Forschungsgruppe Synthetische Biotechnologie und Systembiologie

Klassisches metabolic engineering besteht im gezielten Ausschalten und Verstärken einzelner Reaktionen in Stoffwechselnetzwerken von Produktionsstämmen zur Optimierung der Biosynthese eines Zielmoleküls. Obwohl mit Hilfe dieser Technologie beachtliche Erfolge erzielt werden können, beschränkt sich die Palette von so darstellbaren Molekülen auf natürliche Stoffwechselprodukte.

Synthetische Biotechnologie und Systembiologie

Um die Auswahl von mikrobiell nutzbaren Substraten und erzeugbaren Produkten zu erweitern, konzipieren wir synthetische Stoffwechselwege und implementieren diese durch gezieltes Engineering von Enzymen und Produktionsstämmen.

Ein Hauptschwerpunkt unserer Arbeit ist die Etablierung synthetischer Stoffwechselwege zur Nutzung von grünem Ethylenglykol (EG), welches (elektro)chemisch aus CO₂ oder durch Hydrogenolyse von Lignocellulosen produziert werden kann. Im Vergleich zu anderen aus CO₂ ableitbaren mikrobiellen Substraten wie Methan, Synthesegas oder Methanol hat EG eine Reihe von prozesstechnischen Vorteilen. Diese liegen insbesondere in der Vermeidung des Phasenübergangs des Substrats, dem geringen Sauerstoffbedarf der EG-Assimilierung und einer vorteilhaften Stöchiometrie der synthetischen Stoffwechselwege für die Darstellung von geradzahligen Molekülen. Insgesamt soll diese Technologie die Nutzung von CO₂ und Biomasse in der Kreislaufwirtschaft attraktiver machen.

Darüber hinaus entwickeln wir Enzymsysteme zur zellfreien Regeneration von ATP aus kostengünstigen Basischemikalien. Diese Systeme können mit einer Vielzahl von ATP-abhängigen enzymatischen Produktsynthesen gekoppelt werden und sollen z. B. auf dem Gebiet der zellfreien Proteinexpression Anwendung finden.

In unseren Arbeiten wenden wir moderne computergestützte Methoden (Flux Balance Analysis, Modellierung von Enzymstrukturen) und experimentelle Arbeitstechniken (¹³C-basierte metabolische Stoffflussanalysen, Metabolomanalysen, rationales und evolutives Enzymdesign) an, um die Implementierung der Stoffwechselwege und die Stammentwicklung effizient zu realisieren.

Enzyme / Flux — 3D-Modell eines Enzyms und metabolisches Netzwerk

Schwerpunkte:

Synthetische Stoffwechselwege für die Nutzung von Ethylenglykol (abgeleitet aus CO₂ oder Lignocellulose) für mikrobielle Produktsynthesen
Systembiologische Charakterisierung von Produktionsstämmen und Zellsystemen
Entwicklung ATP-regenerierender Enzymkaskaden für zellfreier Reaktionssysteme

Projekte der Forschungsgruppe Bioprozesstechnik:

Alle Forschungsprojekte der Professur für Bioverfahrentechnik

ScampiLys - Herstellung von Lysin aus Shrimpabfällen (Kooperation mit Hanoi University of Science and Technology, gefördert durch BMBF)
SynBioMet – Nutzung synthetischer Biologie zur Herstellung von 2,4-Dihydroxybutyrat (Kooperation mit ESPCI Paris, INSA Toulouse, Adisseo, gefördert durch SAB)
Enzymkaskaden zur zellfreien ATP-Regeneration für die Synthese von Wertstoffen (gefördert durch ZIM und DFG, Kooperation mit c-LEcta und Universität Hamburg)
Entwicklung eines synthetischen Stoffwechselwegs zur Kohlenstoff-konservierenden Produktion von Acetyl-CoA aus Ethylenglykol (gefördert durch die DFG)
Enzymkaskaden zur zellfreien ATP-Regeneration für die Synthese von Wertstoffen (gefördert durch ZIM, Kooperation mit c-LEcta)
CoBioMetal – Combined biotechnological and electrochemical wastewater valorization for metal recovery. Teilprojekt: Systembiologische Untersuchung von Pilzstämmen während der Metallrückgewinnung aus Prozessabwässern (gefördert durch die SAB, Zusammenarbeit mit der TU Bergakademie Freiberg)
KoSyn - Kontrollierte Synergie: Peptidgesteuerte Zell-Zell Kommunikation von Hefen und Bakterien in (bio)technologischen Prozessen (gefördert durch die ESF, Kooperation der Professuren für Allgemeine Genetik, Allgemeine Mikrobiologie, Hydrochemie, alle TU Dresden)

Forschungsgruppenleiter: