Investigating anaerobic metabolism of Pseudomonas putida using bioelectrochemical cultivation

Abstract

Pseudomonas putida (P. putida) is a promising synthetic biology chassis for the chemical industry. Despite previous endeavours to adapt P. putida to anoxic conditions, the problem of energy shortage and internal redox imbalance persisted. This dissertation aims to elucidate different aspects of P. putida’s metabolism using bioelectro¬chemical system (BES). The cell’s carbon influx through specific carbon uptake routes in BES is much more limited, yet somewhat similar to aerobic conditions. The periplasmic oxidation cascade is able to oxidize a wide range of aldoses. Fructose oxidation in BES resulted in a redox ratio shift compared to glucose. A new pathway for fructose metabolism of P. putida in BES was uncovered. Protein expression in the central carbon metabolism as well as the electron transport chain are upregulated during the electrochemical experiment. Inhibiting membrane protein TonB provide a proof-of-concept of the role of this system in facilitating the removal of electrons. dt. Zsfassung

Das Bakterium Pseudomonas putida (P. putida) ist ein vielversprechender Chassis-Organismus für die chemische Industrie. Um den zellulären Energiemangel und das interne Redox-Ungleichgewicht in anoxischen Bedingungen besser zu verstehen, zielte diese Doktorarbeit darauf ab, verschiedene Aspekte des Stoffwechsels im bioelektrochemischen System (BES) von P. putida aufzuklären. Durch die Kultivierung verschiedener mutierter Stämme ähnelt spezifische Kohlenstoffaufnahmewege der unter aeroben Bedingungen, aber viel eingeschränkter. Die peri¬plasmatische Oxidationskaskade kann verschiedene Aldosen oxidieren. Im Vergleich mit Glucose führte die Fructoseoxidation zu einem änderten Redox-Verhältnis. Einen neuen Weg für den Fructosestoffwechsel ist dargestellt. Eine Hochregulierung der Protein¬expression im zentralen Metabolismus sowie der Elektronen-transportkette ist festgestellt. Die Hemmung des Membranproteins TonB zeigt prinzipiell, dass TonB eine Rolle bei dem Elektronentransfer spielen kann.