Mechanistische Untersuchungen zur Syntrophy zwischen Pseudomonas aeruginosa und 2,3-Butandiol Fermentierern vor dem Hintergrund einer optimierten Phenazine-basierten Stromproduktion in Bioelektrochemischen Systemen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Miriam Agler-Rosenbaum
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250690637

Bisher war die biotechnologische Nutzung mikrobieller Reaktionen auf wenige definierte Reinkulturen beschränkt. In der Natur treten Mikroben jedoch konzertiert auf da synergistische Zusammenarbeit ihnen hilft metabolische und energetische Hürden zu überwinden. Leider ist unser Verständnis dieser mikrobiellen Interaktionen noch sehr dürftig. Bioelektrochemische Systeme (BES) nutzen mikrobielle Co-kulturen für die anaerobe Umwandlung (Oxidation) von organischen Verbindungen zu Kohlendioxid und elektrischem Strom. Dabei wurden bereits Schlüsselmikroben mit unterschiedlichen Funktionen wie Hydrolyse der organischen Verbindungen, fermentativem Abbau, Redoxmediatorproduktion oder direktem extrazellulärem Elektronentransfer identifiziert. Um ein erfolgreiches BES zu entwickeln, müssen wir nun verstehen lernen, wie diese verschiedenen Schlüsselmikroben zusammen agieren und wie wir ihre Zusammenarbeit bestmöglichst nutzen können.Neue Arbeiten ergaben einen wichtigen Synergismus zwischen dem 2,3-Butandiolfermentierer Enterobacter aerogenes und dem Mediatorproduzenten Pseudomonas aeruginosa. In dieser Co-Kultur vergärt E. aerogenes Zucker zu 2,3-Butandiol, welches dann von P. aeruginosa verwertet wird. Das 2,3-Butandiol steigert in P. aeruginosa die Synthese des Virulenzfaktors Pyocyanin, das als Redoxmediator für die Stromproduktion in BES verantwortlich ist. Dieser Forschungsantrag strebt das ökologische und molekulare Verständnis dieser synergistischen Zusammenarbeit an, welche durch 2,3-Butandiol vermittelt scheint. Da sich diese beiden Mikroben (aber auch P. aeruginosa und ähnliche Fermentierer) auch in anderen Lebensräumen wie Bodensedimenten oder während Lungeninfektionen begegnen, geht die Bedeutung des Synergismus weit über die BES-Anwendungen hinaus.Im beantragten Projekt, werden wir eine tiefgehende Untersuchung der ökologischen Beziehung von P. aeruginosa mit 2,3-Butandiolfermentierern vornehmen: wir analysieren das Ausmaß von interspezies Kommunikation und physiologische Effekte auf beide Partner, sowie den Einfluss der Co-Kultur auf das Quorum Sensing und die damit verbundene Regulation von Virulenzfaktoren in P. aeruginosa. Dabei nutzen wir BES als in-situ Analysemethode zur Bestimmung des Pyocyanins. Wir werden die idealen physiologischen Bedingungen für ein optimiertes synergistischen Verhaltens der P. aeruginosa : Fermenter Co-Kultur in BES ermitteln, d.h. wir werden lernen die Co-Kultur zu kontrollieren. Weiter werder wir die zugrundeliegende Physiologie von P. aeruginosa untersuchen, um folgende Fragen zu beantworten: Wie wird 2,3-Butandiol erkannt? Auf welche Art und Weise wird das Quorum Sensing Netzwerk angesprochen? Ist es ein metabolischer oder ein reiner Signaleffekt? Schließlich werden wir alle phenotypischen und physiologischen Ergebnisse in ein physiologisch-ökologisches Model des Co-Kultursynergismus integrieren, welches als Grundlage für zukünftige Erweiterungen des mikrobiellen Netzwerkes in BES dienen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen