Zell-Zell Interaktionen in einer synthetischen Co-Kultur: PHA Produktion aus Sonnenlicht und CO2 durch Co-Kultivierung von Synechococcus elongatus und Pseudomonas putida

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Kremling; Dr. Katharina Pflüger-Grau
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Bioverfahrenstechnik ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427887573

Synthetische mikrobielle Konsortien bergen ein hohes Potenzial für biotechnologische Anwendungen, da durch Arbeitsteilung Aufgaben bewerkstelligt werden können, die sonst nicht möglich wären. Der Einsatz eines solchen Konsortiums in einem Bioprozess erfordert jedoch eine enge und individuelle Kontrollierbarkeit der beteiligten Mikroben. Eine Voraussetzung dafür ist das grundlegende Verständnis der Vorgänge in den einzelnen Stämmen und ihrer Interaktion. Das synthetische Konsortium, das in diesem Projekt untersucht wird, besteht aus einem Cyanobakterium, welches die C-Quelle für den heterotrophen Partner Pseudomonas putida bereitstelltDiese Kombination von cyanobakteriellen Feedstock mit dem biosynthetischen Potenzial von P. putida, einem Modellorganismus in der Synthetischen Biologie, birgt das Potential für eine breite Anwendungpalette. Aktuell wird die Co-Kultur aus Synechococcus elongatus PCC7942 cscB und P. putida zur Produktion von Polyhydroxyalkanoate (PHA) aus Licht und CO2 untersucht. S. elongatus cscB wurde dabei genetisch so verändert, so dass es unter erhöhten Salzkonzentrationen Saccharose ausschleußt. Dieser Zucker dient dann als Kohlenstoffquelle für P. putida, wo er zur Akkumulaiton von PHA genutzt werden kann. Ausgangspunkt der letzten Förderperiode war ein Prozess, in dem S. elongatus cscB ausreichend Saccharose sekretierte, um das Wachstum und die PHA-Akkumulation von P. putida mit einem maximalen Titer von ~150 mg PHA L-1 zu ermöglichen. In der ersten Förderperiode wurde dieser Prozess durch den Einsatz von P. putida cscRABY, einem Stamm mit einem effizienteren Saccharose Stoffwechsel, verschiedenen Stickstoffquellen, die jeweils exklusiv für einen Stamm zur Verfügung standen, verbessert und es wurde eine individuelle Kontrollierbarkeit der Wachstumsrate der Co-Kulturpartner erreicht. Diese Prozessanpassungen führten zu einem maximalen PHA-Titer von 393 mg L-1 und einer PHA-Produktionsrate von 42,1 mg L -1 Tag -1.In diesem Verlängerungsantrag soll das Potenzial des künstlichen synthetischen Konsortiums auf verschiedenen Ebenen weiter untersucht werden. Auf der Prozessebene soll eine Hochzelldichte-Kultivierung etabliert werden und der besser geeignete Stamm S. elongatus UTEX2973 eingesetzt werden, um die PHA-Ausbeute zu verbessern. Auf zellulärer Ebene werden wir die mit Hilfe von Omics-Technologien identifizierten regulatorischen Vorgänge analysieren, den Einfluss der bakteriellen Oberflächenstrukturen auf die Zell-Zell-Interaktion untersuchen, die Stabilität der Co-Kultur durch gezielte Verunreinigungen prüfen und ein Populationsmodell aufstellen. In einer Kollaboration mit der Kohlheyer Gruppe werden wir die Co-Kultivierung auf Einzelzellebene verfolgen. Auf Basis stöchiometirischer Modelle der beteiligten Mikroorganismen wird ein einem Inter-Spezies-Core Modell aufgestellt werden, das ein erstes Bild der Stoffwechselflüsse vermittelt und eine Grundlage für weitere Prozessverbesserungen bietet.

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