Streptomyces BioFilme: Biosynthese, Zusammensetzung und ihr Potenzial als Produktionssysteme in tubulären Bioreaktoren (StrepBio2Films)

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Anna-Lena Heins; Professorin Dr. Natalia Tschowri
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559318619

Aufgrund ihrer beeindruckenden biosynthetischen Vielfalt gelten Streptomyceten als „Biofabriken“ für sekundäre Metabolite und werden daher in der Biotechnologie häufig zur Herstellung von bioaktiven Verbindungen für die Medizin, Lebensmittelindustrie und Agrarwissenschaft eingesetzt. Diese Bakterien sind wichtige Mitglieder des Bodenmikrobioms mit einer faszinierenden Entwicklungsbiologie, die eine Transition von Filamenten zu Sporen beinhaltet. In industriellen Bioprozessen werden sie meist in großvolumigen Rührkesselbioreaktoren als planktonische Zellen kultiviert. Bedingt durch die filamentöse Natur dieser Bakterien ist es jedoch oft schwierig, optimale Kultivierungsbedingungen für eine hohe Produktivität aufrechtzuerhalten, da sich Zellklumpen bilden, die sich negativ auf die Produktivität auswirken. In ihrem natürlichen Habitat Boden bilden Streptomyceten häufig Biofilme. Allerdings ist über die Bildung, Zusammensetzung und Regulation der Biofilme in dieser Gattung sehr wenig bekannt. Darüber hinaus ist unser Verständnis von Streptomyces-Biofilmen für die Produktion von Antibiotika in Bioreaktoren und die Anwendung in Bioprozessen ebenfalls äußerst begrenzt. In diesem interdisziplinären Projekt bietet die synergetische Kombination einer Molekularmikrobiologin und einer Expertin für Bioverfahrenstechnik eine einzigartige Möglichkeit, die Mechanismen der Biofilmbildung in Streptomyces zu untersuchen und wichtige Erkenntnisse über die Robustheit, Reaktionsfähigkeit und Produktivität dieser Biofilme in Bioreaktoren zu gewinnen. Da die Physiologie von Streptomyceten sehr vielfältig ist, werden wir verschiedene Streptomyces-Modelle (S. venezuelae, S. griseus und S. coelicolor) einsetzen. Unsere vorläufigen Daten zeigen, dass c-di-GMP in S. venezuelae die Bildung der extrazellulären Matrix (ECM) durch einen neuartigen Matrixsynthasekomplex induziert. Wir werden die extrazelluläre Matrix isolieren und ihre Zusammensetzung und biophysikalischen Eigenschaften analysieren sowie erforschen, wie die ECM die Antibiotikatiter beeinflusst. In diesem Projekt planen wir, einen Durchbruch in der Anwendung von Streptomyces als Zellfabriken zu erzielen und werden zwei 3D-gedruckte rohrenförmige Durchfluss-Bioreaktor Aufbauten im Milliliter-Maßstab für produktive Streptomyces-Biofilme etablieren. Hierbei werden wir wichtige Erkenntnisse dazu gewinnen, wie sich verschiedene Bioprozess-Gradienten in vertikaler und horizontaler Richtung auf die Robustheit, die Produktivität und die Physiologie auf Populations- und Einzelzellebene des Biofilms auswirken. Zu diesem Zweck werden wir die wichtigsten Prozesskennzahlen analysieren, aber auch fluoreszierende Reporterstämme verwenden. Insgesamt stellen unsere synergetische Expertise und unsere vorläufigen Daten eine leistungsstarke Grundlage für das Verständnis und die Anwendung von Streptomyces-Biofilmen dar, mit dem Ziel, die Produktivität industriell wichtiger Medikamente zum Nutzen der Menschen zu steigern.

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