Verbesserung der Produktivität von Shewanella oneidensis in bioelektrochemischen Systemen durch erhöhte Biofilmbildung
Creators: name: Edel, Miriam
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022

description: Die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Ressourcen erfordert die Umstellung industrieller Prozesse hin zur Verwendung nachhaltiger Rohstoffe. Eine Möglichkeit der nachhaltigen Synthese von Basischemikalien bietet dabei die Anoden-assistierte Fermentation. Hierbei fungieren Bakterien als Ganzzellkatalysatoren, die den Elektronenüberschuss ihres Katabolismus auf eine Anode in einem bioelektrochemischen System (BES) übertragen. Der Modellorganismus für den extrazellulären Elektronentransfer, Shewanella oneidensis, ist ein vielversprechender Kandidat zur mikrobiellen Synthese von Basischemikalien in BES. S. oneidensis ist von Natur aus in der Lage, Elektronen auf Anoden zu übertragen und daher für die Anwendung in BES prädestiniert. Durch die einfache genetische Zugänglichkeit ist zudem die Anpassung an verschiedene Produktionsbedingungen möglich. Eine notwendige Optimierung des Organismus mit Blick auf eine industrielle Anwendung ist eine verbesserte Biofilmbildung. Dadurch ließen sich möglicherweise die erreichbaren Stromdichten un damit die Raum-Zeit-Ausbeuten von BES drastisch steigern. In dieser Arbeit wurde die Funktionsweise der Riboflavin-induzierten Biofilmbildung von S. oneidensis untersucht, um die molekularen Mechanismen der Biofilmbildung besser zu verstehen und eine gezielte Biofilminduktion zu ermöglichen. Dabei wurde die Funktion von Riboflavin als Quorum sensing-Molekül in S. oneidensis aufgeklärt. Riboflavin induziert konzentrationsabhängig die Expression des Gens der Ornithin-Decarboxylase SpeC. Die Überexpression von SpeC führt wiederum durch Protein-Protein Interaktion zu einer vermehrten Biofilmbildung einhergehend mit einer gesteigerten Stromdichte in BES. Des Weiteren wurde die natürliche Riboflavin-Produktion von S. oneidensis untersucht und festgestellt, dass die zur Induktion des Biofilms nötige Riboflavin-Konzentration unter nativen Bedingungen durch den Organismus synthetisiert werden kann. Neben der Biofilmbildung ist die Erweiterung des Substrat- und Produktspektrums von S. oneidensis Gegenstand der aktuellen Forschung. Die Erweiterung des Substratspektrums um Glukose sowie des Produktspektrums um Acetoin konnten bereits etabliert werden, gingen allerdings mit geringen Umsatzraten einher. Um diese zu erhöhen und damit die Raum-Zeit-Ausbeute zu verbessern, wurde in dieser Arbeit ein optimierter Produktionsstamm erstellt. Dieser sollte den Glukoseverbrauch mit der Acetoinproduktion vereinen und durch eine Langzeitadaptation erhöhte Raum-Zeit-Ausbeuten ermöglichen. Sowohl die Stromdichte, und damit der Glukoseverbrauch, als auch die Biofilmbildung konnten durch den neuen Produktionsstamm nach der Langzeitadaptation erfolgreich verbessert werden. Allerdings war die Produktion von Acetoin nicht möglich, da der Kohlenstoff in die Produktion von Laktat umgeleitet wurde. Durch die Genomanalyse zweier adaptierter Klone konnte ein detaillierter Einblick in die Regulation der Biofilmbildung unter den Adaptationsbedingungen gewonnen werden. Mithilfe dieser Informationen könnte bei einem zukünftigen Produktionsstamm gezielt die Biofilmbildung induziert werden und so durch eine verbesserte Anodeninteraktion eine industriell lohnenswerte Raum-Zeit-Ausbeute erzielt werden.