Entwicklung von autotrophen E. coli Stämmen für die biotechnologische Produktion von Aminosäuren aus CO2

01.06.2023 bis 31.05.2026

Die Gefahr der globalen Erwärmung durch Treibhausgase wie CO2 und die nachhaltige Produktion von Nahrungsmitteln, sind zwei der großen Herausforderungen unserer Zeit. Die Umwandlung von CO2 in Lebensmittel oder Futtermittel scheint daher ein vielversprechender Weg zu sein, um beide Herausforderungen gleichzeitig bewältigen zu können.
Im Gegensatz zu heterotrophen Organismen, die für ihr Wachstum organische Substrate benötigen, erzeugen autotrophe Mikroorganismen Biomasse direkt aus CO2 und beziehen ihre Energie aus Licht (Photoautotrophie) oder einem externen Elektronendonator (Chemoautotrophie). Sechs verschiedene natürliche autotrophe CO2-Fixierungswege sind derzeit bekannt. Der vorherrschende Weg ist der Calvin-Benson-Bassham-Zyklus (CBB), auch bekannt als reduktiver Pentosephosphatzyklus. Der CBB-Zyklus bietet ein großes Potenzial für die industrielle Anwendung, entweder durch Verbesserung der Kohlenstofffixierung in natürlichen Wirten wie Algen und Bakterien, oder durch Einführung eines synthetischen CBB in neue Wirte.
Das Problem bei natürlichen autotrophen Organismen besteht darin, dass es an effizienten und skalierbaren genetischen Werkzeugen für diese Organismen mangelt, und außerdem sind sie nur schwer im Maßstab industrieller Bioprozesse zu handhaben. Zwar gibt es genetische Werkzeuge für einige phototrophe Cyanobakterien (z. B. Synechococcus spp.), aerobe (z. B. Cupriavidus) und anaerobe chemolithotrophe Organismen (z.B. Clostridium ljungdahlii). Allerdings gibt es Limitationen bei der Prozessführung dieser Organismen in Bioreaktoren, im Vergleich zu heterotrophen Plattformorganismen wie dem gramnegativen Bakterium Escherichia coli und der Hefe Saccharomyces cerevisiae. E. coli ist aufgrund des schnellen Wachstums, der hohen Biomasse-Erträge, der Kosteneffizienz und der robusten Handhabung in industriellen Bioprozessen der wohl effizienteste Produktionsorganismus.
In dieser Kollaboration wollen wir synthetische autotrophe E. coli Stämme zur Produktion von Aminosäuren aus CO2 nutzen. Die autotrophen E. coli Stämme wurden im Labor von Prof. Ron Milo (Weizmann Institute) entwickelt, und das Labor von Prof. Hannes Link (Universität Tübingen) hat heterotrophe E. coli Stämme zur Produktion von Aminosäuren entwickelt. Außerdem haben beide Gruppe Erfahrung mit Metabolomics und CRISPR Methoden, die es uns erlauben werden, den Stoffwechsel der synthetischen autotrophen E. coli Stämme auf molekularer Ebene zu untersuchen und präzise an die Produktion von Aminosäuren anzupassen.