CO2-Fixierung unter Extrembedingungen

Sowohl in der Gesellschaft, als auch in der Industrie ensteht nach und nach das Bewusstsein, dass ein Übergang von der petrochemischen Industrie zu nachhaltigen Bioprozessen dringendst nötig ist. In diesem Zusammenhang ist die Verwendung von autotrophen Mikroorganismen als Zellfabriken für die Umwandlung von CO2 in wertgeschöpfte Chemikalien und Treibstoffe eine vielversprechende Strategie. Vor kurzem wurde ein einzigartiger Weg zur CO2-Fixierung in thermoacidophilen Archeen, die optimal bei hoher Temperatur und niedrigem pH Wert wachsen, entdeckt. Während die genetisch manipulierbare und industriell vielversprechende Spezies Sulfolobus acidocaldarius die Gene für diesen Stoffwechselweg der CO2-Fixierung trägt, hat sie dennoch die Fähigkeit zur CO2 Fixierung verloren. In diesem Projekt werden wir die Faktoren erforschen, die diesen Verlust verursacht haben: entweder sind ein oder mehrere Enzyme in diesem Stoffwechselweg nicht funktional, oder die Regulation von Expression und Transkription des Stoffwechselwegs ist defekt. Wir werden OMICs-Methoden mit detaillierten biochemischen Analysen kombinieren, um Grundlagenwissen zur Funktionsweise dieses Stoffwechselwegs zu generieren. Wir werden dieses Wissen verwenden, um die Fähigkeit zur CO2-Fixierung wieder in S. acidocaldarius zu implementieren und dann mit diesem Stamm einen autotrophen Bioprozess im Pilotmaßstab entwickeln. Dieses Projekt hat es zum Ziel einen effizienten, mikrobiellen Prozess zur CO2 Fixierung unter extremen Bedingungen zu entwickeln. Außerdem, werden wir Grundlagenwissen zur Funktionsweise des 3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyrat-Zyklus und seiner Regulation auf Transkriptionsebene generieren.

In diesem gemeinsamen FWO-FWF-Projekt, das von den Partnern TU Wien (TUW) und Vrije Universiteit Brussel (VUB) durchgeführt wurde, wurde das Verständnis für extremophile Organismen und ihre jeweilige Bioprozessierung verbessert und verschiedene Anwendungen von zwei Mitgliedern der Ordnung Sulfolobales, nämlich S. acidocaldarius und Metallosphaera sedula, untersucht. Wir präsentieren die erste detaillierte physiologische Charakterisierung von S. acidocaldarius in einer kontrollierten, kontinuierlich betriebenen Bioreaktorumgebung auf verschiedenen Substraten. Wir haben erfolgreich eine dringend benötigte Methode zur Bestimmung der Lebensfähigkeit dieser Extremophilen entwickelt. Wir untersuchten die Auswirkung von Sauerstoff auf diese speziellen Organismen und skalierten erfolgreich einen Bioreaktor-Kultivierungsprozess von 2 L auf 200 L. Wir analysierten die speziellen Tetra-Ether-Lipide dieser Organismen, für die wir eine noch nie dagewesene Analysemethode entwickelten, und nutzten sie zur Erzeugung neuartiger Liposomen und Lipid-Nanopartikel, die wir im Detail analysierten. Diese Lipide stellen hochinteressante Bausteine für zukünftige medizinische Anwendungen dar. Außerdem haben wir ein neuartiges, definiertes Kultivierungsmedium für M. sedula entwickelt, das in Zukunft eine detailliertere Grundlagenforschung mit diesem Organismus ermöglicht. Schließlich haben wir auch den Überlauf-Stoffwechsel von S. acidocaldarius aufgeklärt - ein in der Wissenschaft bisher unbekanntes Phänomen. Das wissenschaftliche Ergebnis dieses erfolgreichen Projekts sind 6 von Fachleuten begutachtete wissenschaftliche Veröffentlichungen und 1 akzeptiertes Manuskript.