Optimierung von genetisch veränderbaren mikrobiellen Co-Kulturen um neue und funktionalisierbare Zellulose-Elastin Verbundstoffe zu produzieren (Cellulastin)

• Antragsteller: Wolfgang Ott
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408247316

Pflanzen synthetisieren Zellulose, das am häufigsten vorkommende Biopolymer der Erde und verflechten es in einen mechanisch äußerst robusten Verbundstoff, indem verschiedene Stoffe, wie Lignin, Pektin oder Hemizellulose eingebaut werden. Dadurch wird nicht nur die Druckfestigkeit erhöht, sondern verleiht der Zellulose auch neue Eigenschaften, zum Beispiel agiert Lignin als ein Kittmittel, um Pflanzen vor dem Eindringen von Wasser zu schützen.Neben Pflanzen sind auch einige spezialisierte Bakterien in der Lage Zellulose zu synthetisieren, jedoch verfügen sie nicht über die Fähigkeit weitere Stoffe einzubauen. Mit Hilfe der synthetischen Biologie ist es möglich, Zellulose von Bakterien synthetisieren und modifizieren zu lassen und im weiteren Verlauf Zellulose-basierte, nachhaltige und verbesserte Kompositmaterialien herzustellen. Unmodifizierte bakterielle Zellulose ist bereits ein außergewöhnliches Polymer, welches heutzutage, u.a. in der Medizin als Hautersatz oder in der Nahrungsmittelindustrie als Füllstoff verwendet wird. Bakterielle Zellulose kann biologisch modifiziert werden, indem man das Wachstumsmedium der Zellen verändert oder chemische Veränderungen nach der Zellulosesynthese vornimmt. Dies erweitert die Anwendungsbandbreite oder verbessert bereits verwendete Produkte. Beide Modifikationsstrategien sind jedoch mit hohem Arbeitsaufwand verbunden. Ungeachtet dieser Modifizierungsmöglichkeiten verbleibt bakterielle Zellulose rigide. Ab einer bestimmten Kraft trennen sich die einzelnen Zellulosefasern und die Zellulose zerfällt in ihre Einzelteile. Elastin-ähnliche Polypeptide (ELPs), elastische und auf ihre Umwelt reagierende Polymere, sind in der Lage das Elastizitätsdefizit bakterieller Zellulose auszugleichen. Die Fähigkeit der ELPs sich zu dehnen und zurückzufalten, ohne die hohe Zugfestigkeit der Zellulose zu verändern, würde die Elastizität des Copolymers erheblich verbessern. Desweiteren kann man mit der ELP-Gerüststruktur weitere Proteine zielgerichtet einbauen und das Copolymer mit zusätzlichen Funktionen (Biosensorik, gezielte Wirkstofffreisetzung oder Biofunktionalisierung) ausstatten. Das hier vorgeschlagene Projekt fordert die aktuelle bakterielle Zellulosesynthese heraus und zielt darauf ab ELPs in der Zellulose querzuvernetzen. Ein Zellullose-synthetisierender Bakterienstamm, Komagataeibacter rhaeticus, soll mit einer Protein-sekretierenden Hefe, Saccharomyces cerevisiae, co-kultiviert werden. Beide Mikroorganismen sekretieren verschiedene Biopolymere, welche sich idealerweise zu einem neuen und vielversprechendem Kompositmaterial “Cellulastin” mit immensen Potential verbinden. Speziell die umweltabhängigen Transformationsänderungen der ELPs können verwendet werden, um Cellulastin einzigartige Eigenschaften zu verleihen. Der hier vorgeschlagene Ansatz ermöglicht die de novo Synthese von nachhaltigen Smart-Polymers bestehend aus maßgeschneiderten und verflochtenen Netzwerken von Zellulose und ELPs.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Dr. Tom Ellis