title: Sustainable biotechnological conversion and storage of carbon dioxide with methanogenic archaea
Creators: name: Salas Wallach, Nicolás Antonio
Publisher: name: :none
Year: 2025

description: Die Archaeen-Biotechnologie ein bis jetzt noch wenig erforschtes Gebiet in der Wissenschaft, welche jedoch ein erhebliches Potenzial für die Entwicklung neuer Technologien besitzt. Die einzigartigen Stoffwechselwege der Archaea kennzeichnen sie als vielversprechenden Kandidaten für eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungen z.B. für das „Biomining“, die Enzymbioprospektion, Aminosäuresynthese- und produktion, die Biokunststoffproduktion und die Methanerzeugung. Im ersten Kapitel dieser Arbeit wird erstmalig der natürliche Polyhydroxyalkanoat (PHA)-Biosyntheseweg des ammoniakoxidierenden Archaeon (AOA) Nitrososphaera viennensis untersucht. Die für die Produktion des Bioplatiks verantwortlichen Gene (PhaAa, PhaAb, PhaB, PhaC und PhaE) wurden in Escherichia coli kloniert und die Enzyme anschließend exprimiert und aufgereinigt. Die kinetischen Parameter wurden mit einem kcat von 40,92 ± 1,62 s-1 und einem Km von 2,81 · 10-2 ± 3,29 · 10-3 mmol L-1 für PhaB bestimmt. Die ermittelten Werte stimmen in ihrer Größe mit orthologen Proteine überein. Des Weiteren wurde eine neuartige quaternäre Struktur der PHA-Synthase (PhaCE) (Tetramer) ermittelt. Diese Ergebnisse ermöglichen die Anwendung neuartiger archaeischer Enzyme für die PHA-Synthese in Kombination mit neuartigen PHA-Polymeren. Im zweiten Kapitel wird die Funktionsweise eines neu entwickelten Prototypen unter dem Namen des „Gas and Pressure Controller“ (GPC) vorgestellt. Diese Maschine kann zur Ermittlung von physiologischer und biotechnologischer Merkmale von mikrobiellen Zellfabriken verwendet werden, die in Gasfermentierungsprozessen angewandt werden können. Die GPC ermöglicht die Überwachung und Regelung des Gasdrucks im Kopfraum von geschlossenem satzverfahrenbasierten Kultivierungssystemen durch automatisches Begasen und Spülen von Kultivierungsflaschen in Echtzeit. Zum Nachweis der Funktionalität des Systems wurden vier autotrophe und hydrogenotrophe methanogene Archaeen mit der GPC kultiviert. Es konnten dadurch bisher unerreichte maximale spezifische Methanproduktionsraten (qCH₄) der untersuchten Organsimen erfasst werden: Methanothermobacter marburgensis (169,59 ± 12,52 mmol g-1 h-1), Methanotorris igneus (420,21 ± 89,46 mmol g-1 h-1), Methanocaldococcus jannaschii (364,52 ± 25,50 mmol g-1 h-1), und Methanocaldococcus villosus (356,38 ± 20,79 mmol g-1 h-1). Außerdem konnte die Zuverlässigkeit und autonome Anwendung der GPC während einer Langzeitkultivierung von Methanococcus maripaludis erfolgreich bestätigt werden. Die neu entwickelte Maschine ermöglicht eine präzise Druckregulierung und ist ein vielversprechendes Werkzeug für die Optimierung eines breiten Spektrums von gasfermentierender Bioprozesse.
description: Archaeal biotechnology remains an understudied field in science with significant potential for the development of novel technologies. The unique metabolism and adaptations of Archaea position them as promising candidates for several applications including biomining, enzyme bioprospecting, amino acid synthesis, bioplastic production and methane generation. In the first chapter of this work, it was explored for the first time the polyhydroxyalkanoate (PHA) biosynthesis pathway in the ammonia-oxidizing archaeon (AOA) Nitrososphaera viennensis. The PHA pathway enzymes (PhaAa, PhaAb, PhaB, PhaC, and PhaE) were cloned and expressed in Escherichia coli and subsequently purified. Kinetic parameters were determined for PhaB with a kcat of 40.92 ± 1.62 s⁻¹ and a Km of 2.81 · 10⁻² ± 3.29 · 10⁻³ mmol L⁻¹. Detected values are consistent with other already characterized ortholog proteins from related organisms. Additionally, the quaternary structure of the PHA synthase (PhaCE) was found to be putatively tetrameric. These findings might enable the application of novel archaeal enzymes for PHA synthesis and potentially new PHA polymers. In the second chapter, the operation of a novel device was presented, the Gas and Pressure Controller (GPC), designed to identify physiological and biotechnological characteristics of gas fermentation microbial cell factories. The GPC allows for automated control of the headspace gas pressure in closed batch cultivation systems, enabling gassing, sparging, monitoring in real time. As proof of concept, four autotrophic, hydrogenotrophic, methanogenic archaea were cultured, achieving unprecedented maximum specific methane production rates (qCH₄): Methanothermobacter marburgensis (169.59 ± 12.52 mmol g⁻¹ h⁻¹), Methanotorris igneus (420.21 ± 89.46 mmol g⁻¹ h⁻¹), Methanocaldococcus jannaschii (364.52 ± 25.50 mmol g⁻¹ h⁻¹), and Methanocaldococcus villosus (356.38 ± 20.79 mmol g⁻¹ h⁻¹). The GPC also operated reliably and autonomously during long-term cultivation of Methanococcus maripaludis. This device enables precise pressure regulation and holds great promise for optimizing a wide range of gas-fermenting bioprocesses.