Cyanobakterielle Biotransformationen

Biotechnologische Verfahren bieten die Möglichkeit, anspruchsvolle chemische Reaktionen wie beispielsweise selektive Redoxreaktionen unter schonenden Reaktionsbedingungen durchzuführen. Viele biokatalytische Reaktionen erfordern jedoch den Zusatz organischer Verbindungen wie Zucker oder Petrochemikalien, um dem Prozess chemische Energie zuzuführen. Mikroalgen können diese chemische Energie über Photosynthese generieren. Dies erlaubt den Ersatz der organischen Verbindungen durch Wasser, einem umweltfreundlichen und in großen Mengen verfügbarem Rohstoff. Eine hohe katalytische Aktivität der Mikroalgen ist zwar erwünscht, führt aber auch zu einer Erschöpfung des Energiestoffwechsels. Cyanobiotrans untersucht daher die Auswirkungen von synthetischen Reaktionen auf den Energiestoffwechsel von Mikroalgen und beschäftigt sich insbesondere mit den Ursachen von Stress und der Adaptation der Zellen dagegen. So können durch die starke photosynthetische Aktivität der Zellen während des katalytischen Prozesses Sauerstoffradikale entstehen. Der zusätzliche Konsum von chemischer Energie in der Zelle kann die Organismen destabilisieren. Zunächst wird analysiert, wie sich die Zelle über ihre genetische Regulation an diesen Stress anpasst. Danach werden Strategien untersucht, um die photosynthetische Bereitstellung der chemischen Energie mit dem Verbrauch durch die synthetischen Enzymreaktionen zu balancieren. So kann durch ein gezieltes Ausschalten bestimmter Schutzmechanismen gegen Lichtschwankungen der Energiemetabolismus gezielt in Richtung der biokatalytischen Reaktion gelenkt werden. Das Verständnis dieser entscheidenden Faktoren schafft die Grundlage, Cyanobakterien als biotechnologische Produktionsorganismen für die umweltfreundliche Herstellung von Chemikalien und Pharmastoffen zu etablieren. of heterologous oxidoreductases as synthetically useful electron sinks in cyanobacteria Biotechnological processes offer clean and sustainable conditions for challenging chemical reactions. Many biocatalytic reactions, however, require the supply of chemical energy in the form of donor substrates. These cosubstrates are usually sugards or petrochemicals. Microalgae have the unique ability to generate chemical energy by photosynthesis, which allows to substitute organic cosubstrates by water, a clean and in large quantities available resource. The project investigates the effect of synthetically useful reactions on the energy metabolism in cyanobacteria. Focus lies on the understanding, how the cells adapt to stress caused by the reactions. This includes the formation of oxygen radicals by their own photosynthesis. A second risk is the depletion of the energy supply by the biotechnologic process as additional consumer. The project studies the genetical adaption of the cells to the conditions of the catalytic process. Then we will investigate strategies to achieve a balance between photosynthetic energy supply and consumption by catalytic reactions. A targeted reduction of non-essential protection mechanisms against fluctuating light is a promising approach to direct the energy metabolism towards the desired biotechnological reactions. Understanding the physiological effects of light-driven biotransformations and potential strategies for their improvement by cell engineering is an important basis to establish cyanobacteria as clean production organisms for the sustainable synthesis of chemical and pharmaceutical products. 1

Biotechnologische Verfahren bieten die Möglichkeit, anspruchsvolle chemische Reaktionen wie beispielsweise selektive Redoxreaktionen unter schonenden Reaktionsbedingungen durchzuführen. Mikroalgen können diese chemische Energie über Photosynthese generieren. Dies erlaubt den Ersatz der organischen Verbindungen durch Wasser, einem umweltfreundlichen und in großen Mengen verfügbarem Rohstoff. Das Projekt CyanoBiotrans untersuchte den physiologischen Effekt von photosynthetischen Redoxreaktionen auf den Energiestoffwechsel in Cyanobakterien. Dabei konnte die Bereitstellung photosynthetischer Elektronen als limitierender Faktor für die Licht-getriebenen Biotransformationen identifiziert werden. Eine Inaktivierung von eines konkurrierenden Elektronen-konsumierenden Prozesses. Dieses Ergebnis demonstriert die Machbarkeit von Metabolic Engineering um die Produktivität photosynthetischer Bakterien als Produktionsorganismen für umweltfreundliche biotechnologische Prozesse zu verbessern.