2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/15835Die Elektrobiotechnologie ist eine aussichtsvolle Technologie an der Schnittstelle Elektrochemie-Biotechnologie zur Nutzung von CO2 und Elektrizität für die mikrobielle Biosynthese von Chemikalien und Kraftstoffen in bioelektrochemischen Systemen (BES). Ein diesbezüglicher Ansatz ist die Umwandlung von CO2 in CO und die elektrochemische Bildung von Synthesegas. Letzteres wird dann biologisch in Chemikalien oder flüssige Brennstoffe umgewandelt. Obwohl die entkoppelte Biokonversion von Synthesegas in letzter Zeit große Fortschritte gemacht hat, weist diese Technologie immer noch einige inhärente Hindernisse wie z.B. ein begrenzter Massentransfer von Gasen in das Kulturmedium, eine geringe Aufnahme oder ein ineffizienter Transfer von Elektronen oder Elektronenträgern zum mikrobiellen Wirt sowie Sicherheitsaspekte bzgl. Toxizität und Explosivität der Substrate auf. Zudem haben Acetogene als die am häufigsten verwendeten mikrobiellen Wirte für die Biokonversion von Synthesegas ein begrenztes Produktspektrum, da die Produktion komplexerer Moleküle außerhalb der Stoffwechselkapazität liegt. In diesem Projekt wird die Fähigkeit von H. pseudoflava Synthesegas zu verstoffwechseln und die Kapazität von konstruierten H. pseudoflava-Stämmen Fettsäuren zu produzieren in einem neuen elektromikrobiellen Produktionssystem mit in situ und on demand Bereitstellung von H2 und O2 (aus H2O) und CO (aus CO2) untersucht. Um ein systemisches und quantitatives Verständnis des Elektronentransfers und seines Einflusses auf den Redox- und Energiestoffwechsel dieses carboxydotrophen Bakteriums zu entwickeln, wenden wir Metabolom- und Flussanalysen an und bestimmen kinetische Kennzahlen des Wildtyps und konstruierter Mutanten, die Defekte im Elektronentransfer und Energie- und Redoxstoffwechsel tragen. Die Charakterisierung der Stämme erfolgt bei verschiedenen Gaszusammensetzungen, die durch das optimierte BES bereitgestellt werden. Dieses überwindet zudem die bereits genannten aktuellen Einschränkungen und Limitierungen von bioelektrochemischen Systemen und Gasfermentationen. Die Erkenntnisse werden genutzt, um ein erstes Stoffwechsel- und Elektronentransfermodell des autotrophen Metabolismus von H. pseudoflava zu erstellen, v.a. hinsichtlich der Nutzung verschiedener Elektronenträger, Energie- und Redoxbilanzen. Zudem werden wir H. pseudoflava-Stämme für die Produktion von Fettsäuren konstruieren. Fettsäuren stellen eine ATP- und NADPH-intensive Produktklasse dar. Daher wird die Überproduktion den Metabolismus von H. pseudoflava v.a. unter autotrophen Bedingungen fordern. Eine quantitative Analyse der entwickelten Stämme wird für die Validierung und Verfeinerung des Stoffwechsel- und Elektronentransfermodell verwendet. Dieses Projekt wird neue Möglichkeiten eröffnen, um effiziente elektromikrobielle Produktionsstämme zu konstruieren und um verbesserte Elektrofermentationen künftig zu entwickeln.Electrobiotechnology is a promising technology at the interface of electrochemistry and biotechnology to use CO2 and electricity for the microbial biosynthesis of chemicals and fuels in bioelectrochemical systems (BES). An appealing approach in this regard is the conversion of CO2 to CO and the formation of syngas (H2, CO, CO2) electrochemically; the latter is then biologically converted into chemicals or liquid fuels. Although the decoupled bioconversion of syngas has made impressive progresses recently, this technology still has several inherent obstacles such as limited mass transfer of gases into culture medium, low uptake or inefficient transfer of electrons or electron carriers to the microbial host, and safety issues regarding toxicity and explosiveness of the substrates. Furthermore, acetogens as the mostly used microbial hosts for syngas bioconversion have a limited spectrum of products since the production of more complex molecules is outside the metabolic capacity. In this project, the great potential of Hydrogenophaga pseudoflava in the aerobic utilization of syngas and the capacity of engineered H. pseudoflava for the production of fatty acids will be explored in a novel direct electromicrobial production system with in situ and on demand production of H2 and O2 (from water) and CO (from CO2). To develop a systemic and quantitative understanding of the electron transfer and its impact on redox and energy metabolism of this carboxydotrophic bacterium, we will apply metabolomics, flux analysis and quantify kinetic parameters of the wild type and engineered mutants defective in electron transfer, energy and redox metabolism under given gas compositions provided by an optimized BES. The BES will address current limitations of bio-electrochemical systems and gas fermentations as already mentioned above. The gained knowledge will be utilized to set up a first metabolic and electron transfer model of the autotrophic metabolism of H. pseudoflava, especially regarding uptake of the different electron carriers, energy and redox balances. Furthermore, we will engineer H. pseudoflava for the production of fatty acids which represent an ATP and NADPH intensive product class and therefore its overproduction will challenge the metabolism of H. pseudoflava especially under autotrophic conditions. A quantitative analysis of the developed strains will be used to evaluate and refine the metabolic and electron transfer model. This project will open up new possibilities to engineer efficient electromicrobial production strains and to develop improved electro-fermentation.