Metabolomics of carotenoid accumulation in Dunaliella salina

176 Pages·2011·7.71 MB·English

Metabolomics of carotenoid 
accumulation in Dunaliella salina 

Packo P. Lamers
Thesis committee 

Thesis supervisors 
Prof. dr. ir. R.H. Wijffels    Professor of Bioprocess Engineering,  
          Wageningen University 
Prof. dr. R.J. Bino      Professor of Metabolomica of Plants, 
          Wageningen University 

Thesis co‐supervisors 
Dr. ir. M.G.J. Janssen     Assistant professor, Bioprocess Engineering, 
          Wageningen University 
Dr. R.C.H. de Vos      Senior scientist, Plant Research International, 
          Wageningen University 

Other members 
Prof. M.R. Tredici      University of Florence, Italy 
Prof. dr. W.M. de Vos    Wageningen University 
Dr. R.D. Hall       Wageningen University 
Dr. E.J.A. Roebroeck    LGem B.V., Voorhout

This research was conducted under the auspices of the Graduate School VLAG.
Metabolomics of carotenoid 
accumulation in Dunaliella salina 

Packo P. Lamers 

Thesis 
submitted in fulfilment of the requirements for the degree of doctor 
at Wageningen University 
by the authority of the Rector Magnificus, 
Prof. dr. M.J. Kropff, 
in the presence of the  
Thesis Committee appointed by the Academic Board 
to be defended in public 
on Friday 11 February 2011 
at 1.30 p.m. in the Aula.
Packo P. Lamers   
Metabolomics of carotenoid accumulation in Dunaliella salina 
176 pages 

PhD Thesis, Wageningen University, Wageningen, The Netherlands (2011) 
With propositions and summaries in Dutch and English 

ISBN: 978‐90‐8585‐852‐2

Contents 
Chapter 1                      9 
   General introduction 
Chapter 2                      19 
   Exploring and exploiting carotenoid accumulation in Dunaliella   
  salina for cell‐factory applications 
Chapter 3                      45 
  Carotenoid and fatty acid metabolism in light‐stressed      
  Dunaliella salina 
Chapter 4                      73 
  Carotenoid and fatty acid metabolism in nitrogen‐starved    
  Dunaliella salina 
Chapter 5                      97 
  Metabolic profiling as a tool in studying stress‐induced      
  carotenogenesis in Dunaliella salina 
Chapter 6                      127 
  General discussion: Paving the way for optimal productivity    
  of microalgal metabolites 
Summary                      149 
Samenvatting                    157 
Dankwoord                    165 
Curriculum Vitae                   169 
Publications                    171 
Training activities                  173

Chapter
General introduction 
 9
Chapter 1 
Introduction 
The  finite  aspect  of  our  natural  resources  creates  a  need  for  production 
processes based on renewable resources and/or waste streams. Microalgae are 
ideally suited to meet such demands, since these microorganisms are able to 
convert carbon dioxide and water into valuable chemicals using sunlight as the 
primary energy source. Although plants are equally capable of this, microalgae 
have become the focal point of recent commercial and academic activities in the 
field of sustainable production processes. This is mainly because microalgae do 
not  require  arable  land  and  have  much  higher  areal  productivities  than 
agricultural crops (Chisti 2007; Chisti 2008; Nielsen et al. 1996). These high 
productivities come at the expense of extra costs though, since they can only be 
reached  in  (semi‐)controlled  cultivation  systems  designed  to  prevent  any 
limitation  but  light.  Because  of  these  high  costs,  commercial  large‐scale 
cultivation of microalgae is currently limited to the production of high‐value 
metabolites such as carotenoids and omega‐3 fatty acids (Wijffels and Barbosa 
2010).  
Although these processes typically still use large amounts of energy, and do not 
yet contribute to the sustainability of our society, they do have high potential to 
develop into sustainable and economic production processes for microalgal low‐
value bulk chemicals and biofuels. It has been estimated that cost‐effective 
production requires a 10‐fold reduction in biomass production costs, which 
should  follow  from  a  multidisciplinary  approach  aimed  at  realizing 
breakthroughs in all areas of microalgal biotechnology such as molecular biology, 
physiology, photobioreactor design and downstream processing (Wijffels and 
Barbosa 2010).  
Therefore, several years ago, the project ‘Photosynthetic Cell Factories’ was 
initiated at the Bioprocess Engineering group of Wageningen University. The 
objective of this project was to develop the expertise to make high‐efficiency 
cultivation  methods,  control  of  primary  and  secondary  metabolism,  strain 
selection and selective extraction methods possible. For this, the production of 
carotenoids  by  Dunaliella  salina  was  used  as  a  model  system.  This  thesis 
10