IGUANA: A systems biotechnology approach for improving substrate uptake during succinic acid production in a two-phase cultivation process.

Succinat ist einer der wichtigsten chemischen Bausteine, um einen Übergang zu einer biobasierten Wirtschaft zu erreichen. Da die bisherigen mikrobiellen Prozesse jedoch noch weitgehend nicht wettbewerbsfähig mit dem Erdöl-basierten Verfahren sind, besteht hier noch Verbesserungsbedarf. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Succinat Produktion durch Fermentation ist die Anwendung eines Zwei-Phasen Prozesses. In der ersten Phase wird unter aeroben Bedingungen möglichst viel Biomasse gebildet und in der zweiten Phase dann unter anaeroben Bedingungen das Produkt. Solche Zwei-Phasen Fermentationen können theoretisch viel höhere Produktivitäten erreichen als Ein-Phasige Fermentationen, da das mikrobielle Wachstum von der Produktion entkoppelt wird, wodurch die Konkurrenz um Ressourcen für die Biomasseproduktion in der zweiten Phase verringert wird. Ein zentrales Problem bei Zwei-Phasen Fermentationen ist jedoch, dass die Substrataufnahmerate der Zelle unter realen, langsamen Wachstumsbedingungen typischerweise abnimmt, so dass die volumetrische Produktivität im Vergleich zu einem einphasigen Prozess ohne weitere technische Maßnahmen nicht wesentlich erhöht wird.

Das Ziel dieses Projekts besteht darin, die Substrataufnahmerate von Escherichia coli in der anaeroben Produktionsphase in einer Zwei-Phasen Fermentation zu erhöhen. Dabei steht im Vordergrund zu verstehen, wie und warum die Limitierung der Substrataufnahmerate zustande kommt. Im Idealfall kann dadurch dann ein verbesserter Zwei-Phasen Fermentationsprozess mit E. coli entwickelt werden und die Ergebnisse auch auf andere industriell relevante Bakterien angewendet werden.

Dies soll mithilfe von in-silico Modellierung und dem „metabolic engineering“ von E. coli erreicht werden. Bei der in-silico Modellierung werden modernster ressourcenbeschränkter Stoffwechselmodelle auf Genomebene verwendet, um den Stoffwechsel von Mikroorganismen zu simulieren. Dieses Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg bearbeitet. Dort werden die experimentellen Arbeiten durchgeführt, während hier sich ausschließlich auf den in-silico Teil des Projekts konzentriert wird.

Projektbetreuung: M.Sc. José García Lima

Startdatum des Projektes: 01.07.2022