2025-06-032025-06-03https://hdl.handle.net/11420/55775Trotz ihres Potenzials gibt es mehrere Herausforderungen, die die Umsetzung von Biofilmprozessen in der weißen Biotechnologie behindern. Zentrale Herausforderungen sind die unvorhersehbare Retention von Biomasse in Biofilmen, das Fehlen etablierter Modellprozesse und das begrenzte Wissen über die genetische Stabilität genetisch veränderter Stämme in kontinuierlichen, auf Biofilmen basierenden Prozessen. Darüber hinaus wird es entscheidend sein, Diffusionslimitierungen zu minimieren, um Biofilmprozesse erfolgreich zu optimieren. Wir streben die Entwicklung von Shewanella oneidensis-Biofilmen an, die 2,3-Butandiol produzieren und an magnetische Nanopartikel gebunden sind. Diese Nanopartikel ermöglichen die Manipulation von Biofilmdichte, Morphologie und Bewegung als Reaktion auf angelegte Magnetfelder und erleichtern zudem den Transport von Elektronen zu sauerstoffreichen Bereichen im Reaktor. Dabei möchten wir die Biofilmeigenschaften auch genetisch steuern und die Zellen durch Transposase-deaktivierung genetisch stabilisieren. Wir haben die notwendigen Arbeiten in sechs miteinander verbundene Arbeitspakete (WP) strukturiert: - WP1: Wir werden Stämme mit einer vorhersehbaren und robusten extrazellulären polymeren Matrix entwickeln und die Oberflächen dieser Stämme mittels Einzelzellkraftspektroskopie analysieren. Die Zellen werden mit magnetisch leitfähigen Nanopartikeln verbunden, die dabei helfen werden, die Biofilmarchitektur mithilfe von Permanentmagneten zu steuern. - WP2: Wir werden die genetische Stabilität durch Deaktivierung von Transposasen erhöhen und die Korrelation zwischen der Deaktivierung von Transposasen und der Produktionsstabilität analysieren. - WP3: Wir werden unsere robotische Infrastruktur verbessern, indem wir einen Roboterarm integrieren, der programmierbare Bewegungen von Permanentmagneten zum Modulieren der Biofilmarchitektur ermöglicht und zudem eine reproduzierbare Platzierung der Setups auf einem Mikroskoptisch erlaubt. - WP4: Wir werden die Produktivität des Biofilms unter verschiedenen Bewegungsregimen der Permanentmagneten analysieren und Methoden untersuchen, um die Produktivität durch Modulation der Biofilmstruktur zu steigern. - WP5: Wir werden Raman-Mikrospektroskopie nutzen, um das dreidimensionale Profil der metabolischen Aktivität in den in WP4 entwickelten Biofilmen zu analysieren und die allgemeine metabolische Produktivität mit der Produktivität von 2,3-Butandiol zu vergleichen. - WP6: Wir werden eine Raman-unterstützte Zellsortiermethode entwickeln, die mit Transkriptom- und Genomsequenzierungsansätzen gekoppelt wird, um zu analysieren, wie metabolische Aktivität mit den genetischen Veränderungen, die im Laufe der Zeit auftreten, korreliert. Insgesamt wird das Projekt eine Reihe grundlegender Fragen in der angewandten Biofilmforschung beantworten und ist im Fokus des Schwerpunktprogramms.Despite their potential, several challenges hinder the implementation of biofilm processes in white biotechnology. Key challenges include the unpredictable retention of biomass in biofilms, the absence of established model processes, and limited knowledge about the genetic stability of genetically modified strains in continuous biofilm-based processes. Furthermore, it will be crucial to minimize diffusion limitations in order to successfully optimize biofilm processes. We aim to address these challenges by using the biofilm-based production of the platform chemical 2,3-butanediol as a model process. We seek to develop Shewanella oneidensis biofilms that produce 2,3-butanediol and are bound to magnetic nanoparticles. These nanoparticles will enable the manipulation of biofilm density, morphology, and movement in response to applied magnetic fields, as well as facilitate the transport of electrons to oxygen-rich areas within the reactor. We also aim to genetically control the properties of the biofilm and stabilize the cells genetically through transposase deactivation. The planned experiments will allow us to answer a series of fundamental questions regarding the application of biofilms in production processes and evaluate engineering solutions for existing problems. We have organized the necessary work into six interconnected work packages (WPs): - WP1: We will develop S. oneidensis strains with a predictable and robust extracellular polymeric matrix, analyzing the surface characteristics of these strains using single-cell force spectroscopy. The cells will be specifically connected to magnetic conductive nanoparticles, which will aid in steering the biofilm architecture using permanent magnets. - WP2: We will enhance genetic stability by deactivating transposases and analyze the correlation between transposase deactivation and production stability. Additionally, we will compare long-term productivity in biofilm and planktonic systems to understand how the form of cell application influences production stability. - WP3: We will improve our robotic infrastructure by integrating a robotic arm that allows for programmable movement of permanent magnets to modulate biofilm architecture, as well as facilitate reproducible placement of the setups on a microscope stage for fluorescence microscopy inspection. - WP4: We will analyze biofilm productivity under different movement regimes of the permanent magnets and investigate methods to increase productivity through modulation of biofilm structure. - WP5: We will utilize Raman micro-spectroscopy to analyze the three-dimensional profile of metabolic activity in the biofilms developed in WP4 and compare overall metabolic productivity with the productivity of 2,3-butanediol. - WP6: We will develop a Raman-assisted cell sorting method that will be coupled with transcriptomic and genomic sequencing approaches to analyze how metabolic activity correlates with the genetic changes that occur over time.