Trotz ihres Potenzials gibt es mehrere Herausforderungen, die die Umsetzung von Biofilmprozessen in der weißen Biotechnologie behindern. Zentrale Herausforderungen sind die unvorhersehbare Retention von Biomasse in Biofilmen, das Fehlen etablierter Modellprozesse und das begrenzte Wissen über die genetische Stabilität genetisch veränderter Stämme in kontinuierlichen, auf Biofilmen basierenden Prozessen. Darüber hinaus wird es entscheidend sein, Diffusionslimitierungen zu minimieren, um Biofilmprozesse erfolgreich zu optimieren. Wir streben die Entwicklung von Shewanella oneidensis-Biofilmen an, die 2,3-Butandiol produzieren und an magnetische Nanopartikel gebunden sind. Diese Nanopartikel ermöglichen die Manipulation von Biofilmdichte, Morphologie und Bewegung als Reaktion auf angelegte Magnetfelder und erleichtern zudem den Transport von Elektronen zu sauerstoffreichen Bereichen im Reaktor. Dabei möchten wir die Biofilmeigenschaften auch genetisch steuern und die Zellen durch Transposase-deaktivierung genetisch stabilisieren. Wir haben die notwendigen Arbeiten in sechs miteinander verbundene Arbeitspakete (WP) strukturiert: - WP1: Wir werden Stämme mit einer vorhersehbaren und robusten extrazellulären polymeren Matrix entwickeln und die Oberflächen dieser Stämme mittels Einzelzellkraftspektroskopie analysieren. Die Zellen werden mit magnetisch leitfähigen Nanopartikeln verbunden, die dabei helfen werden, die Biofilmarchitektur mithilfe von Permanentmagneten zu steuern. - WP2: Wir werden die genetische Stabilität durch Deaktivierung von Transposasen erhöhen und die Korrelation zwischen der Deaktivierung von Transposasen und der Produktionsstabilität analysieren. - WP3: Wir werden unsere robotische Infrastruktur verbessern, indem wir einen Roboterarm integrieren, der programmierbare Bewegungen von Permanentmagneten zum Modulieren der Biofilmarchitektur ermöglicht und zudem eine reproduzierbare Platzierung der Setups auf einem Mikroskoptisch erlaubt. - WP4: Wir werden die Produktivität des Biofilms unter verschiedenen Bewegungsregimen der Permanentmagneten analysieren und Methoden untersuchen, um die Produktivität durch Modulation der Biofilmstruktur zu steigern. - WP5: Wir werden Raman-Mikrospektroskopie nutzen, um das dreidimensionale Profil der metabolischen Aktivität in den in WP4 entwickelten Biofilmen zu analysieren und die allgemeine metabolische Produktivität mit der Produktivität von 2,3-Butandiol zu vergleichen. - WP6: Wir werden eine Raman-unterstützte Zellsortiermethode entwickeln, die mit Transkriptom- und Genomsequenzierungsansätzen gekoppelt wird, um zu analysieren, wie metabolische Aktivität mit den genetischen Veränderungen, die im Laufe der Zeit auftreten, korreliert. Insgesamt wird das Projekt eine Reihe grundlegender Fragen in der angewandten Biofilmforschung beantworten und ist im Fokus des Schwerpunktprogramms.

DFG-Verfahren Schwerpunktprogramme

Teilprojekt zu SPP 2494:  Produktive Biofilmsysteme

Großgeräte Fluoreszenzmikroskop

Gerätegruppe 5000 Labormikroskope