Forschung

Mikrobielle Zellfabriken wie spezialisierte Bakterien, Hefen und Pilze werden zur Herstellung relevanter Verbindungen und technischer Biomoleküle wie Rohstoffe, Feinchemikalien, Lebensmittelzusätze und Biopharmazeutika eingesetzt. Maßgeschneiderte robuste Mikroorganismen, die neuartige biologische Verhaltensweisen zeigen, produzieren diese Produkte auf nicht-chemische Weise und nutzen dabei die Werkzeuge der Natur, im Allgemeinen unter Verwendung erneuerbarer Substrate wie Glukose oder industrieller Nebenströme. C1-Rohstoffe wie Methan, Methanol, Formiat, CO2 und CO haben wichtige Vorteile gegenüber herkömmlichen organischen Kohlenstoffquellen wie Glukose. Sie sind günstig, können auf erneuerbare Weise aus CO2 gewonnen werden, konkurrieren nicht mit Lebens- oder Futtermitteln und erfordern keine aufwändige Vorverarbeitung aus komplexen landwirtschaftlichen Nebenströmen. Der Einsatz von C1-Substraten in mikrobiellen Zellfabriken würde eine von Natur aus nachhaltige Kohlenstoffkreislaufwirtschaft gewährleisten. Aufgrund der relativen Neuheit dieses Ansatzes sind jedoch weitere Arbeiten erforderlich, um abiotische C1-Substrate mit biologischen Rohstoffen konkurrieren zu lassen. Das CiTrY-Projekt wird zu diesem Ziel beitragen, indem es Transportmechanismen der C1-Substrate über Plasma- und Organellenmembranen der mikrobiellen Zellfabriken untersucht und verbessert. Bisher wenig beforschte Proteine ​​und Proteinfamilien werden untersucht, moderne Protein-Engineering-Strategien und Hochdurchsatz-Screening durchgeführt und ein neuartiger Ansatz zum Organellenmembran-Targeting entwickelt.

Methanol ist ein attraktives, kostengünstiges Substrat für die Biotechnologie, das für seine Herstellung keine landwirtschaftlichen Flächen benötigt und nachhaltig aus dem Treibhausgas CO2 hergestellt werden kann. Methylotrophie, d. h. die Fähigkeit von Mikroorganismen, Methanol als Kohlenstoff- und Energiequelle zu nutzen, hat sich in mehreren Bakteriengruppen und in einem Zweig der aufkeimenden Hefen entwickelt. Bei Hefen ist der Methanol-Assimilationsweg in Peroxisomen eingekapselt, die das Zytosol vor toxischen Zwischenprodukten schützen können, während bei Bakterien die Prozesse zytosolisch sind und die Reaktionen sorgfältig ausbalanciert sind, um die Anreicherung toxischer Verbindungen zu verhindern. Forschungsfragen Wir planen, die Rolle der Kompartimentierung auf die Funktion des Methanolstoffwechsels in der natürlich methylotrophen Hefe Komagataella phaffii und dem manipulierten Escherichia coli aufzuklären, indem wir die folgenden Forschungsfragen beantworten: • Warum und in welchem ​​Ausmaß ist die Kompartimentierung für die Methylotrophie in Hefe wichtig? • Können wir mithilfe einer „künstlichen“ methylotrophen Organelle eine synthetische Methylotrophie in Bakterien etablieren? Ansatz Wir werden den gesamten Assimilationsweg zum Zytosol von K. phaffii neu ausrichten und das erste Enzym von einer O2-abhängigen Oxidase zu einer NAD+-abhängigen Dehydrogenase austauschen, um zu verstehen, ob irgendwelche oder alle Reaktionen des Weges von der peroxisomalen Lokalisierung abhängen. Künstliche Organellen auf der Basis bakterieller Mikrokompartimente werden gebaut, um den Stoffwechselweg zu beherbergen, und in E. coli eingeführt, um synthetische E. coli-Stämme mit dem Hefe-Methanol-Verwertungsweg zu erzeugen. Die Funktionalität der Signalwegvarianten wird durch in vitro und in vivo 13C-basierte Metabolomik bewertet, und das metabolische Netzwerk und sein Zusammenspiel werden durch adaptive Laborevolution weiter ausgeglichen.

Die zur Erfüllung des Pariser Abkommens notwendigen Emissionsreduzierungen sind ohne großtechnische Abscheidung und Nutzung von CO2-Emissionen nicht erreichbar. VIVALDI bietet eine innovative integrierte Lösung für die Valorisierung von CO2-Emissionen aus verschiedenen biomassebasierten Industriesektoren (Zellstoff/Papier, Biomasse und Ethanol) zu wertschöpfenden organischen Säuren. VIVALDI umfasst die gesamte Wertschöpfungskette: 1) CO2-Abtrennung mittels einer aminbasierten Absorption in Kombination mit immobilisierten Kohlensäureanhydrasen, 2) elektrokatalytische CO2-Reduktion zu C1-Bausteinen mittels neuartiger Elektrodenmaterialien und Reaktorkonfigurationen, 3) Fermentation der C1s zu organischen Säuren über das mikrobielle Chassis Pichia pastoris und 4) Rückgewinnung von Nährstoffen/Spurenelementen/Energie aus den eigenen Industrieabwässern mittels Bioelektroanreicherung. VIVALDI wird von den jüngsten Forschungsfortschritten der Partner profitieren, um in enger Zusammenarbeit mit der Industrie eine praktikable und nachhaltige Wertschöpfungskette zur Valorisierung von CO2 in organische Säuren mit unterschiedlichen Marktanforderungen zu entwickeln und zu validieren: Milchsäure (bereits etabliert), Itaconsäure (kürzlich von der Industrie übernommen) und 3-Hydroxypropionsäure (noch wenig im industriellen Maßstab etabliert). Neben dem Konzept ist die Stärke von VIVALDI das multidisziplinäre und komplementäre Konsortium: Partner mit bekannter F&E-Erfahrung, große CO2-Produzenten aus jedem der Industriesektoren, frühe Technologie-Anwender, Experten auf dem Markt für neuartige Lösungen und große Endverbraucher der chemischen Produkte.