2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16531Das Ziel des hier vorgestellten Projektes ist es, zu untersuchen, welchen Einfluss leitfähige Nanostrukturen auf die anaerobe Biofilmbildung von Shewanella oneidensis auf Elektroden haben. Darauf aufbauen möchten wir zeigen, wie weit man die endogene Fähigkeit des Organismus steigern kann, einen leitfähigen Biofilm auf unlöslichen Elektronenakzeptoren zu bilden. S. oneidensis ist der am besten verstandene Modellorganismus in Bezug auf extrazelluläre Atmungsvorgänge endend auf unlöslichen Elektronenakzeptoren wie Fe(III) oder Elektroden in bioelektrochemischen Systemen. Trotzdem sind die Elektronentransferraten und Stromdichten viel geringer verglichen mit dem anderen Modellorganismus für extrazelluläre Atmungsvorgänge – Geobacter sulfurreducens. Es ist unsere Forschungshypothese, dass dieser Unterschied vor allem darin begründet liegt, dass G. sulfurreducens verschiedene Mechanismen benutzt, um eine konduktive extrazelluläre Matrix auszubilden. Diese Fähigkeit ist bei S. oneidensis nicht oder zumindest viel weniger stark ausgebildet. Daher möchten wir untersuchen inwieweit die Biofilmbildung auf Anodenoberfächen durch die Integration konduktiver Nanostrukturen gesteuert werden kann und wie die Zellen auf diese Strukturen reagieren. Dazu werden wir eine vor kurzem etablierte mikrofluidische Plattform benutzen, die wir modular weiterentwickelt haben, um auch Anodenbiofilme zu untersuchen. Wir möchten dabei zeigen, welche Stromdichten maximal erreichbar sind und damit den Zielwert für ein zweites Arbeitspaket generieren. Hier wollen in S. oneidensis synthetisch endogene leitfähige Strukturen produzieren, die wir gezielt in die extrazelluläre polymere Matrix lokalisieren wollen. Dazu möchten wir die kürzlich vorgestellte SpyTag/Spy/Catcher Technologie benutzen, mit der es möglich ist, posttranslational Isopeptidbindungen zwischen zwei Proteinen zu etablieren.The aim of this proposal is to understand the boundary conditions of conductive biofilm development by Shewanella oneidensis on electrode surfaces and the synthetic development of an advanced ability of the organism to endogenously build these current producing structures. S. oneidensis is the best understood model organism regarding extracellular electron transfer and the ability to thrive with insoluble electron acceptors. Still, the achievable electron transfer rates with these electron acceptors are several fold lower compared to the other model organism for extracellular electron transfer – Geobacter sulfurreducens. Our research builds upon the hypothesis that the reduction of electron acceptors like hematite or the ability to produce a current in a bioelectrochemical system is correlated to the ability to produce conductive biofilms. This is corroborated by the ability of G. sulfurreducens cells to integrate conductive structures in its extracellular polymeric substance. In the proposed work we will fundamentally establish how biofilm production on anode surfaces by S. oneidensis can be steered by the addition of abiotic or biotic conductive structures. To this end we will use a recently establish microfluidic platform that was advanced for use with bioelectrochemical systems. We want to understand how the organism reacts to the integration of this material and what the maximum current densities are that can be established using these exogenous current collectors. This maximum current density will be the benchmark that we want to reach when we engineer S. oneidensis to endogenously produce conductive structures within its extracellular polymeric material. We will export outer membrane cytochromes into the matrix and will synthetically connect them via isopeptide bonds to other proteins on the surface of the cell. To reach this goal we will use the recently established SpyTag/SpyCatcher technology that allows the posttranslational connection of proteins.