MANTA Ray: Entwicklung eines mikrobiellen Co-Kultursystems zur heterologen Proteinproduktion in Pseudomonas putida

Die Integration von Zielgenen in fremde Wirtsorganismen ist ein Grundpfeiler biotechnologischer Anwendungen, die von der pharmazeutischen Produktion bis hin zur Agrarbiotechnologie reichen. Die Expression heterologer Gene stellt jedoch häufig eine erhebliche Belastung für die Wirtszelle dar, hauptsächlich aufgrund des Verbrauchs an Reduktionsäquivalenten und Energie sowie durch die Konkurrenz um begrenzte zelluläre Ressourcen. Um diese verstärkte metabolische Belastung für die einzelne Zelle zu veringern, kann eine aus natürlichen mikrobiellen Konsortien inspirierte Strategie, bekannt als „Division of Labor“, angewandt werden. Dabei wird der biosynthetische Weg sowie die damit verbundene metabolische Last auf zwei co-kultivierte Bakterienstämme aufgeteilt.

Zu diesem Zweck wird in diesem Projekt zunächst eine synthetische Co-Kultur bestehend aus zwei Stämmen des Bakteriums Pseudomonas putida entworfen und charakterisiert. Pseudomonas putida ist ein vielseitiges, gramnegatives Bodenbakterium, das für seine Robustheit, Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Umweltbedingungen und metabolische Flexibilität bekannt ist. Durch gezielte genetische Modifikationen wird eine gegenseitige Abhängigkeit zwischen den beiden Stämmen geschaffen, um balanciertes Wachstum zu erreichen. In diesem ersten Projektteil liegt der Schwerpunkt insbesondere auf dem Verständnis und der Modellierung der Populationsdynamik im Zeitverlauf.

Anhand modellbasierter Analysen können sowohl die Aufteilung des Stoffwechselweges als auch die Anpassung der Populationsverhältnisse optimiert werden, um eine effiziente Verteilung der metabolischen Aufgaben zu erreichen, was zu einer verbesserten Gesamtleistung des Systems führt. Durch die Feinabstimmung der Populationsverhältnisse der beteiligten Stämme lassen sich die metabolischen Flüsse gezielt steuern, wodurch eine zusätzliche Regulationsebene für biotechnologische Prozesse geschaffen wird. Langfristig wird diese Plattform eine flexible und skalierbare Biosynthese verschiedenster Produkte ermöglichen, indem lediglich die genetischen Module in den einzelnen Stämmen angepasst werden müssen.

Projektbetreuung: M.Sc. Maren Beyer

Startdatum des Projekts: 01.01.2025