Inženýrství syntetických bakteriálních konsorcií pro utilizaci sacharidů z rostlinné biomasy

Mgr. Barbora Burýšková, Ph.D.

Disertační práce

Engineering of synthetic bacterial consortia for utilisation of plant biomass-derived carbohydrates

Anotace:

Abstrakt Rostlinná odpadní biomasa je alternativním zdrojem uhlíku a energie, který by mohl lidem umožnit opustit fosilní paliva jako primární hnací sílu ekonomiky. Mnoho výzkumných skupin se zabývá lignocelulózními biotechnologiemi ve snaze zajistit ekonomickou výhodnost přeměny biomasy z rostlinného odpadu. Cílem této práce bylo využít odolnou půdní saprofytickou bakterii Pseudomonas putida jako základ pro metabolické inženýrství a rozšířit její katabolické vlastnosti. Na základě předchozí práce byla asimilace D-glukózy (nativní substrát), D-xylózy a D-celobiózy (nenativní substráty) doplněna o nenativní asimilaci L-arabinózy a D-xylobiózy. Geny kódující enzymy pro katabolismus pentóz (D-xylóza a L-arabinóza) pocházejí z Escherichia coli, a geny kódující glykosidové hydrolázy pro štěpení disacharidů (D-celobióza a D-xylobióza) pocházejí z Thermobifida fusca. Racionální zásahy do metabolismu P. putida, následované adaptivní laboratorní evolucí, vedly ke zvýšení účinnosti asimilace pentózových cukrů. Kromě rozšíření řady lignocelulózových sacharidových substrátů, které bakterie může využívat, a zvýšení účinnosti jejich asimilace, byla také testována distribuce metabolických drah pro využití cukrů mezi několika kmeny. Bylo navrženo konsorcium dvou specializovaných kmenů, které spolupracující a sdílejí metabolickou zátěž zavedených nepůvodních metabolických drah. Práce prezentuje poznatky získané při vytváření této syntetické symbiózy. Dále naznačuje výzvy a příležitosti, které vyplývají z využití syntetické biologie v základním výzkumu a jejího využití v projektech zaměřených na aplikace v oblasti lignocelulózních biotechnologií. V závěrečné části práce je uveden přehled stavu syntetické biologie v České republice.

Abstract:

Abstract Plant waste biomass is an alternative carbon and energy source that could enable humans to move away from finite fossil fuels as the primary driver of their economy. Many research groups focus on lignocellulose biotechnology in an attempt to make the conversion of plant waste biomass cost-effective. In this thesis, the goal was to utilise the robust soil saprophyte Pseudomonas putida as a chassis for metabolic engineering and expand its catabolic properties. Building on previous work, assimilation of D-glucose (native substrate), D-xylose, and D-cellobiose (both non-native substrates) was appended by non-native assimilation of L-arabinose and D-xylobiose. The genes encoding enzymes for pentose catabolism (D-xylose and L-arabinose) originate from Escherichia coli, and genes encoding the glycoside hydrolases for disaccharide (D-cellobiose and D-xylobiose) cleavage originate from Thermobifida fusca. Rational interventions in the P. putida metabolism, followed by adaptive laboratory evolution, led to an increase in the assimilation efficiency of the pentose sugars. Besides developing the range of lignocellulosic carbohydrate substrates that the bacterium can utilise and increasing the efficiency of their assimilation, we also tested the distribution of sugar utilisation pathways between multiple strains. We designed a cooperating consortium of two specialised strains to share the metabolic burden of the introduced non-native pathways, and we share the lessons learned from establishing a synthetic symbiosis. The work hints at the challenges and opportunities that arise from applying synthetic biology in fundamental research and application-oriented projects, including the field of lignocellulose biotechnology. As its final part, the thesis contains a review of the state of synthetic biology in the Czech Republic.

Keywords

consortium, konsorcium, Pseudomonas putida, rostlinna biomasa, biomass, synthetic biology, synteticka biologie

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 22. 9. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 24. 10. 2025
• Vedoucí: doc. Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D.
• Oponent: Dr. Katharina Pflüger-Grau, doc. Ing. Barbora Branská, Ph.D.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Mikrobiologie / Mikrobiologie