Mikrobielle Biofabriken: HotAcidFACTORY - Sulfolobus acidocaldarius als neuartige thermoacidophile Biofabrik (Teilprojekt A)

Abstract

Archaeen wurden erstmals vor ca. 40 Jahren als eigenständige dritte Domäne des Lebens beschrieben und sind häufig die dominierende Organismengruppe in extremen Habitaten. Diese archaealen Vertreter zeichnen sich durch eine große „Robustheit“ aus und werden als „Extremophile“ und ihre Enzyme als „Extremozyme“ bezeichnet. Archaeen verfügen generell über einzigartige zelluläre und Stoffwechsel-Eigenschaften wie z. B. neue Stoffwechselwege oder Enzyme. HotAcidFACTORY zielt darauf ab, ein praktisches und hochflexibles Bioproduktionssystem (bio-factory) auf der Basis des thermoacidophilen Crenarchaeons Sulfolobus acidocaldarius (Saci) (75 – 80 °C, pH 2-3) zu entwickeln, das für den Einsatz in industriellen Prozessen mit harschen Reaktionsbedingungen geeignet ist. Dieses neuartige Bioproduktionssystem soll die effektive Produktion von Extremozymen als auch von anderen added-value Produkten aus industriellen Abfall- und Nebenprodukten ermöglichen. Im Rahmen des HotAcidFACTORY-Projektes sollte (i) ein verbessertes, genetisches System von Saci zur Verfügung gestellt werden, um den Organismus als neuartige Plattform für die Expression von Extremozymen und für das metabolic engineering zu etablieren; (ii) die Verwertung alternativer Substrate, insbesondere von industriellen Neben- bzw. Abfallprodukten wie Glycerin und CO2, durch Saci etabliert werden und (iii) die Kultivierungsbedingungen für Saci insbesondere auf Glycerin und CO2 optimiert werden, sodass hohe Zelldichten für industrielle Produktions- und Anwendungsprozesse erreicht werden können. In HotAcidFACTORY konnte das genetische System für S. acidocaldarius verbessert werden. So konnte die FX-Klonierung etabliert werden (Van der Kolk et a. 2020), das Expressionssystem durch 5‘ untranslatierte Region-Sequenzen signifikant optimiert werden (Kuschmierz et al. 2024 bioRxiv), CRISPR-Cas als genetisches Werkzeug etabliert werden (Bost et al. 2023) und neue Glycerin-induzierbare Promotoren identifiziert werden (fortlaufendes Projekt). Nach Adaptation konnte das Wachstum von S. acidocaldarius mit (Roh)Glycerin als alleiniger Kohlenstoff- und Energiequelle etabliert werden. Die Stoffwechselwege für den Glycerinabbau sowie die beteiligten Enzyme wurden mit Hilfe von Multi-omics identifiziert, kloniert, gereinigt und charakterisiert. Dies ist von besonderer Bedeutung für zukünftige Anwendungen, da (Roh)Glycerin ein Abfallprodukt der Biodieselherstellung ist. Das Wachstum von S. acidocaldarius auf CO2 konnte trotz zahlreicher Versuche nicht etabliert werden. Der Befund, dass alle Homologen zum 3 Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyrat (3HP/4HB)-Weg in Saci vorhanden sind, wurde im vorliegenden Berichtszeitraum durch funktionelle Analysen (Expression, Reinigung und Charakterisierung) einiger Schlüsselenzyme weiter bestätigt. Eine alternative Funktion des 3HP/4HB-Wegs bei der Verwertung von Propionat oder Acetat konnte nicht bestätigt werden. Datei-Upload durch TIB