2025-07-042025-07-04https://hdl.handle.net/11420/56098Aufgrund 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.Streptomyces are considered as ‘biofactories’ of secondary metabolites and are therefore extensively used in industrial biotechnology for the production of compounds with important biological activities in medicine, food industry and agronomy. These bacteria are prominent members of the soil microbiome with a fascinating developmental biology involving a complex transition from filaments to spores. In industrial bioprocesses they are mostly cultivated in large scale stirred-tank bioreactors as planktonic cells. However, because of their filamentous nature, maintaining optimal cultivation conditions for high productivity is often challenging due to the formation of cell clumps. In their natural habitat soil, Streptomyces exist in biofilms, but little is known about the formation, composition and regulation of biofilms in this genus. Moreover, the experience with Streptomyces biofilms for production of antibiotics in bioreactors is also extremely limited. In this interdisciplinary proposal, the synergetic combination of a molecular microbiologist and an expert in bioprocess engineering provides a unique possibility to study the mechanisms of biofilm formation in Streptomyces and additionally get important insights about robustness, responsiveness and productivity of these biofilms in bioreactors especially in response to bioprocess gradients of different kind. As Streptomyces physiology is diverse, to advance our knowledge about biofilm formation and composition, we will study different Streptomyces models (S. venezuelae, S. griseus and S. coelicolor) for antibiotics production and build on our preliminary data showing that in S. venezuelae c-di-GMP induces extracellular matrix (ECM) formation through a novel matrix synthase complex. We will isolate the extracellular matrix and analyze its composition and biophysical properties and investigate how antibiotic titers are affected by the ECM. We plan to achieve a breakthrough in Streptomyces application as cell factories and will establish two millilitre scale 3D-printed tubular flow bioreactor setups for productive Streptomyces biofilms to analyse how different bioprocess gradients in vertical and horizontal direction affect biofilm robustness, productivity and physiology on population and single cell level. For that purpose, we will analyse key performance parameters but also apply fluorescent reporter strain, whose fluorescence will be monitored via fluorescence microscopy and omics analysis. Altogether, our combined complementary expertise and strong preliminary data represent a powerful and unique baseline for understanding and application of Streptomyces biofilms for production of antibiotics with the aim to increase productivity of industrially important drugs for human benefits.