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Extremophile Kathodenbiofilme als Power-to-X Biokatalysatoren

Bild der Titelseite der Publikation: Extremophile Kathodenbiofilme als Power-to-X Biokatalysatoren

Gescher, Johannes; Horn, Harald

2020

Projektbericht - Abschlussbericht; Projektbericht - Forschungsberichtsblatt

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Beschreibung

Wesentliche Teile der Industrie sind auf die Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen angewiesen, die wiederum große Mengen an CO2-Abfallströmen produzieren. Ein Ansatz zur Reduktion dieser Emissionen sind neue Technologien zur Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff. Hierzu gehört die mikrobielle Elektrosynthese bei der elektrischer Strom als Energie- und Elektronenquelle für mikrobielles Wachstum dient. Ein Biokatalysator, der in der Lage ist CO2 zu binden, kann dabei potentiell nicht nur CO2-Emissionen reduzieren, sondern gleichzeitig wertschöpfende Verbindungen produzieren. Im Projekt E-Kat-Bio sollte ein kathodischer Biofilm in einem entsprechenden Reaktor dazu genutzt werden um,

  • CO2 zu fixieren
  • Bioplastik (PHB) zu produzieren
  • Und daraus Plattformchemikalien herzustellen.

Das Projekt wurde wie geplant begonnen. Es wurde ein Plasmid für die heterologe Expression der Acetolactatsynthase (AlsS) und der Acetolactatdehydrogenase (AlsD) in Sulfolobus spec. entwickelt. Um den Vorgang zu beschleunigen, wurde eine Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Frau Prof. Albers an der Universität Freiburg aufgebaut. Dadurch konnte auf Erfahrungen dahingehend zurückgegriffen werden, welche Stämme und Selektionsmarker am besten geeignet sein sollten. In das Plasmid wurden die Gene für thermostabile Varianten der zwei Gene kloniert. Die Funktionalität des Plasmides konnte über eine Acetoin-Produktion in E. coli verifiziert werden. Zwei weitere Kontrollexperimente führten im weiteren Verlauf zu einem leicht veränderten Projektverlauf. Wir konnten zeigen, dass Sulfolobus acidocaldarius auch alleine in der Lage ist, mit einer Kathode als Energie- und Elektronenquelle zu wachsen. Das war eine bahnbrechende Erkenntnis, da dieser Organismus somit über einen völlig neuen Weg des Elektronenimports verfügen muss, denn typische Schlüsselgene für den Elektronenimport sind nicht vorhanden. Gleichzeitig zeigte sich völlig unvorhersehbar, dass K. spormannii in der Lage ist, Acetoin zu verstoffwechseln. Anstatt nun das Endprodukt zu verändern, haben wir die Zweistammstrategie in eine Einstammstrategie umgewandelt, da hiermit auch höhere Umsätze erreichbar sein sollten. Wir konnten das Wachstum von Sulfolobus auf den Elektroden quantifizieren und eine Acetoin Produktion zeigen. Diese blieb jedoch hinter den Erwartungen zurück, da der Promoter des Plasmids anscheinend in Sulfolobus weniger gut funktionierte als in E. coli. Nichtsdestotrotz konnten wir im Rahmen dieses Projektes einen neuen autotrophen Biokatalysator für Bioelektrosynthesen vorstellen und sind momentan dabei, zu verstehen, wie die Elektronenaufnahme funktioniert. Dafür haben wir Transkriptome des Organismus unter verschiedenen Wachstumsbedingungen aufgenommen, die wir momentan auswerten. Die durchgeführte Nachhaltigkeitsbewertung ließ erkennen, dass der Prozess sich in seiner Nachhaltigkeit nicht von Glucose-basierten Umsetzungen unterscheidet und dabei gleichzeitig nicht mit der Nahrungsmittelproduktion konkurriert, weil Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle benutzt wird.