable for expression of the transketolase gene in R. terrigena.

Das Tansaldolase Gen wurde bei der PCR-Reaktion als 950 bp DNS-Fragment isoliert. Zur nachfolgenden Klonierung in den mit Eco RI und Pst I geschnittenen Expressionsvektor pKKj wurde das Tal PCR-Produkt mit Eco RI (in Primer Tal-1f enthalten) und Pst I (in Primer Tal-2r enthalten) nachverdaut. Es entstand der 3,8 kb große Vektor pTal (3), in dem das Transaldolase Gen funktionell mit dem tac-Promotor verknüpft ist und der zur Expression des Transaldolase Gens in R. terrigena geeignet ist.The Tanzaldolase gene was isolated in the PCR reaction as a 950 bp DNA fragment. For subsequent cloning into the pKKj expression vector cut with Eco RI and Pst I, the valley PCR product was digested with Eco RI (contained in primer Tal-1f) and Pst I (contained in primer Tal-2r). The result was the 3.8 kb vector pTal ( 3 ) in which the transaldolase gene is functionally linked to the tac promoter and which is suitable for expression of the transaldolase gene in R. terrigena.

Expressionsvektor pTal-tet:Expression vector pTal-tet:

Das mit Eco RI und Pst I nachverdaute 950 bp PCR-Produkt des Transaldolase Gens wurde zusätzlich in den zuvor mit Eco RI und Pst I geschnittenen Expressionsvektor pKKj-tet kloniert. Dabei entstand der 4,3 kb große Expessionsvektor pTal-tet (4).The post-digested with Eco RI and Pst I 950 bp PCR product of the transaldolase gene was additionally cloned into the previously cut with Eco RI and Pst I expression vector pKKj-tet. This resulted in the 4.3 kb expression vector pTal-tet ( 4 ).

pKKj-tet ist offenbart in DE 10 2011 003 386 . Zu dessen Herstellung wurde zuerst aus pKKj das Ampicillin Resistenzgen als 1 kb Fragment durch Verdau mit Bsp HI entfernt. In das verbliebene 1,9 kb Vektorfragment wurde das Tetracyclin Resistenzgen als 1,45 kb Fragment kloniert. Das Tetracyclin Resistenzgen war vorher aus dem Plasmid pACYC184 durch PCR (Taq DNS Polymerase, Qiagen) isoliert worden. Die DNS-Sequenz von pACYC184 ist zugänglich in der „Genbank” Gendatenbank unter der Zugangsnummer X06403.1. Es entstand der 3,3 kb große Expressionsvektor pKKj-tet (5).pKKj-tet is revealed in DE 10 2011 003 386 , To produce it, the ampicillin resistance gene was first removed from pKKj as a 1 kb fragment by digestion with Ex HI. In the remaining 1.9 kb vector fragment, the tetracycline resistance gene was cloned as a 1.45 kb fragment. The tetracycline resistance gene had previously been isolated from the plasmid pACYC184 by PCR (Taq DNA polymerase, Qiagen). The DNA sequence of pACYC184 is available in the "Genbank" gene database under accession number X06403.1. The result was the 3.3 kb expression vector pKKj-tet ( 5 ).

Expressionsvektor pTkt-Tal:Expression vector pTkt-Tal:

Der Expressionsvektor pTal wurde mit Eco RI verdaut und das 3,8 kb linearisierte Vektorfragment isoliert. Das Tkt Genfragment wurde, wie beim Expressionsvektor pTkt beschrieben, in einer PCR-Reaktion aus genomischer R. terrigena DNS mit den Primern Tkt-1f (SEQ ID NO: 5) und Tkt-3r (SEQ ID NO: 9) als 2,1 kb Fragment isoliert. Primer Tkt-3r enthielt neben einer Mfe I Schnittstelle (kompatibel mit Eco RI zur nachfolgenden Klonierung in den Vektor pTal) und dem 3'-Ende des Tkt-Gens auch eine Ribosomenbindestelle (RBS, siehe 6) für die Produktion des sich im Vektor pTkt-Tal anschließenden Tal-Gens (sog. künstliches Operon).The expression vector pTal was digested with Eco RI and the 3.8 kb linearized vector fragment isolated. The Tkt gene fragment was, as described in the expression vector pTkt, in a PCR reaction from genomic R. terrigena DNA with the primers Tkt-1f (SEQ ID NO: 5) and Tkt-3r (SEQ ID NO: 9) as 2.1 kb fragment isolated. Primer Tkt-3r, in addition to an Mfe I site (compatible with Eco RI for subsequent cloning into the vector pTal) and the 3 'end of the Tkt gene, also contained a ribosome binding site (RBS, see 6 ) for the production of the subsequent in the vector pTkt valley Tal gene (so-called artificial operon).

Primer Tkt-3r (SEQ ID NO: 9) hatte folgende DNS-Sequenz:

Figure DE102013205986A1_0007
Primer Tkt-3r (SEQ ID NO: 9) had the following DNA sequence:
Figure DE102013205986A1_0007

Das 2,1 kb Tkt-Genfragment wurde mit Mfe verdaut und in den mit Eco RI geschnittenen Vektor pTal kloniert. Es entstand der 6 kb große Expressionsvektor pTkt-Tal (6). Von den erhaltenen Klonen wurden solche ausgewählt, bei denen das Transketolase Gen funktionell mit dem tac-Promotor verknüpft war, d. h. das Transketolase Gen war in der gleichen Orientierung wie das Transaldolase Gen eingebaut (siehe 6).The 2.1 kb Tkt gene fragment was digested with Mfe and cloned into the Eco RI cut vector pTal. The result was the 6 kb expression vector pTkt-Tal ( 6 ). Of the clones obtained, those were selected in which the transketolase gene was functionally linked to the tac promoter, ie the transketolase gene was incorporated in the same orientation as the transaldolase gene (see 6 ).

In pTkt-Tal sind das Transketolase- und das Transaldolase Gen als künstliches Operon angeordnet. Ihre Expression steht unter Kontrolle des tac-Promotors.In pTkt-Tal, the transketolase and the transaldolase gene are arranged as an artificial operon. Their expression is under the control of the tac promoter.

2. Beispiel: Vergleichende Fermentation des Ausgangsstammes Raoultella (Klebsiella) terrigena DSM 2687 mit Glucose und Xylose als C-QuelleExample 2: Comparative fermentation of the initial strain Raoultella (Klebsiella) terrigena DSM 2687 with glucose and xylose as C source

Verwendet wurden „Labfors II” Fermenter der Fa. Infors. Das Arbeitsvolumen betrug 1,5 l (3 l Fermentervolumen). Die Fermenter waren entsprechend dem Stand der Technik mit Elektroden zur Messung des PO2 und des pH sowie mit einer Schaumsonde ausgerüstet, welche bei Bedarf die Zudosierung einer Antischaumlösung regulierte. Die Werte der Messsonden wurden über ein Computerprogramm aufgezeichnet und graphisch dargestellt. Die Fermentationsparameter Rührerdrehzahl (rpm), Belüftung (Versorgung mit Pressluft in vvm, Volumen Pressluft pro Volumen Fermentationsmedium pro Minute), pO2 (Sauerstoffpartialdruck, auf einen Anfangswert von 100% kalibrierter relativer Sauerstoffgehalt), pH und Fermentationstemperatur wurden über ein vom Fermenterhersteller bereitgestelltes Computerprogramm gesteuert und aufgezeichnet. Feed Medium (73% Glucose, w/v oder 75% Xylose, w/v) wurde entsprechend dem Verbrauch an Glucose, bzw. Xylose über eine peristaltische Pumpe zudosiert. Zur Kontrolle der Schaumbildung wurde ein alkoxylierter Fettsäureester auf vegetabilischer Basis, käuflich erhältlich unter der Bezeichnung Struktol J673 bei Schill & Seilacher (20–25% v/v in Wasser verdünnt), verwendet."Labfors II" fermenters from Infors were used. The working volume was 1.5 l (3 l fermentor volume). The fermenters were equipped according to the prior art with electrodes for measuring the PO 2 and the pH and with a foam probe, which regulated, if necessary, the addition of an antifoam solution. The values of the probes were recorded by a computer program and graphically displayed. The fermentation parameters stirrer speed (rpm), aeration (supply with compressed air in vvm, volume of compressed air per volume of fermentation medium per minute), pO 2 (oxygen partial pressure, on an initial value of 100% calibrated relative oxygen content), pH and fermentation temperature were controlled and recorded via a computer program provided by the fermentor manufacturer. Feed medium (73% glucose, w / v or 75% xylose, w / v) was metered in according to the consumption of glucose or xylose via a peristaltic pump. To control foam formation, a vegetable based alkoxylated fatty acid ester commercially available under the name Struktol J673 from Schill & Seilacher (diluted 20-25% v / v in water) was used.

Der in der Fermentation eingesetzte Stamm war Raoultella (Klebsiella) terrigena DSM 2687 (Kontrollstamm R.t.-WT). Batch-Fermentationsmedien waren FM2-G (C-Quelle Glucose) und FM2-X (C-Quelle Xylose).The strain used in the fermentation was Raoultella (Klebsiella) terrigena DSM 2687 (control strain R.t.-WT). Batch fermentation media were FM2-G (C source glucose) and FM2-X (C source xylose).

FM2-G Medium enthielt Glucose 40 g/l; CSD (Corn Steep Liquor getrocknet) 10 g/l; Ammoniumsulfat 5 g/l; NaCl 0,5 g/l; FeSO4 × 7H2O 75 mg/l; Na3Citrat × 2H2O 1 g/l; CaCl2 × 2H2O 14,7 mg/l; MgSO4 × 7H2O 0,3 g/l; KH2PO4 1,5 g/l; Spurenelementemix 10 ml/l. Der pH des FM2-G Mediums wurde vor Beginn der Anzucht auf 6,0 eingestellt.FM2-G medium contained glucose 40 g / L; CSD (Corn Steep Liquor dried) 10 g / l; Ammonium sulfate 5 g / l; NaCl 0.5 g / l; FeSO 4 × 7H 2 O 75 mg / l; Na 3 citrate × 2H 2 O 1 g / l; CaCl 2 × 2H 2 O 14.7 mg / L; MgSO 4 .7H 2 O 0.3 g / l; KH 2 PO 4 1.5 g / l; Trace element mix 10 ml / l. The pH of the FM2-G medium was adjusted to 6.0 before starting the culture.

FM2-X Medium enthielt die gleiche Zusammensetzung wie FM2-G Medium. Jedoch wurde die Glucose durch Xylose (40 g/l) ersetzt.FM2-X medium contained the same composition as FM2-G medium. However, glucose was replaced by xylose (40 g / L).

Der Spurenelementemix hatte die Zusammensetzung H3BO3 2,5 g/l; CoCl2 × 6H2O 0,7 g/l; CuSO4 × 5H2O 0,25 g/l; MnCl2 × 4H2O 1,6 g/l; ZnSO4 × 7H2O 0,3 g/l und Na2MoO4 × 2H2O 0,15 g/l.The trace element mix had the composition H 3 BO 3 2.5 g / l; CoCl 2 × 6H 2 O 0.7 g / l; CuSO 4 × 5H 2 O 0.25 g / l; MnCl 2 × 4H 2 O 1.6 g / l; ZnSO 4 .7H 2 O 0.3 g / l and Na 2 MoO 4 .2H 2 O 0.15 g / l.

Je 1,35 l FM2-G, bzw. FM2-X Medium wurden mit 150 ml Vorkultur beimpft. Die Vorkultur der zu fermentierenden Stämme wurde durch 24 h Schüttelkolbenanzucht in Glucose enthaltendem FM2-G Medium hergestellt. Die Fermentationsbedingungen waren: Temperatur 30°C, Rührerdrehzahl 1000 rpm, Belüftung mit 1 vvm, pH 6,3.1.35 l of FM2-G or FM2-X medium were inoculated with 150 ml of preculture. The preculture of the strains to be fermented was prepared by 24 h shake flask growing in glucose containing FM2-G medium. The fermentation conditions were: temperature 30 ° C, stirrer speed 1000 rpm, aeration with 1 vvm, pH 6.3.

In regelmäßigen Abständen wurden dem Fermenter Proben entnommen zur Analyse folgender Parameter:
Die Zelldichte OD600 als Maß der gebildeten Biomasse wurde photometrisch bei 600 nm bestimmt (BioRad Photometer SmartSpecTM 3000).
The fermenter was sampled periodically to analyze the following parameters:
The cell density OD 600 as a measure of the biomass formed was determined photometrically at 600 nm (BioRad photometer SmartSpec 3000).

Zur Bestimmung der Trockenbiomasse wurden je Messpunkt in einer Dreifachbestimmung je 1 ml Fermentationsansatz zentrifugiert, das Zellpellet mit Wasser gewaschen und bei 80°C zur Gewichtskonstanz getrocknet.To determine the dry biomass, 1 ml of fermentation batch was centrifuged per measurement point in a triple determination, the cell pellet was washed with water and dried at 80 ° C. to constant weight.

Der Glucose-, bzw. Xylosegehalt von Fermenterproben wurde bestimmt mit dem Analysator 7100MBS der Fa. YSI, ausgerüstet mit Messstationen sowohl für Glucose wie für Xylose.The glucose or xylose content of fermenter samples was determined using the analyzer 7100MBS from YSI equipped with measuring stations for both glucose and xylose.

Die Bestimmung des Gehalts an C4-Produkten (2,3-Butandiol und Acetoin) sowie an C2-Produkten (Acetat und Ethanol) in Kulturüberständen erfolgte in an sich bekannter Weise durch 1H-NMR (siehe z. B. DE 10 2011 003 394 ). Dazu wurde jeweils ein Aliquot der Anzucht zentrifugiert (10 min 5.000 rpm, Eppendorf Labofuge) und 0,1 ml des Kulturüberstandes mit 0,6 ml TSP (3-(Trimethylsilyl)propionsäure-2,2,3,3-d4 Natriumsalz) Standardlösung definierten Gehalts (interner Standard, typischerweise 5 g/l) in D2O gemischt. Die 1H-NMR Analyse incl. Peak Integration erfolgte entsprechend dem Stand der Technik mit einem Avance 500 NMR-Gerät der Fa. Bruker. Zur quantitativen Analyse wurden die NMR-Signale der Analyten in folgenden Bereichen integriert: TSP: 0,140–0,145 ppm (9H) 2,3-Butandiol: 1,155–1,110 ppm (6H) Ethanol: 1,205–1,157 ppm (3H) Essigsäure: 2,000–1,965 ppm (3H) Acetoin: 2,238–2,200 ppm (3H) The content of C4 products (2,3-butanediol and acetoin) and of C2 products (acetate and ethanol) in culture supernatants was determined in a manner known per se by 1 H-NMR (see, for example, US Pat. DE 10 2011 003 394 ). For this purpose, in each case an aliquot of the culture was centrifuged (10 min 5,000 rpm, Eppendorf Labofuge) and 0.1 ml of the culture supernatant with 0.6 ml of TSP (3- (trimethylsilyl) propionic acid 2,2,3,3-d 4 sodium salt) Standard solution defined content (internal standard, typically 5 g / l) mixed in D 2 O. The 1 H-NMR analysis including peak integration was carried out according to the prior art with an Avance 500 NMR instrument from Bruker. For quantitative analysis, the NMR signals of the analytes were integrated in the following ranges: TSP: 0.140-0.145 ppm (9H) 2,3-butanediol: 1.155-1.110 ppm (6H) ethanol: 1.205-1.157 ppm (3H) Acetic acid: 2,000-1,965 ppm (3H) acetoin: 2,238-2,200 ppm (3H)

Nachdem die im Batchmedium vorgelegte Glucose, bzw. Xylose verbraucht waren, wurden jeweils über eine Pumpe (peristaltische Pumpe 101 U/R der Fa. Watson Marlow) Feedlösungen von Glucose (73% w/v), bzw. Xylose (75% w/v) zugefüttert. Die Fütterungsgeschwindigkeit wurde dabei von der aktuellen Glucose-, bzw. Xylose Verbrauchsrate bestimmt.After the glucose or xylose present in the batch medium had been consumed, feed solutions of glucose (73% w / v) or xylose (75% w / v) were each pumped (Watson Marlow peristaltic pump 101 U / R). v) fed. The feeding rate was determined by the current glucose or xylose consumption rate.

Tabelle 1 zeigt die zeitabhängige Bildung von C2- und C4-Produkten im R. terrigena Kontrollstamm R.t.-WT mit Glucose und Xylose als C-Quelle der Fermentation. Tabelle 1: Produktionsverlauf in der Fed-Batch Fermentation mit Glucose und Xylose als C-Quelle C-Quelle Glucose C-Quelle Xylose Zeit (h) Produkt (g/l) (g/l) 24 2,3-BDL 72,5 44,6 Acetoin 2,6 13,1 Acetat 1,5 9,1 Ethanol 6,3 2,2 48 2,3-BDL 109,7 61,8 Acetoin 6,3 16,0 Acetat 3,5 19,9 Ethanol 5,3 1,7 72 2,3-BDL 117,1 62,1 Acetoin 6,9 17,7 Acetat 3,7 23,0 Ethanol 5,4 1,6 Table 1 shows the time-dependent formation of C2 and C4 products in the R. terrigena control strain Rt-WT with glucose and xylose as the C source of the fermentation. Table 1: Production process in fed-batch fermentation with glucose and xylose as C source C source glucose C source xylose Time (h) product (G / l) (G / l) 24 2,3-BDL 72.5 44.6 acetoin 2.6 13.1 acetate 1.5 9.1 ethanol 6.3 2.2 48 2,3-BDL 109.7 61.8 acetoin 6.3 16.0 acetate 3.5 19.9 ethanol 5.3 1.7 72 2,3-BDL 117.1 62.1 acetoin 6.9 17.7 acetate 3.7 23.0 ethanol 5.4 1.6

Bei der Verwendung von Xylose als C-Quelle der Fermentation anstelle von Glucose wurde eine deutliche Verschiebung des Produktspektrums beobachtet. Mit Xylose als C-Quelle wurde deutlich weniger 2,3-Butandiol gebildet, während sich der Anteil des zweiten C4-Produkts Acetoin (das dritte mögliche C4-Produkt Diacetyl war nicht nachweisbar) erhöhte. Jedoch war mit Xylose als C-Quelle die Raum-Zeitausbeute der C4-Produkte 2,3-Butandiol und Acetoin nach 72 h mit 1,1 gl–1h–1 deutlich höher als nach dem Stand der Technik bei Yu and Saddler, Appl. Environ. Microbiol. (1983) 46: 630–635 (ca. 0,6 gl–1h–1, wie dort aus 3 und 4 entnommen).When using xylose as the C source of the fermentation instead of glucose, a significant shift in the product spectrum was observed. With xylose as the C source, significantly less 2,3-butanediol was formed while the proportion of the second C4 product acetoin (the third possible C4 product diacetyl was undetectable) increased. However, with Xylose as the C source, the space-time yield of the C4 products 2,3-butanediol and acetoin was significantly higher after 72 h at 1.1 gl -1 h -1 than in the prior art Yu and Saddler, Appl. Environ. Microbiol. (1983) 46: 630-635 (about 0.6 gl -1 h -1 , as out there 3 and 4 removed).

Bei den C2-Produkten wurde eine starke Zunahme von Acetat beobachtet und eine Abnahme von Ethanol. Die Verstoffwechslung von Xylose über den Pentose Phosphatweg führt offensichtlich zu einem deutlich anderen Produktspektrum als die von Glucose über die Glykolyse.In the C2 products, a large increase of acetate was observed and a decrease of ethanol. The metabolism of xylose via the pentose phosphate pathway obviously leads to a significantly different product spectrum than that of glucose via glycolysis.

3. Beispiel: Expression der Transketolase und Transaldolase Gene in Raoultella terrigena3. Example: Expression of transketolase and transaldolase genes in Raoultella terrigena

Ausgangsstamm war Raoultella (Klebsiella) terrigena DSM 2687. Die Transformation mit den Plasmiden pKKj (Leervektor), pTkt, pTal, pTal-tet und pTkt-Tal erfolgte in an sich bekannter Weise (siehe z. B. DE 10 2011 003 394 ), analog der dem Fachmann geläufigen Methoden zur Transformation von E. coli. Die dabei erhaltenen Stämme erhielten die Bezeichnungen R.t.-pKKj (Kontrollstamm), R.t.-pTkt (Transketolase), R.t.-pTal (Transaldolase), R.t.-pTal-tet (Transaldolase), R.t.-pTkt-Tal (Transketolase-Transaldolase Operonkonstrukt) sowie R.t.-pTkt-pTal. Beim Stamm R.t.-pTkt-pTal handelte es sich um ein Zweiplasmidsystem zur gleichzeitigen Expression der Transketolase und Transaldolase in einem Stamm, erhalten durch Transformation von R. terrigena mit den Vektoren pTkt (Ampicillin Selektion) und pTal-tet (Tetracyclin Selektion).Starting strain was Raoultella (Klebsiella) terrigena DSM 2687. The transformation with the plasmids pKKj (empty vector), pTkt, pTal, pTal-tet and pTkt-Tal was carried out in a manner known per se (see, for example, US Pat. DE 10 2011 003 394 ), analogous to the methods known to those skilled in the transformation of E. coli. The strains obtained were designated Rt-pKKj (control strain), Rt-pTkt (transketolase), Rt-pTal (transaldolase), Rt-pTal-tet (transaldolase), Rt-pTkt-Tal (transketolase-transaldolase operon construct) and Rt -pTkt-ptal. The strain Rt-pTkt-pTal was a two-plasmid system for the simultaneous expression of transketolase and transaldolase in a strain obtained by transformation of R. terrigena with the vectors pTkt (ampicillin selection) and pTal-tet (tetracycline selection).

Transformanten wurden isoliert und die rekombinante Expression der Tkt- und Tal Gene durch Schüttelkolbenanzucht untersucht, indem einerseits die jeweilige Enzymaktivität und andererseits die Produktion der C4-Produkte 2,3-Butandiol und Acetoin sowie der C2-Produkte Acetat und Ethanol bestimmt wurde. Dazu wurden jeweils 50 ml FM2-G, bzw. FM2-X Medium beimpft und bei 30°C und 140 rpm (Infors Schüttler) inkubiert. Abhängig vom Stamm enthielten die Medien als selektive Antibiotika entweder Ampicillin (FM2-G-amp, bzw. FM2-X-amp) oder Tetracyclin (FM2-G-tet, bzw. FM2-X-tet), bzw. Ampicillin und Tetracyclin (FM2-G-tet+amp, bzw. FM2-X-tet+amp). FM2-G Medium und FM2-X Medium sind im 2. Beispiel beschrieben. Abhängig vom Expressionsvektor enthielten die Medien Ampicillin (200 mg/l, FM2-G-amp und FM2-X-amp), Tetracyclin (15 mg/l, FM2-G-tet und FM2-X-tet), bzw. beide Antibiotika zusammen (FM2-G-tet+amp und FM2-X-tet+amp).Transformants were isolated and the recombinant expression of the Tkt and Tal genes by Schüttelkolbenanzucht examined by on the one hand the respective enzyme activity and on the other hand, the production of the C4 products 2,3-butanediol and acetoin and the C2 products acetate and ethanol was determined. In each case 50 ml of FM2-G or FM2-X medium were inoculated and incubated at 30 ° C and 140 rpm (Infors shaker). Depending on the strain, the media contained as selective antibiotics either ampicillin (FM2-G-amp, or FM2-X-amp) or tetracycline (FM2-G-tet, or FM2-X-tet), and ampicillin and tetracycline ( FM2-G-tet + amp or FM2-X-tet + amp). FM2-G medium and FM2-X medium are described in Example 2. Depending on the expression vector, the media contained ampicillin (200 mg / L, FM2-G and FM2-X-amp), tetracycline (15 mg / L, FM2-G-tet and FM2-X-tet), and both antibiotics together (FM2-G-tet + amp and FM2-X-tet + amp).

In einem ersten Experiment wurde die Expression der Transketolase- und Transaldolase Gene exemplarisch überprüft für R. terrigena DSM 2687, transformiert entweder mit pKKj (Stamm R.t.-pKKj, Kontrollstamm), pTkt (Stamm R.t.-pTkt) oder mit pTal (Stamm R.t.-pTal). Je 50 ml FM2-G-amp wurden beimpft mit dem Kontrollstamm R.t.-pKKj (Negativkontrolle) sowie mit R.t.-pTkt und R.t.-pTal. In a first experiment, the expression of the transketolase and transaldolase genes was exemplarily checked for R. terrigena DSM 2687, transformed either with pKKj (strain Rt-pKKj, control strain), pTkt (strain Rt-pTkt) or with pTal (strain Rt-pTal ). 50 ml FM2-G-amp were inoculated with the control strain Rt-pKKj (negative control) as well as with Rt-pTkt and Rt-pTal.

Nach 24 h Inkubation bei 30°C und 140 rpm (Infors Schüttler) wurde das Zellwachstum photometrisch bei 600 nm Wellenlänge (OD600) bestimmt und in an sich bekannter Weise die Proteinzusammensetzung der drei Stämme durch SDS-PAGE bestimmt (SDS-PAGE: Natrium-Dodecylsulfat Polyacrylamidgelelektrophorese). Verwendet wurde das käuflich erhältliche SDS-PAGE System Novex® NuPAGE mit 12% Bis-Tris Gelen der Fa. LifeTechnologies.After 24 h incubation at 30 ° C and 140 rpm (Infors shaker) cell growth was determined photometrically at 600 nm wavelength (OD 600 ) and in a conventional manner, the protein composition of the three strains determined by SDS-PAGE (SDS-PAGE: sodium Dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis). The commercially available SDS-PAGE system Novex ® NuPAGE 12% was used Bis-Tris gels Fa. Life Technologies.

Zur Probenvorbereitung für die SDS-PAGE wurde aus den Schüttelkolbenkulturen jeweils ein Aliquot entsprechend einer Zelldichte OD600 von 2 entnommen (ca. 0,2 ml), in 0,4 ml SDS- und β-Mercaptoethanol-haltigem Probenpuffer (Novex® „Tris-Glycine SDS Sample Buffer” der Fa. Invitrogen) aufgelöst, 3 min bei 94°C inkubiert und dann 10 μl einer jeden Probe auf benachbarten Spuren eines Polyacrylamidgels aufgetragen und in bekannter Weise durch Elektrophorese getrennt. Als Größenstandard wurde ein Mix von Proteinen bekannter Größe in einer weiteren Spur aufgetragen. Nach Beendigung der Elektrophorese wurden die im Gel entsprechend ihrer Größe getrennten Proteine in bekannter Weise durch den Farbstoff Coomassie Brilliant Blue gefärbt.For sample preparation for SDS-PAGE, respectively, an aliquot corresponding to a cell density of OD was calculated from the shake flask cultures of 2 600 removed (approximately 0.2 ml) (in 0.4 ml of SDS and β-mercaptoethanol-containing sample buffer Novex ® "Tris Glycine SDS Sample Buffer "from the Fa. Invitrogen), incubated for 3 min at 94 ° C and then applied 10 .mu.l of each sample on adjacent tracks of a polyacrylamide gel and separated in a known manner by electrophoresis. As size standard, a mix of proteins of known size was applied in another lane. After completion of the electrophoresis, the proteins separated in the gel according to their size were stained in a known manner by the Coomassie Brilliant Blue dye.

Ein Vergleich der Proteinmuster ergab, dass gegenüber dem Kontrollstamm R.t.-pKKj (Negativkontrolle) bei den Stämmen R.t.-pTkt, R.t.-pTkt-Tal und R.t.-pTkt-pTal die Überexpression des Transketolasegens zur Verstärkung einer Bande bei einem Molekulargewicht von ca. 70 kD (relatives Molekulargewicht von 70.000 Dalton) und bei den Stämmen R.t.-pTal-tet, R.t.-pTkt-Tal und R.t.-pTkt-pTal die Überexpression des Transaldolasegens zur Verstärkung einer Bande bei einem Molekulargewicht von ca. 35 kD (relatives Molekulargewicht von 35.000 Dalton) führte.A comparison of the protein patterns revealed that over the control strain Rt-pKKj (negative control) in the strains Rt-pTkt, Rt-pTkt-Tal and Rt-pTkt-pTal overexpression of the transketolase gene to amplify a band at a molecular weight of about 70 kD (relative molecular weight of 70,000 daltons) and in the strains Rt-pTal-tet, Rt-pTkt-Tal and Rt-pTkt-pTal overexpression of the transaldolase gene to amplify a band at a molecular weight of about 35 kD (molecular weight of 35,000 daltons ).

Die restlichen Zellen der Schüttelkolbenanzuchten (ca. 50 ml Volumen) wurden in einem zweiten Experiment zur Bestimmung der Enzymaktivitäten der rekombinant exprimierten Transketolase und Transaldolase im Vergleich zum Kontrollstamm verwendet. Die Bestimmung der Enzymaktivitäten der Transketolase und Transaldolase erfolgte entsprechend dem Stand der Technik ( Josephson and Fraenkel, J. Bacteriol. (1969) 100: 1289–1295 ).The remaining cells of the shake flask cultures (approximately 50 ml volume) were used in a second experiment to determine the enzyme activities of the recombinantly expressed transketolase and transaldolase compared to the control strain. The determination of the enzyme activities of transketolase and transaldolase was carried out according to the prior art ( Josephson and Fraenkel, J. Bacteriol. (1969) 100: 1289-1295 ).

Der Transketolase Enzymtest beruht auf Gleichung (VI), bei der aus D-Xylulose-5-Phosphat und D-Ribose-5-Phosphat als eines der Reaktionsprodukte Glycerinaldehyd-3-Phosphat entsteht. Glycerinaldehd-3-Phosphat wird durch das im Test enthaltene Enzym Triosephosphatisomerase zu Dihydroxyacetonphosphat umgewandelt, welches schließlich durch das ebenfalls im Test enthaltene Enzym Glycerin-3-phosphat Dehydrogenase unter stöchiometrischem Verbrauch von NADH reduziert wird.The transketolase enzyme assay is based on equation (VI), in which D-xylulose-5-phosphate and D-ribose-5-phosphate as one of the reaction products form glyceraldehyde-3-phosphate. Glyceraldehyde-3-phosphate is converted to dihydroxyacetone phosphate by the triosephosphate isomerase enzyme, which is finally reduced by the enzyme glycerol-3-phosphate dehydrogenase, also contained in the test, with stoichiometric consumption of NADH.

Der Transaldolase Enzymtest beruht auf der Rückreaktion von Gleichung (VII), bei der aus Fructose-6-Phosphat und Erythrose-4-Phosphat als eines der Reaktionsprodukte Glycerinaldehyd-3-Phosphat entsteht. Glycerinaldehyd-3-Phosphat wird durch das im Test enthaltene Enzym Triosephosphatisomerase zu Dihydroxyacetonphosphat umgewandelt, welches schließlich durch das ebenfalls im Test enthaltene Enzym Glycerin-3-phosphat Dehydrogenase unter stöchiometrischem Verbrauch von NADH reduziert wird.The transaldolase enzyme assay is based on the reverse reaction of equation (VII), in which glyceraldehyde-3-phosphate is formed from fructose-6-phosphate and erythrose-4-phosphate as one of the reaction products. Glyceraldehyde-3-phosphate is converted by the enzyme Triosephosphatisomerase contained in the test to dihydroxyacetone phosphate, which is finally reduced by the enzyme also contained in the test glycerol-3-phosphate dehydrogenase with stoichiometric consumption of NADH.

Je 50 ml der Zellen aus der Schüttelkolbenanzucht wurden zentrifugiert (10 min 15000 rpm, Sorvall SS34 Rotor), das Zellpellet in 2 ml Tris-Puffer (0,05 M Tris-HCl, pH 7,6, 0,01 M MgCl2 × 6H2O) aufgenommen, in an sich bekannter Weise mit einem sog. „French®Press” Hochdruckhomogenisator (SLM-AMINCO) aufgeschlossen und ein Zellextrakt durch Zentrifugation (15 min 15000 rpm, Sorvall SS34 Rotor) isoliert. Aliquots der Zellextrakte wurden zur spektralphotometrischen Bestimmung der Transketolase-, bzw. Transaldolase-Aktivität verwendet.50 ml of the cells from the shake flask were centrifuged (10 min 15000 rpm, Sorvall SS34 rotor), the cell pellet in 2 ml Tris buffer (0.05 M Tris-HCl, pH 7.6, 0.01 M MgCl 2 × 6H 2 O) was added, so-called in a known manner with a. digested "French Press ®" high-pressure homogenizer (SLM-AMINCO) and a cell extract by centrifugation (15 min 15,000 rpm, Sorvall SS34 rotor) was isolated. Aliquots of the cell extracts were used for the spectrophotometric determination of transketolase or transaldolase activity.

Spektralphotometrische Bestimmung der Transketolase-Aktivität:Spectrophotometric determination of transketolase activity:

Der Messansatz von 1 ml Volumen zur photometrischen Bestimmung der Transketolase-Aktivität (Komponenten des Enzymtests alle von der Fa. Sigma-Aldrich) war zusammengesetzt aus Tris-Puffer, 0,5 mM Ribose-5-Phosphat, 0,5 mM Xylulose-5-Phosphat, 0,2 mM NADH und 10 μg einer Enyzmmischung bestehend aus α-Glycerin-3-phosphat Dehydrogenase und Triosephosphatisomerase (Sigma-Aldrich) sowie Transketolase-haltigem Zellextrakt. Messtemperatur war 25°C. Die Reaktion wurde gestartet durch Zugabe eines Mixes der Substrate Ribose-5-Phosphat und Xylulose-5-Phosphat (Mix jeweils 20-fach konzentriert) und die Extinktionsabnahme infolge des Verbrauchs von NADH bei einer Wellenlänge von 340 nm gemessen (Extinktionskoeffizient von NADH: ε = 0,63 × 104 l × Mol–1 × cm–1). Ein Unit Transketolase-Aktivität ist definiert als der Verbrauch von 1 μmol NADH/min unter Testbedingungen.The measurement batch of 1 ml volume for the photometric determination of transketolase activity (components of the enzyme assay all from Sigma-Aldrich) was composed of Tris buffer, 0.5 mM ribose-5-phosphate, 0.5 mM xylulose-5 Phosphate, 0.2 mM NADH and 10 μg of an enzyme mixture consisting of α-glycerol-3-phosphate dehydrogenase and triosephosphate isomerase (Sigma-Aldrich) and transketolase-containing cell extract. Measurement temperature was 25 ° C. The reaction was started by adding a mix of the substrates ribose-5-phosphate and xylulose-5-phosphate (mix each 20-fold concentrated) and the Extinction decrease due to the consumption of NADH measured at a wavelength of 340 nm (extinction coefficient of NADH: ε = 0.63 × 10 4 l × mol -1 × cm -1 ). A unit transketolase activity is defined as the consumption of 1 μmol NADH / min under assay conditions.

Spektralphotometrische Bestimmung der Transaldolase-Aktivität:Spectrophotometric determination of transaldolase activity:

Der Messansatz von 1 ml Volumen zur photometrischen Bestimmung der Transaldolase-Aktivität (Komponenten des Enzymtests alle von der Fa. Sigma-Aldrich) war zusammengesetzt aus Tris-Puffer, 0,3 mM Erythrose-4-Phosphat, 0,4 mM Fructose-6-Phosphat, 0,2 mM NADH und 10 μg einer Enyzmmischung bestehend aus α-Glycerin-3-phosphat Dehydrogenase und Triosephosphatisomerase (Sigma-Aldrich) sowie Transaldolase-haltigem Zellextrakt. Messtemperatur war 25°C. Die Reaktion wurde gestartet durch Zugabe eines Mixes der Substrate Erythrose-4-Phosphat und Fructose-6-Phosphat (Mix jeweils 20-fach konzentriert) und die Extinktionsabnahme infolge des Verbrauchs von NADH bei einer Wellenlänge von 340 nm gemessen (Extinktionskoeffizient von NADH: ε = 0,63 × 104 l × Mol–1 × cm–1). Ein Unit Transaldolase-Aktivität ist definiert als der Verbrauch von 1 μmol NADH/min unter Testbedingungen.The measurement batch of 1 ml volume for the photometric determination of transaldolase activity (components of the enzyme assay all from Sigma-Aldrich) was composed of Tris buffer, 0.3 mM erythrose-4-phosphate, 0.4 mM fructose-6 Phosphate, 0.2 mM NADH and 10 μg of an enzyme mixture consisting of α-glycerol-3-phosphate dehydrogenase and triosephosphate isomerase (Sigma-Aldrich) and transaldolase-containing cell extract. Measurement temperature was 25 ° C. The reaction was started by adding a mixture of the substrates erythrose-4-phosphate and fructose-6-phosphate (mix each 20-fold concentrated) and the absorbance decrease due to the consumption of NADH measured at a wavelength of 340 nm (extinction coefficient of NADH: ε = 0.63 x 10 4 l x mol -1 x cm -1 ). A unit transaldolase activity is defined as the consumption of 1 μmol NADH / min under assay conditions.

Zur Bestimmung der spezifischen Aktivität wurde die Proteinkonzentration der Zellextrakte in an sich bekannter Weise mit dem sog. „BioRad Proteinassay” der Fa. BioRad bestimmt.To determine the specific activity, the protein concentration of the cell extracts was determined in a manner known per se using the so-called "BioRad protein assay" from BioRad.

Die unter Messbedingungen bestimmten Enzymaktivitäten sind in Tabelle 2 und 3 aufgeführt. Tabelle 2: Enzymaktivität rekombinanter, Transketolase überexprimierender R. terrigena Stämme Stamm Konstrukt Transketolase (U/mg) relative Aktivität R.t.-pKKj pKKj, Kontrolle 0,06 1 R.t.-pTkt pTkt 1,63 27,2 R.t.-pTkt-Tal pTkt-Tal 1,47 24,5 R.t.-pTkt-pTal pTkt + pTal-tet 1,58 26,3 Tabelle 3: Enzymaktivität rekombinanter, Transaldolase überexprimierender R. terrigena Stämme Stamm Konstrukt Transaldolase (U/mg) relative Aktivität R.t.-pKKj pKKj, Kontrolle 0,12 1 R.t.-pTal-tet pTal-tet 2,94 24,5 R.t.-pTkt-Tal pTkt-Tal 2,27 18,9 R.t.-pTkt-pTal pTkt + pTal-tet 2,51 20.9 The enzyme activities determined under measurement conditions are listed in Tables 2 and 3. Table 2: Enzyme activity of recombinant, transketolase overexpressing R. terrigena strains tribe construct Transketolase (U / mg) relative activity Rt-pKKj pKKj, control 0.06 1 Rt-PTKT PTKT 1.63 27.2 Rt-PTKT Valley PTKT Valley 1.47 24.5 Rt-PTKT-ptal pTkt + pTal-tet 1.58 26.3 Table 3: Enzyme activity of recombinant, transaldolase overexpressing R. terrigena strains tribe construct Transaldolase (U / mg) relative activity Rt-pKKj pKKj, control 0.12 1 Rt-ptal-tet ptal-tet 2.94 24.5 Rt-PTKT Valley PTKT Valley 2.27 18.9 Rt-PTKT-ptal pTkt + pTal-tet 2.51 20.9

Wie in den Tabellen 2 und 3 angegeben, wird die Transketolaseaktivität in rekombinanten R. terrigena Stämmen durch Überexpression um den Faktor 24,5–27,2 erhöht, die Transaldolaseaktivität in rekombinanten R. terrigena Stämmen um den Faktor 18,9–24,5.As shown in Tables 2 and 3, transketolase activity in recombinant R. terrigena strains is increased by a factor of 24.5-27.2 by overexpression, transaldolytic activity in recombinant R. terrigena strains is increased by a factor of 18.9-24.5 ,

4. Beispiel: Vergleichende Schüttelkolbenanzucht rekombinanter R. terrigena Stämme mit Glucose und Xylose als C-QuelleExample 4: Comparative shake flask culture of recombinant R. terrigena strains with glucose and xylose as C source

Die Kultivierung der Stämme R.t.-pKKj, R.t.-pTkt und R.t.-pTal erfolgte wie im 3. Beispiel beschrieben. Kulturmedien (siehe 2. Beispiel) waren jeweils FM2-G-amp (Glucosemedium), bzw. FM2-X-amp (Xylosemedium). Die Kultivierungsdauer betrug 96 h. Dabei wurden die Glucose- und Xylosekonzentration in Abständen von 24 h bestimmt (Analysator 7100MBS der Fa. YSI, ausgerüstet mit Messstationen sowohl für Glucose wie für Xylose) und Glucose, bzw. Xylose bei Bedarf aus 40% (w/v) Stocklösungen nachgefüttert. In Abständen von 24 h wurden Proben auf ihren Gehalt an C4- und C2-Produkten untersucht. Die Produktionsverläufe für die C-Quelle Glucose sind in Tabelle 4, für die C-Quelle Xylose in Tabelle 5 dargestellt. Tabelle 4: Produktionsverlauf in rekombinanten Raoultella terrigena Stämmen mit Glucose als C-Quelle Zeit (h) Produkt R.t.-pKKj (g/l) R.t.-pTkt (g/l) R.t.-pTal (g/l) 48 2,3-BDL 26,4 21,0 29,0 Acetoin 6,8 7.5 5,2 Acetat 2,0 1,8 1,7 Ethanol 4,0 2,8 4,2 72 2,3-BDL 43,5 37,0 39,5 Acetoin 8,1 7,5 6,9 Acetat 2,4 2,0 2,1 Ethanol 5,2 3,7 5,0 96 2,3-BDL 57,1 57,2 50,8 Acetoin 7,6 6,4 6,9 Acetat 2,3 2,0 2,1 Ethanol 6,1 5,0 5,7 Tabelle 5: Produktionsverlauf in rekombinanten Raoultella terrigena Stämmen mit Xylose als C-Quelle Zeit (h) Produkt R.t.-pKKj (g/l) R.t.-pTkt (g/l) R.t.-pTal (g/l) 48 2,3-BDL 25,0 24,2 24,1 Acetoin 3,3 4,5 3,1 Acetat 3,5 3,8 2,9 Ethanol 3,6 3,9 3,7 72 2,3-BDL 26,8 26,7 28,6 Acetoin 3,9 5,1 4,2 Acetat 5,0 5,1 4,8 Ethanol 3,3 3,2 3,5 96 2,3-BDL 26,1 26,6 25,1 Acetoin 4,5 5,7 6,4 Acetat 5,3 5,9 5,4 Ethanol 3,0 3,0 3,1 The cultivation of the strains Rt-pKKj, Rt-pTkt and Rt-pTal was carried out as described in Example 3. Culture media (see Example 2) were each FM2-G-amp (glucose medium), or FM2-X-amp (xylose medium). The culture time was 96 h. The glucose and xylose concentrations were determined at intervals of 24 h (analyzer 7100MBS from YSI, equipped with measuring stations for both glucose and xylose) and glucose, or xylose, if necessary, from 40% (w / v) stock solutions. At intervals of 24 h samples were examined for their content of C4 and C2 products. The production curves for the C source glucose are shown in Table 4, for the C source xylose in Table 5. Table 4: Production process in recombinant Raoultella terrigena strains with glucose as C source Time (h) product Rt-pKKj (g / l) Rt-ptkt (g / l) Rt-pTal (g / l) 48 2,3-BDL 26.4 21.0 29.0 acetoin 6.8 7.5 5.2 acetate 2.0 1.8 1.7 ethanol 4.0 2.8 4.2 72 2,3-BDL 43.5 37.0 39.5 acetoin 8.1 7.5 6.9 acetate 2.4 2.0 2.1 ethanol 5.2 3.7 5.0 96 2,3-BDL 57.1 57.2 50.8 acetoin 7.6 6.4 6.9 acetate 2.3 2.0 2.1 ethanol 6.1 5.0 5.7 Table 5: Production process in recombinant Raoultella terrigena strains with xylose as C source Time (h) product Rt-pKKj (g / l) Rt-ptkt (g / l) Rt-pTal (g / l) 48 2,3-BDL 25.0 24.2 24.1 acetoin 3.3 4.5 3.1 acetate 3.5 3.8 2.9 ethanol 3.6 3.9 3.7 72 2,3-BDL 26.8 26.7 28.6 acetoin 3.9 5.1 4.2 acetate 5.0 5.1 4.8 ethanol 3.3 3.2 3.5 96 2,3-BDL 26.1 26.6 25.1 acetoin 4.5 5.7 6.4 acetate 5.3 5.9 5.4 ethanol 3.0 3.0 3.1

Wie aus den Tabellen 4 und 5 ersichtlich, resultierte die alleinige Überexpression des Transketolase Gens wie auch des Transaldolase Gens in keiner signifikanten Veränderung des Spektrums an C4-Produkten (2,3-Butandiol und Acetoin) sowie an C2-Produkten (Acetat und Ethanol). Dies war unabhängig davon, welche C-Quelle verwendet wurde. Xylose als C-Quelle führte in der Schüttelkolbenanzucht jedoch zu deutlich niedrigeren Ausbeuten an C4-Produkten, insbesondere von 2,3-Butandiol, als Glucose (siehe auch 2. Beispiel).As can be seen from Tables 4 and 5, the sole overexpression of the transketolase gene as well as the transaldolase gene resulted in no significant change in the spectrum of C4 products (2,3-butanediol and acetoin) and C2 products (acetate and ethanol) , This was independent of which C source was used. However, xylose as a C source in shake flask cultivation resulted in significantly lower yields of C4 products, in particular of 2,3-butanediol, than glucose (see also Example 2).

5. Beispiel: Schüttelkolbenanzucht des rekombinanten R. terrigena Stammes R.t.-pTkt-Tal mit Glucose und Xylose als C-Quelle5. Example: Shake flask culture of the recombinant R. terrigena strain R.t. pTkt valley with glucose and xylose as C source

Die Kultivierung der Stämme R.t.-pKKj und R.t.-pTkt-Tal (Operon Konstrukt, siehe 1. Beispiel) erfolgte wie im 4. Beispiel beschrieben. Kulturmedien (2. Beispiel) waren jeweils FM2-G-amp (Glucosemedium), bzw. FM2-X-amp (Xylosemedium). Die Kultivierungsdauer betrug 96 h. Dabei wurden die Glucose- und Xylosekonzentration in Abständen von 24 h bestimmt (Analysator 7100MBS der Fa. YSI, ausgerüstet mit Messstationen sowohl für Glucose wie für Xylose) und Glucose, bzw. Xylose bei Bedarf aus 40% (w/v) Stocklösungen nachgefüttert. In Abständen von 24 h wurden Proben auf ihren Gehalt an C4- und C2-Produkten untersucht. Die Produktionsverläufe sowohl für die C-Quelle Glucose wie für Xylose sind in Tabelle 6 dargestellt. Tabelle 6: Produktionsverlauf der rekombinanten Raoultella terrigena Stämme R.t.-pKKj und R.t.-pTkt-Tal mit Glucose, bzw. Xylose als C-Quelle C-Quelle Glucose Xylose Zeit (h) Produkt R.t.-pKKj (g/l) R.t.-pTkt-Tal (g/l) R.t.-pKKj (g/l) R.t.-pTkt-Tal (g/l) 48 2,3-BDL 26,6 25,9 20,9 18,5 Acetoin 6,1 7,6 2,2 4,8 Acetat 2,2 2,4 3,1 2,4 Ethanol 3,3 3,2 3,7 3,4 72 2,3-BDL 38,5 38,9 25,2 29,2 Acetoin 9,1 9,1 3,4 3,7 Acetat 2,3 2,6 4,2 3,9 Ethanol 4,0 4,0 4,0 3,3 96 2,3-BDL 50,8 49,1 28,2 37,7 Acetoin 9,3 10,1 3,8 3,9 Acetat 2,6 2,6 4,6 4,1 Ethanol 4,7 4,8 3,6 3,3 The cultivation of the strains Rt-pKKj and Rt-pTkt-Tal (Operon construct, see Example 1) was carried out as described in Example 4. Culture media (Example 2) were FM2-G-amp (glucose medium) and FM2-X-amp (xylose medium), respectively. The culture time was 96 h. The glucose and xylose concentrations were determined at intervals of 24 h (analyzer 7100MBS from YSI, equipped with measuring stations for both glucose and xylose) and glucose, or xylose, if necessary, from 40% (w / v) stock solutions. At intervals of 24 h samples were examined for their content of C4 and C2 products. The production curves for both the C source glucose and xylose are shown in Table 6. Table 6: Production process of the recombinant Raoultella terrigena strains Rt-pKKj and Rt-pTkt-valley with glucose, or xylose as C source C source glucose xylose Time (h) product Rt-pKKj (g / l) Rt-ptkt valley (g / l) Rt-pKKj (g / l) Rt-ptkt valley (g / l) 48 2,3-BDL 26.6 25.9 20.9 18.5 acetoin 6.1 7.6 2.2 4.8 acetate 2.2 2.4 3.1 2.4 ethanol 3.3 3.2 3.7 3.4 72 2,3-BDL 38.5 38.9 25.2 29.2 acetoin 9.1 9.1 3.4 3.7 acetate 2.3 2.6 4.2 3.9 ethanol 4.0 4.0 4.0 3.3 96 2,3-BDL 50.8 49.1 28.2 37.7 acetoin 9.3 10.1 3.8 3.9 acetate 2.6 2.6 4.6 4.1 ethanol 4.7 4.8 3.6 3.3

Wie in Tabelle 6 dargestellt, waren die Ausbeuten an C4- und C2-Produkten des Transketolase und Transaldolase gleichzeitig rekombinant produzierenden Stammes R.t.-pTkt-Tal vergleichbar mit dem Kontrollstamm R.t.-pKKj, sofern Glucose als C-Quelle verwendet wurde. Wurde hingegen Xylose als C-Quelle verwendet war im Ansatz mit Stamm R.t.-pTkt-Tal, in dem gleichzeitig die Gene der Transketolase und Transaldolase überexprimiert wurden (Operonkonstrukt), eine signifikante Steigerung der 2,3-Butandiol Ausbeute von 30 bis 40% gegenüber dem Kontrollstamm R.t.-pKKj zu beobachten. Diese unerwartete Steigerung war besonders ausgeprägt für die 2,3-Butandiol Produktion, da die Ausbeuten der anderen Produkte, Acetoin, Acetat und Ethanol unter diesen Bedingungen kaum verändert waren.As shown in Table 6, the yields of C4 and C2 products of the transketolase and transaldolase were simultaneously recombinantly producing strain R.t. pTkt valley comparable to the control strain R.t.-pKKj, if glucose was used as C source. On the other hand, when xylose was used as the C source, the strain Rt-pTkt-Tal, in which the transketolase and transaldolase genes were overexpressed simultaneously (operon construct), faced a significant increase in the 2,3-butanediol yield of 30 to 40% to observe the control strain Rt-pKKj. This unexpected increase was particularly pronounced for 2,3-butanediol production as the yields of the other products, acetoin, acetate and ethanol, were barely altered under these conditions.

6. Beispiel:6th example:

Produktion von C4- und C2-Verbindungen mit Transketolase und Transaldolase überexprimierenden R. terrigena Stämmen durch Fed-Batch Fermentation mit Xylose als C-QuelleProduction of C4 and C2 compounds with transketolase and transaldolase overexpressing R. terrigena strains by fed-batch fermentation with xylose as C source

Die Fermentation erfolgte wie im 2. Beispiel beschrieben. In der Fermentation eingesetzte Stämme waren die im 3. Beispiel beschriebenen R.t.-pKKj (Kontrollstamm), R.t.-pTkt (Transketolasestamm) und R.t.-pTal (Transaldolasestamm). Batch-Fermentationsmedium war das im 2. Beispiel beschriebene FM2-X-amp Medium.The fermentation was carried out as described in Example 2. Strains used in the fermentation were the R.t. pKKj (control strain) described in Example 3, R.t. pTkt (transketola strain) and R.t. pTal (transaldolas strain). Batch fermentation medium was the FM2-X-amp medium described in Example 2.

1,35 l des FM2-X-amp Mediums wurden mit 150 ml Vorkultur beimpft. Die Vorkultur der zu fermentierenden Stämme wurde durch 24 h Schüttelkolbenanzucht in Glucose enthaltendem FM2-G-amp hergestellt (siehe 2. Beispiel). Die Fermentationsbedingungen waren: Temperatur 30°C, Rührerdrehzahl 1000 rpm, Belüftung mit 1 vvm, pH 6,3.1.35 l of FM2-X-amp medium was inoculated with 150 ml of preculture. The preculture of the strains to be fermented was prepared by 24 h shake flask growing in glucose-containing FM2-G-amp (see Example 2). The fermentation conditions were: temperature 30 ° C, stirrer speed 1000 rpm, aeration with 1 vvm, pH 6.3.

Nachdem die im Batchmedium vorgelegte Xylose verbraucht war, wurde über eine Pumpe (peristaltische Pumpe 101 U/R der Fa. Watson Marlow) eine 75% (w/v) Xylose Feedlösung zugefüttert. Die Fütterungsgeschwindigkeit wurde dabei von der aktuellen Xylose Verbrauchsrate bestimmt.After the xylose present in the batch medium had been consumed, a 75% (w / v) xylose feed solution was fed in via a pump (Watson Marlow peristaltic pump 101 U / R). The feeding rate was determined by the current xylose consumption rate.

Tabelle 7 zeigt die zeitabhängige Bildung von C2- und C4-Produkten im R. terrigena Kontrollstamm R.t.-pKKj und in den rekombinanten, Transketolase, bzw. Transaldolase überproduzierenden Raoultella terrigena Stämmen R.t.-pTkt, bzw. R.t.-pTal. Tabelle 7: Produktionsverlauf rekombinanter R. terrigena Stämme in der Fed-Batch Fermentation mit Xylose als C-Quelle Zeit (h) Produkt R.t.-pKKj (g/l) R.t.-pTkt (g/l) R.t.-pTal (g/l) 24 2,3-BDL 46,4 45,56 38,3 Acetoin 8,0 7,3 8,2 Acetat 11,9 7,3 10,3 Ethanol 3,2 1,4 0,0 48 2,3-BDL 59,7 53,8 52,7 Acetoin 17,1 21,4 12,4 Acetat 22,1 11,7 12,0 Ethanol 1,4 1,3 1,0 72 2,3-BDL 60,6 61,2 55,1 Acetoin 18,9 17,6 13,9 Acetat 29,9 16,3 15,2 Ethanol 1,9 2,1 1,5 Table 7 shows the time-dependent formation of C2 and C4 products in the R. terrigena control strain Rt-pKKj and in the recombinant, transketolase or transaldolase overproducing Raoultella terrigena strains Rt-pTkt, or Rt-pTal. Table 7: Production process of recombinant R. terrigena strains in fed-batch fermentation with xylose as C source Time (h) product Rt-pKKj (g / l) Rt-ptkt (g / l) Rt-pTal (g / l) 24 2,3-BDL 46.4 45.56 38.3 acetoin 8.0 7.3 8.2 acetate 11.9 7.3 10.3 ethanol 3.2 1.4 0.0 48 2,3-BDL 59.7 53.8 52.7 acetoin 17.1 21.4 12.4 acetate 22.1 11.7 12.0 ethanol 1.4 1.3 1.0 72 2,3-BDL 60.6 61.2 55.1 acetoin 18.9 17.6 13.9 acetate 29.9 16.3 15.2 ethanol 1.9 2.1 1.5

Wie bereits in den Schüttelkolbenexperimenten beobachtet (4. Beispiel), führte die alleinige Überexpression des Transketolase- bzw. Tansaldolase Gens zu keiner signifikanten Veränderung des Produktspektrums. Durch alleinige Überexpression der Transketolase, bzw. Transaldolase konnte die Ausbeute an 2,3-Butandiol oder der anderen Produkte nicht signifikant verbessert werden. Im Gegenteil wurde die Produktausbeute im Transaldolase überexprimierenden Stamm R.t.-pTal eher verringert.As already observed in the shake flask experiments (Example 4), the sole overexpression of the transketolase or tansaldolase gene did not lead to a significant change in the product spectrum. By sole overexpression of the transketolase or transaldolase, the yield of 2,3-butanediol or the other products could not be significantly improved. On the contrary, the product yield in the transaldolase overexpressing strain R.t. pTal was rather reduced.

7. Beispiel:7. Example:

Produktion von C4- und C2-Verbindungen mit den gleichzeitig Transketolase und Transaldolase überexprimierenden rekombinanten R. terrigena Stämmen R.t.-pTkt-pTal und R.t.-pTkt-Tal durch Fed-Batch Fermentation mit Xylose als C-QuelleProduction of C4 and C2 compounds with transketolase and transaldolase overexpressing recombinant R. terrigena strains R.t. pTkt-pTal and R.t. pTkt valley by fed-batch fermentation with xylose as C source

Die Fed-Batch Fermentation der Stämme R.t.-pTkt-pTal und R.t.-pTkt-Tal mit Xylose als C-Quelle wurde durchgeführt wie im 6. Beispiel beschrieben. Als Kontrollstamm wurde R.t.-pKKj verwendet. Die Herstellung der verwendeten rekombinanten Stämme wurde im 3. Beispiel beschrieben. Vorkultur (FM2-G-amp) und Batchmedium (FM2-X-amp) der Stämme R.t.-pKKj und R.t.-pTkt-Tal enthielten Ampicillin (siehe 3. Beispiel). Vorkultur (FM2-G-tet+amp) und Batchmedium (FM2-X-tet+amp) bei der Fermentation des mit den beiden Plasmiden pTkt und pTal-tet transformierten Stammes R.t.-pTkt-pTal enthielten sowohl Ampicillin und Tetracyclin (siehe 3. Beispiel).Fed-batch fermentation of strains R.t. pTkt-pTal and R.t.-pTkt valley with xylose as C source was performed as described in Example 6. The control strain used was R.t. pKKj. The preparation of the recombinant strains used was described in Example 3. Precult (FM2-G-amp) and Batch (FM2-X-amp) strains of the strains R.t. pKKj and R.t. pTkt-Tal contained ampicillin (see Example 3). Precult culture (FM2-G-tet + amp) and batch medium (FM2-X-tet + amp) in the fermentation of the strain Rt-pTkt-pTal transformed with the two plasmids pTkt and pTal-tet contained both ampicillin and tetracycline (see FIG. Example).

Tabelle 8 zeigt die zeitabhängige Bildung von C2- und C4-Produkten im R. terrigena Kontrollstamm R.t.-pKKj und in den rekombinanten, gleichzeitig Transketolase und Transaldolase überproduzierenden Raoultella terrigena Stämmen R.t.-pTkt-pTal und R.t.-pTkt-Tal. Tabelle 8 Produktionsverlauf der rekombinanten R. terrigena Stämme R.t.-pTkt-pTal und R.t.-pTkt-Tal in der Fed-Batch Fermentation mit Xylose als C-Quelle Zeit (h) Produkt R.t.-pKKj (g/l) R.t.-pTkt-pTal (g/l) R.t.-pTkt-Tal (g/l) 24 2,3-BDL 44,6 43,8 58,8 Acetoin 13,1 6,9 4,5 Acetat 9,1 7,0 6,8 Ethanol 2,2 2,4 2,9 48 2,3-BDL 56,7 69,7 68,8 Acetoin 14,2 16,0 13,3 Acetat 13,2 3,2 10,2 Ethanol 1,9 2,2 2,6 72 2,3-BDL 57,5 104,1 89 Acetoin 21,3 10,1 15,9 Acetat 28,3 4,7 19,5 Ethanol 2,0 2,2 1,6 Table 8 shows the time dependent formation of C2 and C4 products in the R. terrigena control strain Rt-pKKj and in the recombinant, transketolase and transaldolase overproducing Raoultella terrigena strains Rt-pTkt-pTal and Rt-pTkt-Tal. Table 8 Production history of the recombinant R. terrigena strains Rt-pTkt-pTal and Rt-pTkt-valley in fed-batch fermentation with xylose as C source Time (h) product Rt-pKKj (g / l) Rt-pTkt-pTal (g / l) Rt-ptkt valley (g / l) 24 2,3-BDL 44.6 43.8 58.8 acetoin 13.1 6.9 4.5 acetate 9.1 7.0 6.8 ethanol 2.2 2.4 2.9 48 2,3-BDL 56.7 69.7 68.8 acetoin 14.2 16.0 13.3 acetate 13.2 3.2 10.2 ethanol 1.9 2.2 2.6 72 2,3-BDL 57.5 104.1 89 acetoin 21.3 10.1 15.9 acetate 28.3 4.7 19.5 ethanol 2.0 2.2 1.6

Im Gegensatz zu den rekombinanten Stämmen R.t.-pTkt und R.t.-pTal, in denen jeweils nur eines der beiden Gene überexprimiert war (6. Beispiel), zeichneten sich die erfindungsgemäßen Stämme R.t.-pTkt-pTal und R.t.-pTkt-Tal, in denen sowohl das Transketolase- und das Transaldolase Gen überexprimiert wurden, bei der Fermentation mit Xylose als C-Quelle durch eine signifikant verbesserte C4-Produktion aus. Dabei betrug, speziell bezogen auf 2,3-Butandiol, die Steigerung gegenüber dem Kontrollstamm R.t.-pKKj für den Stamm R.t.-pTkt-Tal 54% und für den Stamm R.t.-pTkt-pTal 80%. Bezogen auf die Summe der C4-Produkte Acetoin und 2,3-Butandiol betrug die Steigerung gegenüber dem Kontrollstamm R.t.-pKKj für den Stamm R.t.-pTkt-Tal 33% und für den Stamm R.t.-pTkt-pTal 45%. Diacetyl konnte bei keinem der Stämme nachgewiesen werden. Neben der absoluten Ausbeute wurde auch die Raum-Zeitausbeute für die C4-Produkte (Summe von 2,3-Butandiol und Acetoin) signifikant verbessert, und zwar (nach 72 h Fermentationsdauer) von 1,09 gl–1h–1 für den Kontrollstamm R.t.-pKKj auf 1,49 gl–1h–1 für den Stamm R.t.-pTkt-pTal sowie 1,46 gl–1h–1 für den Stamm R.t.-pTkt-Tal. Demgemäß zeichnen sich die erfindungsgemäßen Stämme nicht nur durch eine deutlich verbesserte C4-Produktivität gegenüber dem Kontrollstamm R.t.-pkkj aus, sondern sind auch signifikant verbessert gegenüber dem bei Yu and Saddler, Appl. Environ. Microbiol. (1983) 46: 630–635 offenbarten Stand der Technik (ca. 0,6 gl–1h–1, wie dort aus 3 und 4 entnommen).In contrast to the recombinant strains Rt-pTkt and Rt-pTal, in each of which only one of the two genes was overexpressed (Example 6), the strains according to the invention characterized Rt-pTkt-pTal and Rt-pTkt-Tal, in which both the transketolase and the transaldolase gene were overexpressed in the fermentation with xylose as C source by a significantly improved C4 production. The increase compared to the control strain Rt-pKKj for the strain Rt-pTkt-Tal was 54% and for the strain Rt-pTkt-pTal 80%, especially with respect to 2,3-butanediol. Based on the sum of the C4 products acetoin and 2,3-butanediol, the increase compared with the control strain Rt-pKKj was 33% for the strain Rt-pTkt-Tal and 45% for the strain Rt-pTkt-pTal. Diacetyl could not be detected in any of the strains. In addition to the absolute yield, the space-time yield for the C4 products (sum of 2,3-butanediol and acetoin) was significantly improved (after 72 h fermentation period) of 1.09 gl -1 h -1 for the control strain Rt-pKKj to 1.49 gl -1 h -1 for strain Rt-pTkt-pTal and 1.46 gl -1 h -1 for strain Rt-pTkt-Tal. Accordingly, the strains according to the invention are distinguished not only by a markedly improved C4 productivity over the control strain Rt-pkkj, but are also significantly improved over that at Yu and Saddler, Appl. Environ. Microbiol. (1983) 46: 630-635 disclosed prior art (about 0.6 gl -1 h -1 , as out there 3 and 4 removed).

Weiterhin wurde in der Fermentation die Produktion des Nebenprodukts Acetat deutlich reduziert, und zwar um 31% für den Stamm R.t.-pTkt-Tal und um 83% für den Stamm R.t.-pTkt-pTal.Furthermore, in the fermentation, the production of the by-product acetate was significantly reduced by 31% for the strain R.t. pTkt-Tal and by 83% for the strain R.t.-pTkt-pTal.

Aus Tabelle 8 geht also hervor, dass sich das Spektrum der C4 und C2-Produktion durch die gleichzeitige Überexpression der Transketolase- und Transaldolase Gene in den Stämmen R.t.-pTkt-pTal und R.t.-pTkt-Tal verändert, wodurch sich der Anteil des 2,3-Butandiols an der Gesamtproduktion (Summe der C2- und C4-Produkte) von 52,7% für den Kontrollstamm R.t.-pKKj auf 86% für den Stamm R.t.-pTkt-pTal, bzw. 70,6% für den Stamm R.t.-pTkt-Tal erhöht. Die erfindungsgemäßen Produktionsstämme zeichnen sich somit nicht nur durch eine insgesamt höhere C4-Produktion aus, sondern auch durch einen höheren Anteil des 2,3-Butandiols an der Gesamtmenge produzierter C2- und C4-Verbindungen (Selektivität).Table 8 thus shows that the spectrum of C4 and C2 production is altered by the simultaneous overexpression of the transketolase and transaldolase genes in the strains Rt-pTkt-pTal and Rt-pTkt-Tal, whereby the proportion of 2, 3-butanediols in total production (sum of C2 and C4 products) from 52.7% for the control strain Rt-pKKj to 86% for the strain Rt-pTkt-pTal, and 70.6% for the strain Rt- ptkt valley increased. The production strains according to the invention are thus distinguished not only by an overall higher C4 production, but also by a higher proportion of 2,3-butanediol in the total amount of C2 and C4 compounds produced (selectivity).

Diese überraschende Verschiebung des Produktspektrums zugunsten von 2,3-Butandiol bei der Fermentation von Xylose ist unerwartet, da einerseits die jeweilige Überexpression von Tansketolase und Transaldolase alleine keinen Einfluss auf die 2,3-Butandiol Produktion hatte (6. Beispiel) und nach dem Stand der Technik für andere Mikroorganismen ( US 7998722 und US 8034591 ) mindestens noch zusätzlich zwei weitere Gene überexprimiert werden mussten, um die Xyloseverwertung in diesen Stämmen zu verbessern und die Produktion von Ethanol zu steigern.This surprising shift of the product spectrum in favor of 2,3-butanediol in the fermentation of xylose is unexpected, since on the one hand the respective overexpression of tansketolase and transaldolase alone had no influence on the 2,3-butanediol production (6th example) and the state the technique for other microorganisms ( US 7998722 and US 8034591 ) at least two additional genes had to be overexpressed in order to improve the xylose utilization in these strains and to increase the production of ethanol.

Weiterhin war überraschend, dass es sich bei der Transketolase und Transaldolase um zwei Enzyme des Pentosephosphatwegs handelt, welche an der Verstoffwechslung der C-Quelle Xylose beteiligt sind und von denen ein direkter Einfluss auf die Biosynthese von 2,3-Butandiol nicht erwartet wurde. Ausgangspunkt der 2,3-Butandiol Biosynthese ist Pyruvat, das Endprodukt der Glykolyse. Pyruvat ist ebenfalls die Ausgangsverbindung für die anderen Produkte Acetoin, Acetat und Ethanol, sodass ein denkbarer direkter Einfluss der Transketolase- und Transaldolase Überexpression auf die Verfügbarkeit von Pyruvat auch die Produktion dieser Verbindungen beeinflusst haben müsste. Dies wurde nicht beobachtet, sodass die gleichzeitige Überexpression der Transketolase- und Transaldolase Gene in den Produktionsstämmen R.t.-pTkt-pTal und R.t.-pTkt-Tal bei der Fed-Batch Fermentation mit der C-Quelle Xylose selektiv die Produktion von 2,3-Butandiol verbesserte.Furthermore, it was surprising that the transketolase and transaldolase are two enzymes of the pentose phosphate pathway, which are involved in the metabolism of the C source xylose and of which a direct effect on the biosynthesis of 2,3-butanediol was not expected. The starting point of 2,3-butanediol biosynthesis is pyruvate, the end product of glycolysis. Pyruvate is also the starting material for the other products acetoin, acetate and ethanol, so any conceivable direct influence of transketolase and transaldolase overexpression on the availability of pyruvate would also have affected the production of these compounds. This was not observed, so that the concomitant overexpression of the transketolase and transaldolase genes in the Rt-pTkt-pTal and Rt-pTkt-Tal production strains in fed-batch fermentation with the C-source xylose selectively inhibits the production of 2,3-butanediol improved.

8. Beispiel: Fermentation mit der C-Quelle Xylose im 330 l MaßstabExample 8: Fermentation with the C source xylose in 330 l scale

Fermentiert wurde der Stamm Raoultella terrigena R.t.-pTkt-pTal, der sowohl den Transketolase Expressionsvektor pTkt sowie den Transaldolase Expressionsvektor pTal-tet enthielt (siehe 3. und 7. Beispiel).The strain Raoultella terrigena R.t. pTkt-pTal, which contained both the transketolase expression vector pTkt and the transaldolase expression vector pTal-tet, was fermented (see Examples 3 and 7).

Herstellung eines Inokulums für den Vorfermenter: Ein Inokulum von R.t.-pTkt-pTal in LBtet+amp Medium (LB Medium, das zusätzlich 15 mg/l Tetracyclin und 200 mg/l Ampicillin enthielt) wurde hergestellt, indem 2 × 100 ml LBtet+amp Medium, jeweils in einem 1 l Erlenmeyerkolben, mit jeweils 0,25 ml einer Glycerinkultur (Über-Nacht Kultur des Stammes in LBtet+amp Medium, mit Glycerin in einer Endkonzentration von 20% v/v versetzt und bei –20°C aufbewahrt) beimpft wurden. Die Anzucht erfolgte für 7 h bei 30°C und 120 rpm auf einem Infors Orbitalschüttler (Zelldichte OD600/ml von 0,5–2,5). 100 ml der Vorkultur wurden zum Beimpfen von 8 l Fermentermedium verwendet. Beimpft wurden zwei Vorfermenter mit je 8 l Fermentermedium. Preparation of inoculum for the pre-fermenter: An inoculum of Rt-pTkt-pTal in LBtet + amp medium (LB medium containing additionally 15 mg / l tetracycline and 200 mg / l ampicillin) was prepared by adding 2x100 ml LBtet + amp Medium, in each case in a 1 l Erlenmeyer flask, each with 0.25 ml of a glycerol culture (overnight culture of the strain in LBtet + amp medium, mixed with glycerol in a final concentration of 20% v / v and stored at -20 ° C) were inoculated. Cultivation was carried out for 7 h at 30 ° C. and 120 rpm on an infus orbital shaker (cell density OD 600 / ml of 0.5-2.5). 100 ml of the preculture were used to inoculate 8 liters of fermentation medium. Two pre-fermenters were inoculated with 8 l fermentation medium each.

Vorfermenter: Die Fermentation wurde in zwei Biostat® C-DCU 3 Fermentern der Firma Sartorius BBI Systems GmbH durchgeführt. Fermentationsmedium war FM2-G-tet+amp (siehe 3. Beispiel). Die Fermentation erfolgte im sog. Batch Modus.Prefermenters: The fermentation was performed three fermenters the company Sartorius BBI Systems GmbH in two Biostat ® C-DCU. Fermentation medium was FM2-G-tet + amp (see 3rd example). The fermentation took place in the so-called batch mode.

2 × 8 l FM2-G-tet+amp wurden mit je 100 ml Inokulum beimpft. Fermentationstemperatur war 30°C. pH der Fermentation war 6,3 und wurde mit den Korrekturmitteln 25% NH4OH, bzw. 6 N H3PO4 konstant gehalten. Die Belüftung erfolgte mit Pressluft bei einem konstanten Durchfluss von 1 vvm. Der Sauerstoffpartialdruck pO2 wurde auf 50% Sättigung eingestellt. Die Regulierung des Sauerstoffpartialdruckes erfolgte über die Rührgeschwindigkeit (Rührerdrehzahl 450–1.000 rpm). Zur Kontrolle der Schaumbildung wurde Struktol J673 (20–25% v/v in Wasser) verwendet. Nach 18 h Fermentationsdauer (Zelldichte OD600/ml von 30–40) wurden die beiden Vorfermenter als Inokulum für den Hauptfermenter verwendet.2 × 8 l FM2-G-tet + amp were inoculated with 100 ml of inoculum. Fermentation temperature was 30 ° C. pH of the fermentation was 6.3 and was kept constant with the correction agents 25% NH 4 OH, or 6 NH 3 PO 4 . Aeration was carried out with compressed air at a constant flow rate of 1 vvm. The oxygen partial pressure pO 2 was adjusted to 50% saturation. The regulation of the oxygen partial pressure was carried out via the stirring speed (stirrer speed 450-1,000 rpm). To control foaming, Struktol J673 (20-25% v / v in water) was used. After a fermentation time of 18 hours (cell density OD 600 / ml of 30-40), the two pre-fermenters were used as the inoculum for the main fermenter.

Hauptfermenter: Die Fermentation wurde in einem Biostat® D 500 Fermenter (Arbeitsvolumen 330 l, Kesselvolumen 500 l) der Firma Sartorius BBI Systems GmbH durchgeführt. Fermentationsmedium war FM2-X-tet+amp mit Xylose als C-Quelle (siehe 3. Beispiel). Die Fermentation erfolgte im sog. Fed-Batch Modus.Main fermentor: The fermentation was ® in a Biostat D 500 fermenter (working volume 330 l, vessel volume 500 l) of the company Sartorius BBI Systems GmbH performed. Fermentation medium was FM2-X-tet + amp with xylose as C source (see 3rd example). The fermentation took place in the so-called fed-batch mode.

180 l FM2-X-tet+amp wurden mit 16 l Inokulum beimpft. Fermentationstemperatur war 30°C. pH der Fermentation war 6,3 und wurde mit den Korrekturmitteln 25% NH4OH, bzw. 6 N H3PO4 konstant gehalten. Die Belüftung erfolgte mit Pressluft bei einem konstanten Durchfluss von 1 vvm, bezogen auf das Anfangsvolumen. Der Sauerstoffpartialdruck pO2 wurde auf 50% Sättigung eingestellt. Die Regulierung des Sauerstoffpartialdruckes erfolgte über die Rührgeschwindigkeit (Rührerdrehzahl 200–500 rpm). Zur Kontrolle der Schaumbildung wurde Struktol J673 (20–25% v/v in Wasser) verwendet. Im Verlauf der Fermentation wurde der Xyloseverbrauch durch off-line Xylose-Messung mit einem Analysator der Fe. YSI bestimmt (siehe 2. Beispiel). Sobald die Xylosekonzentration der Fermentationsansätze ca. 20 g/l betrug (8–10 h nach Inokulation), wurde die Zudosierung einer 75% w/v Xylose Feedlösung gestartet. Die Flussrate des Feeds wurde so gewählt, dass während der Produktionsphase eine Xylosekonzentration von 10–20 g/l eingehalten werden konnte. Nach Beendigung der Fermentation betrug das Volumen im Fermenter 300 l.180 l of FM2-X-tet + amp were inoculated with 16 l of inoculum. Fermentation temperature was 30 ° C. pH of the fermentation was 6.3 and was kept constant with the correction agents 25% NH 4 OH, or 6 NH 3 PO 4 . The aeration was carried out with compressed air at a constant flow of 1 vvm, based on the initial volume. The oxygen partial pressure pO 2 was adjusted to 50% saturation. The regulation of the oxygen partial pressure was carried out via the stirring speed (stirrer speed 200-500 rpm). To control foaming, Struktol J673 (20-25% v / v in water) was used. In the course of the fermentation, xylose consumption was measured by off-line xylose measurement with an Fe analyzer. YSI determined (see 2nd example). As soon as the xylose concentration of the fermentation mixtures was about 20 g / l (8-10 h after inoculation), the metered addition of a 75% w / v xylose feed solution was started. The flow rate of the feed was chosen so that a xylose concentration of 10-20 g / l could be maintained during the production phase. After completion of the fermentation, the volume in the fermenter was 300 l.

Die Analyse der Fermentationsparameter erfolgte wie im 2. Beispiel beschrieben. Der Produktionsverlauf ist in Tabelle 9 dargestellt. Tabelle 9 Produktion von 2,3-Butandiol durch Fed-Batch Fermentation im 330 l Maßstab Zeit (h) Produkt R.t.-pTkt-pTal (g/l) 24 2,3-BDL 59,9 Acetoin 8,4 Acetat 3,5 Ethanol 3,4 48 2,3-BDL 79,5 Acetoin 17,7 Acetat 3,8 Ethanol 2,2 72 2,3-BDL 91,5 Acetoin 20,7 Acetat 9,9 Ethanol 2,2 The analysis of the fermentation parameters was carried out as described in Example 2. The production process is shown in Table 9. Table 9 Production of 2,3-butanediol by fed-batch fermentation in 330 l scale Time (h) product Rt-pTkt-pTal (g / l) 24 2,3-BDL 59.9 acetoin 8.4 acetate 3.5 ethanol 3.4 48 2,3-BDL 79.5 acetoin 17.7 acetate 3.8 ethanol 2.2 72 2,3-BDL 91.5 acetoin 20.7 acetate 9.9 ethanol 2.2

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Claims (9)

Produktionsstamm zur fermentativen Herstellung von C4-Produkten der in der Lage ist als C-Quelle bei der Fermentation aus Lignozellulose-haltiger Biomasse und der daraus isolierbaren Hemicellulose gewonnene Zucker zu verwerten, herstellbar aus einem Ausgangsstamm, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstamm ein natürlicherweise zur 2,3-Butandiolproduktion befähigter Wildtypstamm ist und der Produktionsstamm gleichzeitig eine im Vergleich zum Ausgangsstamm verstärkte Expression eines Gens kodierend für eine Transketolase (EC 2.2.1.1) und eines Gens kodierend für eine Transaldolase (EC 2.2.1.2) aufweist.Production strain for the fermentative production of C4 products which is able to utilize as C source in the fermentation of lignocellulosic biomass and the hemicellulose isolable therefrom, producible from a parent strain, characterized in that the parent strain is a naturally 2 , 3-butanediol production is capable of wild-type strain and the production strain at the same time an increased compared to the parent strain expression of a gene encoding a transketolase (EC 2.2.1.1) and a gene encoding a transaldolase (EC 2.2.1.2). Produktionsstamm gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Ausgangsstamm der Gattung Raoultella, Klebsiella, Bacillus, Paenibacillus, Serratia oder Lactobacillus hergestellt wurde.Production strain according to claim 1, characterized in that it has been produced from an initial strain of the genus Raoultella, Klebsiella, Bacillus, Paenibacillus, Serratia or Lactobacillus. Produktionsstamm gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den C4-Produkten um 2,3-Butandiol, Acetoin oder Diacetyl handelt.Production strain according to Claim 1 or 2, characterized in that the C4 products are 2,3-butanediol, acetoin or diacetyl. Produktionsstamm gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem aus Lignozellulose-haltiger Biomasse und der daraus isolierbaren Hemicellulose gewonnenen Zucker um Pentosen (C5-Zucker), insbesondere bevorzugt um Xylose handelt.Production strain according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the sugar obtained from lignocellulose-containing biomass and the hemicellulose isolable therefrom are pentoses (C5-sugars), particularly preferably xylose. Produktionsstamm gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überexpression der Transketolase- und Transaldolasegene derart verstärkt ist, dass die Enzymaktivität der Transketolase und Transaldolase jeweils um mindestens den Faktor 2, bevorzugt um mindestens den Faktor 5 und insbesondere bevorzugt um mindestens den Faktor 10 im Vergleich zur Enzymaktivität im Ausgangsstamm erhöht ist.Production strain according to one of claims 1 to 4, characterized in that the overexpression of the transketolase and transaldolase genes is enhanced such that the enzyme activity of the transketolase and transaldolase in each case by at least a factor of 2, preferably by at least a factor of 5 and more preferably by at least the Factor 10 is increased compared to the enzyme activity in the parent strain. Produktionsstamm gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von Xylose als C-Quelle in der Fermentation oder der Anzucht im Schüttelkolben die Ausbeute der C4-Produkte 2,3-Butandiol und Acetoin, um mehr als 20% im Vergleich zum Ausgangsstamm gesteigert ist.Production strain according to one of claims 1 to 5, characterized in that when using xylose as the C source in the fermentation or the culture in the shaking flask, the yield of C4 products 2,3-butanediol and acetoin, by more than 20% in Comparison to the parent strain is increased. Verfahren zur Herstellung von C4-Produkten aus C5-Zuckern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Produktionsstamm gemäß Anspruch 1 bis 6 in einem Anzuchtmedium kultiviert wird.A process for the preparation of C4 products from C5 sugars, characterized in that a production strain according to claim 1 to 6 is cultivated in a cultivation medium. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kultivierung in einem pH-Bereich von pH 5 bis pH 8 und einem Temperaturbereich von 20°C bis 40°C und anaerob oder aerob mit einer Sauerstoffversorgung durch Eintrag von Pressluft oder reinem Sauerstoff erfolgt und eine Kultivierungsdauer zur C4-Produktion zwischen 10 h und 200 h vorliegt.A method according to claim 7, characterized in that a cultivation in a pH range of pH 5 to pH 8 and a temperature range of 20 ° C to 40 ° C and anaerobic or aerobic with an oxygen supply by entry of compressed air or pure oxygen takes place and a Cultivation period for C4 production between 10 h and 200 h is present. Verfahren gemäß Anspruch 7, oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kultivierung in einem Fermentationsvolumen grösser als 300 l erfolgt.A method according to claim 7, or 8, characterized in that a cultivation takes place in a fermentation volume greater than 300 liters.
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