Ziel des C1Pro-Projekts war es, eine nachhaltige Plattform für die Herstellung wertvoller Zielprodukte aus Methanol zu schaffen, einem billigen und weithin verfügbaren Rohstoff, der sowohl aus fossilen als auch aus erneuerbaren Quellen gewonnen werden kann. Der gewählte Wirtsorganismus, das gram-positive, methylotrophe und thermophile Bakterium Bacillus methanolicus, kann auf Methanol bei 50-55 °C wachsen und wandelt auf natürliche Weise L-Glutamat und L-Lysin in eine Reihe nützlicher Verbindungen um. Vier Zielmoleküle wurden ausgewählt – γ-Aminobuttersäure (GABA), 5-Aminovaleriansäure (5AVA), L-Prolin (L-Pro) und L-Pipecolsäure (L-PA) – weil sie gemeinsame Biosynthesewege, funktionelle Eigenschaften und industrielle Anwendungen wie Polymervorstufen und pharmazeutische Zwischenprodukte haben.
Im ersten Arbeitspaket wurde eine Glutamat-Decarboxylase aus Sulfobacillus thermosulfidooxydans (gadSt) in B. methanolicus exprimiert und lieferte nach einem ersten Screening durch die slowenischen Partner einen GABA-Titer von 8,5 g L-¹. Durch anschließende klassische Mutagenese und Medienoptimierung konnte die Versorgung mit der Vorstufe Glutamat weiter gesteigert werden. Ein mutierter Stamm wurde für eine umfassende Genom-, Transkriptom- und Metabolomanalyse ausgewählt. Dabei wurde eine große Anzahl von Mutationen im Zusammenhang mit der Zellwandsynthese festgestellt, die wahrscheinlich zur verbesserten Produktion beitrugen. Parallele Anstrengungen konzentrierten sich auf die aus Lysin gewonnenen Produkte. NTNU erstellte das erste Konjugationsprotokoll für B. methanolicus, das eine gezielte Genom-Editierung ermöglichte, und demonstrierte die Proof-of-Concept-Produktion von 5AVA und L-Pipecolinsäure. UNIBI entwickelte einen 5AVA-resistenten Evolutionsstamm und führte ein Gen-Silencing-System mit CRISPR-Interferenz ein, das die Grundlage für künftige genomische Veränderungen bildet. INSA erstellte ein genomweites Stoffwechselmodell im SBML-Format und generierte Flusskarten unter drei verschiedenen Wachstumsbedingungen, die ein rationales Stammdesign unterstützen. SINTEF steuerte Fachwissen über Methanol-Fermentationen im Fed-Batch-Verfahren und nachgeschaltete Verarbeitungsstrategien bei, während BASF und Acies Bio sich auf die Skalierung der Fermentation und die Entwicklung effizienter nachgeschalteter Verarbeitungsprotokolle konzentrierten.
Das Projekt war in sieben Arbeitspakete gegliedert, die jeweils von einem Partner geleitet wurden, dessen Fachwissen der jeweiligen Aufgabe entsprach. Die akademischen Partner – UNIBI, NTNU, INSA und SINTEF – führten ein rationales Stammdesign, Stoffwechselmodellierung und Proof-of-Concept-Experimente durch. Die industriellen Partner – BASF und Acies Bio – setzten diese Erkenntnisse in skalierbare Fermentationsprozesse und nachgeschaltete Technologien um. Das Konsortium pflegte eine enge Zusammenarbeit durch gemeinsame Protokolle, regelmäßige Workshops und gemeinsame Veröffentlichungen, die einen erfolgreichen Technologietransfer vom Labor in den industriellen Maßstab demonstrieren.
Insgesamt hat das C1Pro-Konsortium wichtige technische Meilensteine erreicht: einen 8,5 g L-¹ GABA-Produktionstiter, das erste Konjugationsprotokoll für B. methanolicus, den Nachweis der Produktion von 5AVA und L-Pipecolsäure, einen 5AVA-resistenten evolutionären Stamm, ein CRISPR-Interferenzsystem und ein umfassendes Modell im Genom-Maßstab. Diese Ergebnisse schaffen eine vielseitige, auf Methanol basierende Produktionsplattform, die an eine Reihe von industriell relevanten Verbindungen angepasst werden kann und den Weg für eine nachhaltigere Bioökonomie ebnet.