Die Dissertation ist gesperrt bis zum 11. November 2024 !
Der wachsende Bedarf an Energieerzeugung bei gleichzeitigem Anstieg der Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre erfordert neue Lösungen für den Energieund Abfallwirtschaftssektor. Biotechnologische Ansätze, wie der Einsatz lebender Mikroben oder Enzyme, könnte hierfür als Lösung dienen. Mikroben sind attraktive Biokatalysatoren sowohl für die Speicherung von erneuerbarer elektrischer Energie als auch für die Umwandlung von Abfallströmen in höherwertige Chemikalien. Die Power-to-Gas-Plattform wandelt überschüssige erneuerbare elektrische Energie durch Elektrolyse von Wasser, in molekularen Wasserstoff und Sauerstoff um. Die Energie kann dann als Wasserstoffgas gespeichert oder in andere Produkte, wie z. B. Methan, umgewandelt werden. Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, kann verbrannt und in der Erdgasinfrastruktur verwendet werden. Hydrogenotrophe Methanogene sind gasfermentierende Mikroben, die als Biokatalysatoren eingesetzt werden können, um dieses Wasserstoffgas über die Methanogenese in Methan (und Biomasse) umzuwandeln. Kohlendioxid aus der Atmosphäre oder aus Verbrennungsprozessen mit nicht fossilen Brennstoffen sollte idealerweise als Kohlenstoffquelle für diese Mikroben genutzt werden. Die Firma Electrochaea GmbH hat dieses Verfahren unter Verwendung einer thermophilen Methanothermobacter sp. kommerzialisiert. Die Produktion von Methan durch hydrogenotrophe Methanogenese besteht aus einem Methylzweig, der Kohlendioxid bindet und reduziert, und einem Carbonylzweig, der die Biomasseproduktion einleitet. Darüber hinaus erzeugt die hydrogenotrophe Methanogenese eine geringe ATP-zu-Methan-Ausbeute, so dass diese Mikroben an der thermodynamischen Grenze des Lebens leben. Einige dieser thermophilen Mikroben wurden zur Untersuchung der hydrogenotrophen Methanogenese eingesetzt. Zu den meisten anderen Stoffwechselwegen in diesen Mikroben fehlt es jedoch an Wissen. Es wäre von Vorteil, ihre Stoffwechselvorgänge besser zu verstehen, um diese Mikroben für biotechnologische Anwendungen voll nutzbar zu machen.
In der ersten Hälfte dieser Dissertation habe ich den Stoffwechsel von drei Methanothermobacter spp. verglichen: 1) Methanothermobacter thermautotrophicus ΔH; 2) Methanothermobacter thermautotrophicus Z-245; und 3) Methanothermobacter marburgensis Marburg. Zur Untersuchung dieser Mikroben habe ich Systembiologie eingesetzt, die Transkriptomics und Proteomics, und Stoffwechselmodellierung auf Genomebene in Verbindung mit kontinuierlichen Bioreaktorstudien umfasst. Ich kultivierte auch M. thermautotrophicus ΔH pMVS1111A:PhmtB-fdhZ-245, einen Stamm, der kürzlich in unserer Gruppe genetisch verändert wurde, um auf Formiat zu wachsen. Ich habe neue Erkenntnisse über die unterschiedlichen Mechanismen der anabolen Formiatproduktion in den drei Methanothermobacter spp. gewonnen. Auserdem untersuchte ich die Auswirkungen auf das Wachstum der Mikrobe und die Energiekosten der Formiat-Dehydrogenase-Kassette, die für das Wachstum auf Formiat erforderlich ist.
In der zweiten Hälfte dieser Dissertation untersuchte ich das acetogene Bakterium Clostridium ljungdahlii. Acetogene Bakterien wandeln über den Wood-Ljungdahl-Weg (WLP) neben molekularem Wasserstoff und Kohlendioxid auch Kohlenmonoxid in Biomasse, Acetat und Ethanol um. Wie die Methanogenese besteht auch der WLP aus einem Methyl- und einem Carbonylzweig. Während der Carbonylzweig zwischen den beiden Stoffwechselwegen konserviert ist, ist der Methylzweig nicht konserviert. Auserdem leben Acetogene wie Methanogene an der thermodynamischen Grenze des Lebens. Zudem gibt es keine Netto-ATP-Ausbeute vom WLP aus Kohlendioxid und Wasserstoff. Daher ist das Verständnis des Energiestoffwechsels von Acetogenen besonders wichtig für das autotrophe Wachstum. Auserdem ist die Rolle des energieerhaltenden RNF-Komplexes entscheidend. Trotz energetischer Einschränkungen hat das Unternehmen LanzaTech die Nutzung von Acetogenen für die autotrophe Ethanolproduktion (über den WLP) bereits kommerzialisiert. LanzaTech veredelt Abfallkohlenstoff (Kohlenmonoxid und Kohlendioxid), um Ethanol zu produzieren, das als (Bio-)Kraftstoff verwendet werden kann. In dieser Dissertation führte ich computergestützte Analysen an CRISPR-Systemen durch, die in unserem Labor entwickelt und eingesetzt wurden, um die Rolle von Genen zu untersuchen und den Kohlenstofffluss im zentralen Kohlenstoffstoffwechsel von C. ljungdahlii umzulenken. Ich habe In-silico-Tools implementiert, um das Potenzial eines neuartigen CRISPR-Cas9-basierten Base-Editing-Systems und die Bedeutung des rseC, eines potenziellen Transkriptionsregulators für den RNF-Komplex, in acetogenen Bakterien abzuschätzen.