Steuerung der chemischen Produktivität von kooperativen photobiokatalytischen Konsortien durch materialunterstützten Licht- und Massetransport in Biofilmen

• Antragsteller: Dr. Mahir Bozan; Professor Dr. Tilo Pompe
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559375699

Gemischtartige Biofilme weisen vielversprechende Eigenschaften für die Photobiotechnologie in der chemischen Produktion auf. Allerdings haben Biofilmsysteme technologische Herausforderungen in Bezug auf Licht-, Nährstoff- und Produkttransport innerhalb der dichten Biofilmschichten. Diese Probleme schränken bisher industrielle Anwendungen stark ein. Dieses Projekt adressiert diese Probleme, um ein besseres Verständnis und eine gezielte Steuerung von Licht- und Stofftransport in photobiokatalytischen gemischtartigen Biofilmen für eine erhöhte chemische Produktion zu erreichen. Dazu werden wir Hydrogelstrukturen erarbeiten, welche Merkmale der natürlichen Biofilmmatrix aufweisen, und den Licht- und Stofftransport auch in tiefere Schichten von Biofilmen zu erreichen. Dreidimensionale poröse Hydrogelstrukturen auf Basis von Poly(acrylamid) werden mit eingestellter Porengröße, Vernetzungsgrad, Elastizität und Oberflächenfunktionalisierung synthetisiert und hinsichtlich ihrer Licht- und Molekültransporteigenschaften charakterisiert. Außerdem, werden wir mikrobielle Konsortien mit erweitertem spektralen Lichtsammelvermögen und kooperativen biokatalytischen Reaktioskadaden erarbeiten. Die Konsortien werden aus photoautotrophen gentechnisch veränderten Synechocystis sp., chemolithotrophen Wildtyp Rhodopseudomonas palustris und chemoheterotrophen Pseudomonas taiwanensis Zellen bestehen, wobei jede Spezie einzigartige metabolische und technologische Funktionen beisteuert. Mit unserem Ansatz von materialunterstützen gemischtartigen Biofilmkonsortien werden wir die biokatalytische Leistungsfähigkeit der Systeme bezüglich hoher Produktivität steuern. Wir werden räumlich und zeitlich aufgelöst analysieren, wie die verschiedenen kooperativen mikrobiellen Spezies ihre metabolische Wechselwirkung innerhalb dieser materialunterstützten Biofilme anpassen. Wir werden die photobiokatalytische Produktivität des Biofilmsystems anhand der Synthese von 6-Hydroxyhexansäure aus Cyclohexanon demonstrieren, da diese ein wichtiges Vorprodukt für die industrielle Herstellung von Polycaprolacton ist. Insgesamt zielt unsere Strategie auf eine höhere chemische Produktivität von Biofilmen. Die materialunterstützte Steuerung der Biofilmarchitektur und der metabolischen Wechselwirkung der kooperativen Spezies soll diese verbesserte Produktivität ermöglichen. Darüber hinaus wollen wir ein besseres Verständnis der Anpassung mehrerer biokatalytisch aktiver Spezies in Bezug auf ihre räumliche und zeitliche Lokalisierung und metabolische Aktivität erreichen, indem wir neue quantitative Analysemethoden der Biokatalyse von gemischtartigen Biofilmen entwickeln und einsetzen. Die Ergebnisse unseres Projekts werden den aktuellen Kenntnisstand zu produktiven Biofilmen erweitern, neue Modellsysteme für gemischtartige biokatalytische Biofilme bereitstellen und tiefergehende Einblicke in die Prinzipien des Licht- und Stofftransports in Biofilmen aufzeigen.

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