Biobasierte und CO2-freie Produktion von Plattformchemikalien durch Substratmultiplexing

Der Übergang zu einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft erfordert die Verwendung erneuerbarer Rohstoffe und biobasierter Verfahren. Entwickelte Mikroorganismen, die erneuerbare Rohstoffe wie Zucker aus landwirtschaftlichen Abfällen oder andere erneuerbare Kohlenstoffquellen verwenden, können bei niedrigen Prozesstemperaturen arbeiten und es entstehen keine toxischen Abfälle. Derzeit verwenden industrielle Mikroorganismen hauptsächlich zuckerbasierte Ausgangsstoffe; obwohl Mikroben auf Zucker effizient wachsen, ist Zucker nicht optimal für die Produktion von Plattformchemikalien mit einem hohen Reduktionsgrad.  Bei vielen reduzierten Chemikalien ist das Energie-Kohlenstoff-Verhältnis niedrig oder die Stoffwechselwege ausgehend von Zuckern sind ineffizient. Infolgedessen können nur geringe Kohlenstoffausbeuten erzielt werden und es kommt zu erheblichen CO2-Emissionen.

Durch die Kombination verschiedener Ausgangsstoffe mit sich ergänzenden Eigenschaften könnte diese Hürde überwunden werden. Methan, das aus dem anaeroben Abbau von Biomasse (Biogas) gewonnen wird, ist reichlich vorhanden, und Methan ist das C1-Molekül mit dem höchsten Reduktionsgrad. Diese Eigenschaften machen Methan und seine Derivate wie Methanol zu großartigen Kandidaten für die Kombination mit Zuckerrohstoffen, um eine vollständige Kohlenstoff- und Energieeffizienz und null CO2-Emissionen zu ermöglichen.

Um einen solchen Null-CO2-Prozess zu ermöglichen, kombinieren wir:

In-silico-Design: Wir verwenden Modelle, die alle Stoffwechselwege einschließen, die an der Inkorporation von Zucker und Methanol beteiligt sind, um alle möglichen Kombinationen von Rohstoffen zu bewerten. Mit Hilfe verschiedener Algorithmen wie Flux Balance Analysis (FBA) oder Min-Max Driving Force (MDF) bewerten wir die verschiedenen Stoffwechselwegekombinationen einschließlich ihrer Erträge, Kohlenstoff- und Energieeffizienz und thermodynamischen Machbarkeit. Diese Simulationen können in wenigen Minuten durchgeführt werden, anstatt Jahre für experimentelle Tests zu benötigen.

Experimentelle Validierung: Die besten Stoffwechselkombinationen werden in E. coli oder C. glutamicum implementiert, und die Stämme werden in Bioreaktoren von 0,5 bis 2 Litern unter verschiedenen statischen und dynamischen Fütterungsstrategien kultiviert. Die Leistung wird anhand der extrazellulären und intrazellulären (Metabolom) Stoffwechselprodukte und -raten bewertet. Diese werden mit HPLC, GC und HPLC-MSMS gemessen. Wir analysieren auch die Veränderungen in der Proteinexpression, die durch metabolisches Engineering und veränderte Kulturbedingungen hervorgerufen werden. Gemeinsam erzeugen wir umfangreiche Datensätze für eine Zeitreihe des Metaboloms und des Proteoms der Zelle.

Analyse, Lernen und verfeinertes Design: Wir werden all diese heterogenen Daten integrieren und sie in ein Modell des gesamten Organismus zurückführen. Dies wird ein umfassendes Modell sowohl der Zelle als auch des Produktionsprozesses liefern, dass uns ermöglicht, die Dynamik und das Verhalten der Zellen unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen, Engpässe zu erkennen und die Produktion weiter zu optimieren. und eine maximale Produktausbeute und Prozesseffizienz zu erreichen.

Wir freuen uns über Studenten, die bei uns ihr Praktikum/Bachelorarbeit/Masterarbeit machen wollen! Wenn Sie an einer Zusammenarbeit mit uns interessiert sind, senden Sie Ihre Bewerbung mit Lebenslauf und einem kurzen Motivationsschreiben an carlos.arevalo@fau.de.