Nutzung der räumlichen metabolomischen Heterogenität zur Optimierung der Produktivität von Nostoc-Biofilmen

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Elke Dittmann-Thünemann; Professorin Nicole Strittmatter, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559284611

Photoautotrophe Cyanobakterien haben ein großes Potenzial für die direkte Umwandlung von Sonnenenergie und CO2 in Biokraftstoffe und Feinchemikalien. Dabei zeigen terrestrische filamentöse Cyanobakterien der Gattung Nostoc, die in der Natur Matten und Krusten bilden, auch ausgeprägte Fähigkeiten, sich passiv auf festen Oberflächen zu immobilisieren. Diese mehrzelligen Cyanobakterien weisen eine sehr ausgeprägte phänotypische Heterogenität auf und bilden eine ausgedehnte EPS-Schicht. Die Arbeitsgruppe Dittmann entwickelt seit vielen Jahren den genetisch manipulierbaren Cyanobakterienstamm N. punctiforme PCC 73102 als Modellsystem für die Untersuchung des Sekundärstoffwechsels. Die Forschungsgruppe hat eine ausgeprägte zeitliche und räumliche Heterogenität der Genexpression und eine phänotypische Heterogenität bei der Bildung der EPS-Schicht beobachtet. Das Team nutzt die Hochdichtekultivierung von N. punctiforme für die heterologe Expression von Naturstoffen. Das Ziel des aktuellen Projekts ist die Weiterentwicklung der N. punctiforme-Plattform für die Expression wertvoller Feinchemikalien. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf dem Verständnis der Rolle der räumlichen Heterogenität der Genexpression in Biofilmkonsortien für die Produktivität von Nostoc. Zu diesem Zweck hat sich die Gruppe von Elke Dittmann mit der Gruppe von Nicole Strittmatter an der TU München zusammengetan, die auf dem Gebiet der räumlichen Metabolomik unter Verwendung von Ambient-Massenspektrometrie-Methoden spezialisiert ist. Mit Hilfe dieser Partnerschaft will das interdisziplinäre Team die Existenz räumlicher Heterogenität in der Metabolit-Expression auf verschiedenen Skalen mithilfe eines integrierten räumlichen Transkriptomik/Metabolomik-Ansatzes dokumentieren. Durch die Untersuchung der Mechanismen und Faktoren, die die räumliche Musterbildung steuern, will das Team Konzepte entwickeln, um die Produktivität von Biofilmen zu steigern. Die Entwicklung von Arbeitsabläufen für die standardisierte und quantitative Analyse von Biofilmen mittels räumlicher Metabolomik wird ein wesentlicher Bestandteil zur Erreichung dieses Ziels sein. Zusätzlich zur bereits etablierten Hochdichtekultivierung werden die Immobilisierung auf Trägern und das materialunterstützte Biofilmwachstum getestet, um eine 3D-Kultivierung von Nostoc zu ermöglichen. Ziel des Projekts ist es, ein vielversprechendes biologisches System einzuführen und zu entwickeln, dass ein großes Potenzial für die Entwicklung als produktive Biofilmplattform aufweist, und eine Expertise und ein Toolkit bereitzustellen, die eine zentrale Rolle im Schwerpunktprogramm spielen können. Dabei werden vielfältige Synergien mit Projekten, die sich ebenfalls mit Cyanobakterien und ihren Biofilm-Photobioreaktoren befassen, die materialgestützte Ansätze für das Biofilmwachstum nutzen, sowie mit Projekten, die die räumliche Musterbildung in Mono- und Multispezies-Biofilmen untersuchen, erwartet.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2494: Produktive Biofilmsysteme