Biotechnologie Kolloquium: Prof. Dr. Bruno Bühler (UFZ Leipzig)
Vortragsgast: Prof. Dr. Bruno Bühler (Abteilung für Mikrobielle Biotechnologie, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH–UFZ, Permoserstraße 15, 04318 Leipzig, Deutschland)
Titel: Mikrobielle Biotechnologie steht kurz davor, zu einer entscheidenden Technologie in unserer zukünftigen Gesellschaft zu werden
Zusammenfassung: Die mikrobielle Biotechnologie wird als Möglichkeit betrachtet, nachhaltige Lösungen für eine zukünftige Bioökonomie anzubieten - sowohl in Bezug auf die Energiegewinnung als auch auf die Produktion von Chemikalien. Für technisch anspruchsvolle Reaktionen wie oxygenasekatalysierte Oxyfunktionalisierungen oder die Einrichtung von mehrstufigen Katalysatorschemata (d. h. Reaktionskaskaden - orthogonale Wege) bieten lebende mikrobielle Zellen attraktive Merkmale wie effiziente Kofaktorregeneration, Selbstregeneration (Enzymsynthese und Wachstum) und den Umgang mit reaktiven Sauerstoffspezies. Darüber hinaus umschließen die Zellmembranen ein begrenztes Mikroumfeld mit hohen Reaktanden- und Katalysatorkonzentrationen. Somit bergen solche Ganzzellensysteme große Chancen sowie Herausforderungen in Bezug auf die Katalysatoroptimierung und die Prozesskontrolle. Neben technischen Aspekten wie Massentransport und Reaktionskinetik müssen eine große Anzahl gleichzeitiger und stark miteinander verbundener biologischer Prozesse wie rekombinante Genexpression, Energiestoffwechsel und Toxifizierung berücksichtigt werden.
Als Beispiele für die Herstellung von Chemikalien werden die in vivo Steroidhydroxylierung und Kaskaden zur Monomerproduktion in gentechnisch veränderten Pseudomonaden und E. coli vorgestellt. Dies umfasst die effiziente Produktion von Lactonen, ω-Hydroxysäuren, ω-Aminosäuren und Dioxsäuren als Monomere für eine breite Palette von Polyestern und Polyamiden (Nylons), bei denen herkömmliche Herstellungsprozesse häufig mit schwerwiegenden Umweltbelastungen (Energiebedarf, Kohlenstoff-Fußabdruck, Verschmutzung) verbunden sind. Zu diesem Zweck werden Cyp450-, Nicht-Häm-Eisen- und Baeyer-Villiger-Monooxygenasen sowie verschiedene Arten von Dehydrogenasen, Hydrolasen und Transaminasen kombiniert und angewendet, wobei ein integrierter Ansatz verfolgt wird, bei dem Reaktionsingenieurwesen und Stamm- analyse und -optimierung parallel verfolgt werden. Auf der Seite des Reaktionsingenieurwesens umfasst dies die Bewertung und das Engineering verschiedener Biokatalysatorformate, gemischte Speziesansätze, in-situ-Substratbereitstellung und Produktextraktionsschemata sowie den Proof-of-Concept DSP.
Neben heterotrophen Wirtsstämmen konzentrieren wir uns auch auf Phototrophen, d. h. Cyanobakterien. Dabei zielen wir darauf ab, ihre Fähigkeit auszunutzen, hohe Energiereduktionsäquivalente aus Wasser als hochattraktiven Elektronendonator bereitzustellen. Die photosynthetische Lichtreaktion liefert dabei sowohl Co-Substrate von Oxygenasen, d. h. Elektronen und O2. Die Anwendung von Synechocystis sp. PCC 6803, Stammgestaltung und Anwendung für photosynthetisch betriebene Redoxbiokatalyse sowie erste Schritte in Richtung mehrstufiger Biokatalyse werden diskutiert. Auch hier werden Optionen des Reaktionsingenieurwesens einbezogen. Lichtgetriebene Biokatalyse basierend auf einer CYP450-Monooxygenase, einer Bayer-Villiger-Monooxygenase und einer sauerstofftoleranten Hydrogenase wird hervorgehoben.
Für diejenigen, die nicht persönlich teilnehmen können, können Sie online unter folgendem Zoom-Link teilnehmen (Meeting-ID: 775 214 8866, Passwort: PNb7rJ).