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Faculty / Organisational entity
Die enorme Nachfrage nach neuartigen Naturstoffen sowie Leitstrukturen für die (Teil-) Synthese pharmazeutischer Produkte verlangt ständig nach neuen Innovationen. Ein bedeutender Impuls ist dabei von der Marinen Biotechnologie zu erwarten, die seit einigen Jahren versucht, die sich bietenden medizinischen Potentiale auszuschöpfen. So können neuartige Wirkstoffe bzw. die für deren Produktion verantwortlichen Organismen und Enzyme isoliert und bereitgestellt werden. Häufig ist das Wachstum der Organismen jedoch stark limitiert sowie eine Produktion der Ziel-Metabolite nur unter bestimmten Bedingungen möglich, weshalb ein enormes Interesse an neuen Optimiermethoden zur Lösung des Problems besteht. Neuartige Lösungsansätze sollten daher im Rahmen dieser Arbeit verfolgt werden. Untersucht wurde eine „biochemische“ Wachstums- und Produktionsoptimierung mariner Bakterien durch einen Zusatz von Homoserinlactonen zum Kultivierungsmedium. Dabei konnte neben einem verbesserten Wachstum diverser Prokaryonten eine leichte Variation im Metabolitspektrum ermittelt sowie eine geringfügig erhöhte Produktion biologisch aktiver Substanzen detektiert werden. Soll das Wachstum von (marinen) Mikroorganismen optimiert werden, wird vom Anwender häufig eine unstrukturierte one-factor-at-a-time-Methode angewendet. Da diese in der Regel keine Beeinflussung der zu optimierenden variablen Parameter beachtet, wurden in dieser Arbeit alternativ rechnergestützte Optimierungen zur Umgehung dieses Problems durchgeführt. Zum Einsatz kam dabei eine Kombination aus einem Genetischen Algorithmus, welcher die Identifikation des globalen Optimums erlaubt und einem Simplex-Algorithmus, der zur Verfeinerung des bereits aufgefundenen Optimums dient. Hiermit konnte die Produktion einer marinen L-Serindehydratase im Rahmen einer Nährmediumsoptimierung um mehr als 50 % im Vergleich zum Referenzmedium gesteigert werden. Des Weiteren wurde ein im Polyketidscreening positiv aufgefallenes Bakterium (Halomonas marina) als Modellorganismus für ein neuartiges rechnergestütztes Verfahren eingesetzt, welches eine schnelle Identifizierung der Güte von Wachstumsparametern erlaubt und dabei eine repetitiv geführte Batch-Betriebsweise von Bioreaktoren nutzt. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Charakterisierung einer rekombinant exprimierten Tryptophan-5-Halogenase. Hierbei konnte nach der Identifizierung des Aktivitätsoptimums hinsichtlich des einzustellenden pH-Werts sowie der Temperatur die Halbwertszeit des Enzyms bei verschiedenen Temperaturen bestimmt und mittels 2 D-Gelelektrophorese der pI-Wert des Enzyms erstmalig determiniert werden. Ein Fokus dieser Untersuchungen lag auf der Optimierung der Enzymkinetik. Dabei konnte insgesamt eine Verbesserung der Ausbeute um den Faktor 1,6 erzielt werden.
Characterization of an Aerosol-Based Photobioreactor for Cultivation of Phototrophic Biofilms
(2021)
Phototrophic biofilms, in particular terrestrial cyanobacteria, offer a variety of biotechnologically interesting products such as natural dyes, antibiotics or dietary supplements. However,
phototrophic biofilms are difficult to cultivate in submerged bioreactors. A new generation of biofilm
photobioreactors imitates the natural habitat resulting in higher productivity. In this work, an aerosol-based photobioreactor is presented that was characterized for the cultivation of phototrophic biofilms.
Experiments and simulation of aerosol distribution showed a uniform aerosol supply to biofilms.
Compared to previous prototypes, the growth of the terrestrial cyanobacterium Nostoc sp. could be
almost tripled. Different surfaces for biofilm growth were investigated regarding hydrophobicity,
contact angle, light- and temperature distribution. Further, the results were successfully simulated.
Finally, the growth of Nostoc sp. was investigated on different surfaces and the biofilm thickness was
measured noninvasively using optical coherence tomography. It could be shown that the cultivation
surface had no influence on biomass production, but did affect biofilm thickness.
The cultivation of cyanobacteria with the addition of an organic carbon source (meaning as heterotrophic or mixotrophic cultivation) is a promising technique to increase their slow growth rate. However, most cyanobacteria cultures are infected by non-separable heterotrophic bacteria. While their contribution to the biomass is rather insignificant in a phototrophic cultivation, problems may arise in heterotrophic and mixotrophic mode. Heterotrophic bacteria can potentially utilize carbohydrates quickly, thus preventing any benefit for the cyanobacteria. In order to estimate the advantage of the supplementation of a carbon source, it is essential to quantify the proportion of cyanobacteria and heterotrophic bacteria in the resulting biomass. In this work, the use of quantitative polymerase chain reaction (qPCR) is proposed. To prepare the samples, a DNA extraction method for cyanobacteria was improved to provide reproducible and robust results for the group of terrestrial cyanobacteria. Two pairs of primers were used, which bind either to the 16S rRNA gene of all cyanobacteria or all bacteria including cyanobacteria. This allows a determination of the proportion of cyanobacteria in the biomass. The method was established with the two terrestrial cyanobacteria Trichocoleus sociatus SAG 26.92 and Nostoc muscorum SAG B-1453-12a. As proof of concept, a heterotrophic cultivation with T. sociatus with glucose was performed. After 2 days of cultivation, a reduction of the biomass partition of the cyanobacterium to 90% was detected. Afterwards, the proportion increased again.