Entwicklung von lebenden 3D-Hybridmaterialien für die mixotrophe Biofilm-Katalyse

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Katja Bühler; Dr.-Ing. Rohan Karande
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559382400

Das Projekt 3D-BioCat leistet Pionierarbeit bei der Entwicklung einer neuen Plattform für die Kultivierung lichtbetriebener mixotropher Biofilme, um nachhaltige Produktionswege für Polymervorstufen zu erschließen. Im Mittelpunkt des Projekts steht die Entwicklung modularer Reaktoren, welche auf der Grundlage Hybrider Lebender Materialien (HLMs) das Wachstum chemo-heterotrophe, photoautotrophe und gemischter Biofilme unterstützen. Dabei treibt uns die Hypothese, dass Photo-Biofilm-Katalysatoren in 3D-Strukturen kultiviert und zur Katalyse eingesetzt werden können, indem Geometrien aus der Natur in technische Systeme übertragen werden. Um diese Hypothese zu erforschen, untersucht 3D-BioCat zwei von der Natur inspirierte HLM-Reaktorgeometrien: eine spiralförmige Konfiguration, die zu vertikal zylindrischen Reaktoren führt, und ein halbellipsoides Design. Das Projekt zielt darauf ab, beide Formate zu bewerten und sich dabei auf zwei Hauptleistungsindikatoren zu konzentrieren: die katalytische Effizienz bei der Herstellung von Epsilon-Caprolacton und die potenzielle Skalierbarkeit für den industriellen Einsatz. Darüber hinaus wird im Rahmen des Projekts die langfristige katalytische Effizienz rekombinanter Biofilme für eine nachhaltige Epsilon-Caprolacton-Produktion bewertet und verbessert. Eine innovative Skalierungsstrategie sieht außerdem die Realisierung eines 3000 cm2 großen Biofilmreaktor-Prototyps vor, der für die kontinuierliche Produktion von Chemikalien ausgelegt ist und damit die Grenzen der industriellen Biotechnologie verschiebt. Im Mittelpunkt der Forschung steht der rekombinante Produktionsstamm Syn6803_capro, der zwei heterologe Gene enthält, die für Enzyme kodieren, die die Synthese von Epsilon-Caprolacton katalysieren. Bei den Enzymen handelt es sich um eine Alkoholdehydrogenase (CDH) und eine Baeyer-Villiger-Monooxygenase (CHMO), die aus dem Bakterium Acidovorax sp. CHX100 stammen. Vorläufige Arbeiten an photo HLM-Reaktoren, verbunden mit ihrer Charakterisierung mittels Rasterelektronenmikroskopie und ihrer Anwendung in spiralförmigen Bioreaktoren, bilden die experimentelle Grundlage für das 3D-BioCat-Projekt. Durch unsere umfangreiche etablierte Biofilm Charakterisierungsplattform bestehend aus konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie, optischer Kohärenztomographie, Rasterelektronenmikroskopie, Helium-Ionen-Mikroskopie, Durchflusszytometrie, und sowohl Gas- als auch Flüssigkeitschromatographie, kann die Biofilmbildung zeit- und ortsaufgelöst verfolgt und analysiert, und die katalytische Aktivität des Gesamtsystems bestimmt werden. Darüber hinaus werden wir untersuchen, ob plasmid-basierte Ganzzellkatalysatoren über lange Reaktionszeiten stabil sind und wie sich Plasmidstabilität und Expressionsprofile in den Biofilmen entwickeln. In Zukunft sollen unsere neuen skalierbaren Bioreaktoren auf der Grundlage von HLMs das Potenzial produktiver Biofilme zur kontinuierlichen Herstellung von Chemikalien und Energieträgern nutzen.

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