To mitigate climate change, global greenhouse gas emissions must be halved before 2030. To achieve this goal, alternative routes for fuel and chemical production that do not rely on fossil resources must be explored. Industrial biotechnology has been identified as a key technology in this transition, allowing the sustainable valorization of biomass to biofuels and biochemicals. Geobacillus sp. LC300 is a thermophilic microorganism displaying remarkable growth rates and metabolic capabilities, thus showing promise for development into a microbial cell factory for sustainable production of biochemicals. However, the metabolism of the organism is unexplored, and its metabolic requirements and optimal growth conditions unknown. The aim of this thesis was to investigate the fast metabolism of Geobacillus sp. LC300 and thereby evaluate the potential and facilitate the development of the organism as a microbial cell factory. To explore the metabolic landscape of G. sp. LC300, a homology-based genome-scale metabolic model was constructed. By analyzing the model-predicted metabolic pathways, a prototrophy for all amino acids was predicted, along with an auxotrophy for vitamin B12. Analysis of transporters further predicted growth on several carbon sources, and the model showed accurate predictions of intracellular flux distributions and growth yields on both glucose and xylose. This model serves as a crucial tool for understanding the G. sp. LC300’s metabolism and guiding metabolic engineering efforts to optimize it for industrial use. Growth media previously used for the cultivation of G. sp. LC300 contained complex components, such as yeast extract, and was unable to support growth to high cell densities. This complicated quantitative studies of metabolism where controlled conditions and high cell densities are important for quantification of rates and yields. A minimal medium was developed based on the biomass composition predicted by the genome-scale model. In this development, the predicted auxotrophy for vitamin B12 was confirmed, and an additional auxotrophy for biotin revealed. The modified medium supported growth to high cell densities without the addition of complex components. An investigation of the optimal growth conditions of G. sp. LC300 revealed an optimal growth temperature several degrees lower than earlier reported values, providing a more accurate basis for the development of future production process settings. The range of carbon source utilization was further investigated, revealing fast growth on substrates like glycerol and starch that are common byproducts and in waste-streams from industry.To investigate the keys to the rapid substrate consumption rate, growth, and respiration of G. sp. LC300, glucose-limited chemostat cultivations were performed. The cultivations revealed a capacity of fully respiratory growth at a rate higher than the maximum specific growth rate of most other microorganisms, and a lower fraction of substrate consumed by maintenance than E. coli. Proteomics analysis further revealed an unusually low allocation of protein to the central carbon metabolism and translation, made possible by high turnover numbers of these enzymes allowing a larger allocation to respiratory enzymes. Finally, enzyme-constrained modeling indicated limited protein availability as the cause of overflow metabolism at growth rates above critical, with a switch from respiratory to respiro-fermentative pathways. Together, these findings provide insights into the rapid metabolism of G. sp. LC300 and highlights its potential as a microbial cell factory. This work can provide the basis for the development of new production processes that play an important role in the bioeconomy of the future and help circularize greenhouse gas emissions to net-zero.

 För att motverka klimatförändringar måste de globala utsläppen av växthusgaser halveras innan 2030. För att nå detta mål måste nya produktionsprocesser för bränslen och kemikalier utvecklas som är oberoende av fossila resurser. Industriell bioteknik utgör en nyckel-teknik i denna omställning på grund av dess förutsättningar för omvandling av biomassa till biobränslen och biokemikalier. Geobacillus sp. LC300 är en termofil bakterie som uppvisar påfallande höga tillväxthastigheter och metabol förmåga, vilket gör den lovande för att utvecklas till en mikrobiell cellfabrik för biokemikalieproduktion. Bakteriens metabolism är dock outforskad, och dess näringsbehov och optimala tillväxtförhållanden okända. Målet med denna avhandling var att utforska G. sp. LC300s snabba metabolism och därmed utvärdera dess potential och underlätta dess utveckling till en mikrobiell cellfabrik.En homologibaserad genomskalemodell konstruerades för att utforska dess metabolism. Genom att analysera modellens metabola vägar förutspåddes en prototrofi för alla 20 aminosyror, samt en auxotrofi för vitamin B12. Genom analys av transportprotein kunde tillväxtmöjligheter på flera olika kolkällor även förutspås, och modellen estimerade både intra- och extracellulära reaktions-hastigheter på både glukos och xylos med hög noggrannhet. Modellen är ett viktigt verktyg för att utöka förståelsen för G. sp. LC300s metabolism och som guide vid manipulering av metabolismen för att därmed utveckla organismen till en mikrobiell cellfabrik. De odlingsmedia som tidigare använts för odling av G. sp. LC300 innehåller komplexa komponenter, t. ex. jästextrakt, och saknar näringsinnehåll för odlingar med hög celldensitet. Detta komplicerar kvantitativa studier av metabolismen som kräver precis kontroll över odlingsbetingelser och höga celldensiteter för kvantifiering av hastigheter och utbyten. För att undgå detta problem utvecklades ett minimalt medium med definierad sammansättning, baserat på den cellmassakomposition som genomskalemodellen estimerat. Under utvecklingen av mediet bekräftades auxotrofin för vitamin B12, och en ytterligare auxotrofi för biotin upptäcktes. Det nya mediet tillät odlingar till hög celldensitet utan tillsats av komplexa komponenter. Vid undersökning av optimala odlingsbetingelser för G. sp. LC300 upptäcktes en flera grader lägre optimal tillväxttemperatur än den som tidigare rapporterats. Med ett definierat medium och optimala odlingsbetingelser kunde även ytterligare kolkällor utvärderas, till exempel glycerol och stärkelse, som är vanliga biprodukter från industrin. För att undersöka de underliggande faktorerna bakom den snabba substratkonsumptions-hastigheten, tillväxthastigheten och respirationen hos G. sp. LC300 användes glukosbegränsade kemostatodlingar. Odlingarna visade en kapacitet till fullt respirativ tillväxt vid hastigheter högre än den maximala specifika tillväxthastigheten hos de flesta andra mikroorganismer, och en lägre fraktion av substrat som konsumeras av metabola underhålls-funktioner än hos E. coli. Proteomikanalys visade att den höga respirativa kapaciteten kunde kopplas till en högre allokering av protein till respirationskedjan än i andra bakterier, vilket möjliggjordes av lägre proteinallokering till den centrala kolmetabolismen tack vare höga omsättningsnummer för dessa enzym. Slutligen indikerade enzymbegränsad modellering att överflödesmetabolismen som observerats vid höga tillväxthastigheter hos G. sp. LC300 beror på proteinbegränsing, vilket skapat en omställning från respirativ till respirofermentativ metabolism.Tillsammans ger dessa upptäckter fördjupad förståelse för den snabba metabolismen hos G. sp. LC300, och betonar dess potential som mikrobiell cellfabrik. Detta arbete kan vara en grund för utveckling av nya produktionsprocesser som kan komma att spela en viktig roll i framtidens cirkulära bioekonomi.