Modern chemicals and materials, like plastics and synthetic fibers, are predominantly made from fossil fuels making unsustainable development. Bio-manufacturing is considered the key process of sustainable development. However, most bioproduction uses sugars, which is restricted by global carbon fixation. Studies of this thesis aims to develop the new carbon entrance to the biomass and explore new pathways to capture carbon from the atmosphere independent from photosynthesis. One-carbon compounds (C1), like methane, methanol, formate and formamide, are ideal alternative feedstocks for heterotroph organisms due to its easy acquisition and sustainable nature. Converting CO₂ into C1 feedstocks allows renewable energy to be captured and stored. Engineered organisms that use these C1 feedstocks to produce biomass and bioproducts offer a new method of carbon fixation. The role of the nitrogen network, essential for metabolism, is also considered. In chapter one, a novel, synthetic pathway enabling Escherichia coli to assimilate formaldehyde into biomass is reported. Based on the enzyme promiscuities, a synthetic erythrulose monophosphate (EuMP) cycle for formaldehyde assimilation that is based on a promiscuous dihydroxyacetone phosphate dependent aldolase as key enzyme was designed. In silico modeling reveals that this cycle is highly energy efficient and has the potential to allow fast growth and to generate high bioproduct yields. In chapter two, a platform for growth-coupled strategy to engineer an E. coli strain capable of producing ethylene glycol (EG) is established. Carbon sources provided by active reductive pentose bisphosphate cycle (known as Calvin–Benson–Bassham cycle, CBB cycle) capture carbon from atmosphere. In chapter three, formamide, as exploration of one-carbon feedstocks for microbes, which provides both carbon and nitrogen sources has been explored. Nitrogen metabolism networks are crucial for living organisms as well. In chapter four, a genetically engineered glutamate auxotroph strain of E. coli for analyzing the complex amination network was employed. Overall, this thesis provides an example for designing and realizing a synthetic formaldehyde assimilation pathway systematically. The EuMP cycle paves the way for future developments enabling growth solely on C1 feedstocks. Additionally, work established a CO2-dependent growth and EG production module, demonstrating the potential for converting CO2 into EG in vivo. Last but not least, formamide was introduced as a potential new C1 feedstock, enriching the diversity of substrates available for future biotechnological applications whilst exploring the nitrogen metabolism network.
Chemikalien und Materialien wie Kunststoffe und synthetische Fasern werden traditionell aus fossilen Rohstoffen hergestellt. Wegen der Umweltauswirkungen und des Ressourcenabbaus wächst das Interesse an erneuerbaren Quellen für eine umweltfreundlichere Produktion. Der Fokus liegt auf der Nutzung erneuerbarer Kohlenstoffquellen und der nachhaltigen Herstellung von Biokraftstoffen, Chemikalien und Biomasse, um fossile Brennstoffe zu ersetzen, den Klimawandel zu bekämpfen und die Nachhaltigkeit zu fördern. Bioproduktion ist ein Schlüsselprozess für nachhaltige Entwicklung. Die meisten biotechnologischen Prozesse nutzen jedoch Zucker, die auch für die Nahrungsmittelproduktion gebraucht werden und begrenzt verfügbar sind. Diese Studie untersucht neue Wege, um Kohlenstoff in Biomasse umzuwandeln und CO₂ zu binden. Ein-Kohlenstoff-Verbindungen (C1) wie Methan, Methanol und Formiat sind nachhaltige Kohlenstoffquellen, die aus CO₂ gewonnen werden können und sich gut für industrielle Anwendungen eignen. Da natürliche Organismen, die C1 nutzen können, nicht genetisch manipulierbar und industriell unpraktisch sind, werden genetisch optimierte Organismen mit synthetischer Biologie entwickelt, um diese Stoffe effizient zu verwerten. Im ersten Kapitel dieser Arbeit berichte ich über einen neuartigen synthetischen Weg, der es E. coli ermöglicht, Formaldehyd in Biomasse zu assimilieren. Basierend auf der Enzym-Promiskuität haben wir einen synthetischen Erythrulose-Monophosphat (EuMP)-Zyklus für die Formaldehyd-Assimilation entworfen, der auf der Dihydroxyacetonphosphat Aldolase als Schlüsselenzym basiert. Im zweiten Kapitel haben wir eine Plattform für eine wachstumskoppelte Strategie entwickelt, um einen E. coli-Stamm zu konstruieren, der Ethylenglykol (EG) produzieren kann. Die Kohlenstoffquellen werden durch den aktiven reduktiven Pentose-Bisphosphat-Zyklus (bekannt als Calvin-Benson-Bassham-Zyklus, CBB-Zyklus) bereitgestellt, der Kohlenstoff aus der Atmosphäre bindet. In Kapitel drei wird das Potenzial von Ein-Kohlenstoff-Ausgangsstoffen weiter untersucht, wobei das Augenmerk auf Formamid liegt. Das Stickstoffmetabolismus-Netzwerk ist entscheidend für die Synthese von Aminosäuren, Nukleotiden und mehr. In Kapitel vier verwendeten wir einen genetisch veränderten Glutamat-auxotrophen Stamm zur Analyse des komplexen Aminierungsnetzwerks. Insgesamt liefert unsere Studie ein Beispiel für die systematische Entwicklung und Umsetzung eines synthetischen Formaldehyd-Assimilationswegs. Der EuMP-Zyklus ebnet den Weg für zukünftige Entwicklungen, die ein Wachstum ausschließlich auf C1-Ausgangsstoffenermöglichen. Darüber hinaus haben wir ein CO₂-abhängiges Wachstums- und EG-Produktionsmodul etabliert, das das Potenzial zur Umwandlung von CO₂ in EG in vivo demonstriert. Schließlich haben wir Formamid als potenziellen neuen C1-Ausgangsstoff eingeführt, der die Vielfalt der Substrate für zukünftige biotechnologische Anwendungen erweitert, und das Stickstoffmetabolismus-Netzwerk untersucht.
