O 1,3-propanodiol (1,3-PDO) é um componente primário para a produção de biopolímeros de alto valor agregado. Este composto pode ser produzido por algumas bactérias em microaerobiose, utilizando glicerol como fonte de carbono. Em um projeto anterior do Laboratório de Bioprodutos, uma cepa de Escherichia coli MG1655 foi transformada com um plasmídeo de produção (pBBR1MCS2 :: dha) contendo genes de K. pneumoniae (operon dha) necessários para a conversão de glicerol em 1,3-PDO. No entanto, este plasmídeo é mantido através do uso da canamicina ao meio de cultura, resultando em custos adicionais e questões de biossegurança que podem afetar a produção em larga escala. Para superar este problema, foi proposta uma estratégia de complementação do gene icd para estabilizar o plasmídeo de produção, sem a necessidade de antibióticos. O gene codifica uma Isocitrato desidrogenase NAD-dependente e é essencial para o crescimento da bactéria em meio mínimo. Este projeto teve como objetivo construir uma cepa de E. coli com o gene icd deletado em seu cromossomo, mas complementada com o mesmo gene no plasmídeo de produção. A cepa complementada com icd^NAD_(pJ23100) foi testada no ensaio de frasco agitado e a produção de 1,3-PDO sem antibiótico mostrou resultados promissores, produzindo a mesma quantidade de produto que a cepa de controle cultivada com antibiótico. No ensaio de biorreator, a cepa apresentou um fenótipo incomum, no qual a cultura morria ao adicionar anti-espumante e o oxigênio dissolvido (DO) no meio cair repentinamente. Apesar deste problema, uma solução foi encontrada diminuindo gradualmente a DO para atingir a microaerobiose. O rendimento de 1,3-PDO pela cepa complementada por icd^NAD_(pJ23100), sem antibiótico, foi comparável à cepa controle sem a complementação genética usando antibiótico. Apesar disso, foi detectada uma considerável perda de plasmídeo na população de bactérias utilizando a estratégia de complementação gênica. Portanto, uma combinação com um outro sistema de estabilização poderia aumentar ainda mais a produção de 1,3-PDO. Acredita-se que a morte da cultura de células no biorreator esteja relacionada ao aumento da produção de NADH, promovida pela super-expressão do gene icd^NAD.

1,3-propanediol (1,3-PDO) is a primary component for the production of high added value biopolymers. This compound can be produced by some bacteria in microaerobiosis, using glycerol as a carbon source. In the previous project in our laboratory, an Escherichia coli MG1655 strain was transformed with a production plasmid (pBBR1MCS2::dha) containing K. pneumoniae genes (operon dha) necessary for the conversion of glycerol to 1,3-PDO. However, the plasmid is maintained by adding kanamycin to the medium, resulting in an additional cost and biosafety issues for large-scale production. To overcome this problem, it was proposed a strategy of icd gene complementation to stabilize the production plasmid without the need for antibiotic. The gene codes for a NAD-dependent Isocitrate dehydrogenase and is essential for growth in minimal medium. This project aimed to construct an E. coli strain lacking icd in its chromosome, complemented with the same gene in the production plasmid. The icd^NAD_(pJ23100) complemented strain was tested in shake flask assay and the production of 1,3-PDO without antibiotic showed promising results, yielding the same amount of product as the control strain cultivated with antibiotic. In the bioreactor assay, the strain showed an unusual phenotype, in which the culture died when anti-foam was added and Dissolved Oxygen (DO) in the medium suddenly dropped. Despites of this problem, a solution was found by gradually decreasing the DO in order to achieve microaerobiosis. The yield of 1,3-PDO by icd^NAD_(pJ23100) complemented strain, without antibiotic, was comparable to the strain without gene complementation using antibiotic. Despites of that, considerable plasmid loss was detected in gene complementation strategy, therefore a combination with another stabilization system could enhance the 1,3-PDO production even further. Cell culture death in bioreactor was suggested to be linked to the overproduction of NADH, promoted by icd^NAD(pJ23100) overexpression.