CoConut: Cell-cell interaction in a synthetic co-culture, PHA production from sunlight and CO2 in an artifical co-culture between Synechococcus elongatus and Pseudomonas putida
Die meisten biotechnologischen Prozessen benutzen Bakterien, die Kohlenhydrate metabolisieren, um dadurch unterschiedliche Produkte zu synthetisieren. In gängigen Produktionsprozessen formen die Kosten für diese Kohlenhydrat-Substrate einen signifikanten Teil der gesamten Prozesskosten. Außerdem stammen die Kohlenhydrate oft aus landwirtschaftlichen Quellen, und somit steht weniger Land für die Produktion von essbaren Gewächsen zur Verfügung. Deswegen ist die Wissenschaft daran interessiert, traditionelle Gewächs-basierte Substrate wie Zuckerrohr, Mais und Weizen mit Kohlenhydraten aus eukaryotische Algen- oder Cyanobakterien zu ersetzen. Dies würde zu vielen Vorteilen führen: Die neuen Kohlenhydrat Quellen können auf nicht-bebaubaren Grund, Salz- oder Brackwasser produziert werden, und somit Grund für die Produktion von essbaren Gewächsen freigeben. Außerdem ist die mikrobielle Effizienz für die Umwandlung von Sonnenenergie in Biomasse höher als die von terrestrischen Pflanzen. Gleichzeitig wird auch der Erdaufwärmung entgegengewirkt, weil CO2 in Biomasse und Produkt gespeichert wird. Leider sind die intrinsischen Kapazitäten von photosynthetischen Organismen für die Produktion von Wertstoffen limitiert und die Effizienz dessen ist gering.
Das Ziel des CoConut Projektes ist, diese Hürde durch Anwendung und Analyse einer synthetischen Mischkultur unter definierten Bedingungen, in welchen Zuckerproduktion durch einen photosynthetischen Organismus direkt gekoppelt ist an das Wachstum von einem heterotrophen Produktionsstamm, zu überwinden (siehe graphical Abstract). Der Konzeptnachweis wurde in unsere Gruppe bereits demonstriert (siehe PHA aus CO2 und Sonnenlicht in definierten Mischkulturen). Diese synthetische Mischkultur ermöglicht die Realisierung von Abläufen die in einzelne Zellen schwer zu programmieren sind. Dazu kommt, dass beide Stämme genetisch modifiziert sind, um deren individuelle Aufgabe optimal ausführen zu können. Die Verteilung der Arbeit durch spezialisierte Spezies gleicht der Situation in natürlichen mikrobiellen Konsortien und kann im Vergleich zu Monokulturen zu höherer katalytischer Aktivität und Stabilität führen. In der artifiziellen Mischkultur stellt der photosynthetische Stamm (Upstream Stamm), hier S. elongatus PCC7942, das Substrat für den heterotrophen Downstream Stamm, hier Pseudomonas putida EM173, zur Verfügung. Das Cyanobakterium fixiert CO2 durch Photosynthese und sekretiert genügend Saccharose um das Wachstum von P. putida, welche genomisch modifiziert wurden um Saccharose als C-Quelle zu metabolisieren, zu ermöglichen. Der Downstream Stamm kann entweder direkt für die Produktion von interessanten Komponenten durch Ausnutzung von intrinsischen biologischen Eigenschaften (zB. PHA-Produktion in Fall von P. putida) genutzt werden, so wie es in diesem Projekt gemacht wird, oder er kann als Grundgerüst genutzt werden, in welches genetische Informationen für die Produktion von gewünschten Produkten integriert werden.
Damalige Projektbetreuung: Dr. Franziska Kratzl
