DBU-Promotionsstipendium

Helena Fuchs, M.Sc. 
Laufzeit: 01/2022-03/2025

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Website - Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Mikrobielle Brennstoffzellen (MBZ) können einen Beitrag zu einer nachhaltigen und umweltfreundlichen Stromerzeugung leisten. In MBZs wird biologisch abbaubares Material durch Mikroorganismen oxidiert und die dadurch freigesetzten Elektronen zur Stromerzeugung genutzt. Der so erzeugte Strom kann in verschiedensten Bereichen und Anlagen genutzt werden, zum Beispiel in Kläranlagen, zur autonomen Stromerzeugung in Robotern oder an entlegenen Orten, in der Biosensorik und im Bereich Biocomputing.

Damit Mikroorganismen in MBZs genutzt werden können, müssen sie in der Lage sein, Elektronen exozellulär an eine Elektrode zu transferieren. Bislang wurden die meisten MBZs mit natürlichen exoelektrogenen Organismen betrieben, zum Beispiel Shewanella oneidensis oder Geobacter sulfurreducens. Die erreichten Strom- und Leistungsdichten fallen aber bisher hinter den theoretisch möglichen zurück. In der Literatur werden deshalb vor allem alternative Elektrodenmaterialien und Zellen erforscht, aber wenig auf das bei weitem nicht voll ausgeschöpfte Potenzial der Mikroorganismen eingegangen.

Durch genetische Veränderungen kann die Leistung der Organismen gesteigert werden, indem neue exoelektrogene Mikroorganismen und/oder neue Elektronentransferwege mit verbesserten Eigenschaften erzeugt werden.

Ziel dieses Projekts ist deshalb, ein neues exoelektrogenes Bakterium zu erzeugen, welches den Elektronentransferweg der Eisenreduktion aus Acidithiobacillus ferrooxidans nutzt. Dieser Transferweg besteht aus drei c-Typ Cytochromen und dem Kupfer-Redoxprotein Rusticyanin und soll im gentechnischen Modellorganismus Escherichia coli und/oder Vibrio natriegens exprimiert werden. Der Elektronentransferweg von At. ferrooxidans bietet den Vorteil, dass dieser nur auf der direkten Übertragung von Elektronen auf eine Elektrode durch äußere Membranproteine beruht, was in dem neu erzeugten exoelektrogenen Bakterium ebenfalls der Fall sein wird. Die Expression der Proteine soll durch SDS-PAGE, Immunodetektion und spektrometrische Methoden überprüft werden. In vivo Assays sollen bestätigen, dass das neue exoelektrogene Bakterium in der Lage ist, Eisen zu reduzieren und Strom zu produzieren.

Die in diesem Projekt generierten exoelektrogenen Bakterien sollen als Proof of Principle die Möglichkeiten der Optimierung von Bakterien hinsichtlich des exozellulären Elektronentransfers erweitern und zu einem besseren Verständnis von exozellulären Elektronentransferwegen beitragen. Da die Möglichkeiten der Gentechnik ständig und immer schneller erweitert werden, können die während diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse auf neu erschlossene Wirte mit weiteren nützlichen metabolischen Funktionen übertragen oder zur Konstruktion von vollkommen neuen hybriden Elektronentransferwegen genutzt werden. Somit können die Stromerzeugung und Einsatzmöglichkeiten von MBZs zur umweltfreundlicheren Energieerzeugung, Biosensorik und Biocomputing verbessert und erweitert werden.