Herstellung von Capronsäure aus CO2 mit einer synthetischen Mischkultur von rekombinanten Acetobacterium woodii und Clostridium drakei (CaproSyn)

• Antragsteller: Privatdozent Frank Bengelsdorf, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Dirk Weuster-Botz
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427864786

CaproSyn baut auf den sich ergänzenden Fachkenntnissen zweier akademischer Gruppen aus der Mikrobiologie / Molekularbiologie – Frank Bengelsdorf, Universität Ulm (UUlm) – und der Bioverfahrenstechnik – Dirk Weuster-Botz, Technische Universität München (TUM) – auf. Ziel von CaproSyn ist die Erforschung und Realisierung einer optimierten synthetischen Mischkultur aus einem gentechnisch veränderten Acetobacterium woodii-Stamm, der Laktat aus Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoffgas (H2) herstellen kann, kombiniert mit einem Laktat verbrauchenden und kettenverlängernden Clostridium drakei-Wildtypstamm zur Herstellung von Caproat in einem skalierbaren Gasfermentationsprozess. Aus dem CaproMix-Projekt (erste Förderperiode) ist bereits eine Laktat produzierende A. woodii-Mutante verfügbar, bei der das Gen einer D-Lactat-Dehydrogenase aus Leuconostoc mesenteroides überexpremiert wurde. Dieser Stamm soll durch zusätzliche Überexpression einer Pyruvat-Formiat-Lyase (PFL) und eines PFL-aktivierenden Proteins, entweder aus Clostridium pasteurianum oder Clostridium butyricum, verbessert werden. Dadurch soll ein zusätzlicher Kohlenstofffluss ausgehend von Formiat, dem ersten Zwischenprodukt im CO2-fixierenden Wood-Ljungdahl-Stoffwechselweg, zu Pyruvat und nachfolgend Laktat ermöglicht werden. Über verfahrenstechnische Maßnahmen wie beispielsweise der kontrollierten Einstellung eines geeigneten, übererhöhten H2-Partialdrucks im Rührkesselreaktor soll hierzu vermehrt Formiat verfügbar gemacht werden. Das aufgrund des druckinduzierten Formiatabflusses und der zusätzlichen Laktatproduktion zu erwartende reduzierte Wachstum von A. woodii soll ebenfalls durch verfahrenstechnische Maßnahmen über die kontrollierte Einstellung niedriger CO-Partialdrücke im Rührkesselreaktor kompensiert werden. Die Caproatproduktion aus Synthesegas (CO2, H2 und CO) mit einer synthetischen Mischkultur dieser beiden Stämme soll im diskontinuierlich mit kontinuierlicher Begasung betriebenen, vollständig kontrollierbaren Rührkesselreaktor reaktionstechnisch untersucht werden. Um das Wachstum beider Stämme in der Mischkultur quantitativ erfassen zu können, sollen Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungs-Markierungen (FISH) kombiniert mit Durchflusszytometrie eingesetzt werden. Flussbilanzanalysen basierend auf Genomweiten Modellen der beteiligten Mikroorganismen sollen helfen, die synthetische Mischkultur zu optimieren. Das übergeordnete Ziel ist die Maximierung des Kohlenstoffflusses von CO2 zu Caproat als Hauptprodukt durch Metabolic Engineering (UUlm) und Bioprozess Engineering (TUM) in einem interdisziplinären und synergistischen Forschungsansatz. Hierbei sollen verschiedene wissenschaftlichen Schlüsselfragen zur Realisierung effizienter definierter Mischkulturprozesse zur mikrobiellen Stoffproduktion aus CO2, CO und H2 erforscht werden, die nicht nur dazu beitragen, das Ziel von CaproSyn zu erreichen, sondern auch auf andere Co-Kultivierungsansätze übertragen werden könnten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2170: Neuartige Produktionsverfahren durch skalenübergreifende Analyse, Modellierung und Gestaltung von Zell-Zell- und Zell-Bioreaktor-Interaktionen (InterZell)