Erfassung der Terpenproduktivität von Methanosarcina acetivorans-Biofilmen in porösen Substraten anhand eines mathematisch-physiologischen Ansatzes

Projektziel ist eine solide Grundlage für die Entwicklung skalierbarer Bioreaktoren, in welchen produktive Biofilme in porösen Strukturen immobilisiert sind. Das hohe Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis, das in solchen Reaktoren realisiert wird, stellt den Schlüssel zu wettbewerbsfähigen Raum-Zeit-Ausbeuten dar. Für die Methodenentwicklung wird die anaerobe Kohlenmonoxid-Fermentation durch Methanosarcina acetivorans betrachtet, einem genetisch handhabbaren Mikroorganismus mit nachgewiesenem Potenzial für die industrielle Synthese von Feinchemikalien, einschließlich Terpenen. Ein zuverlässig vorhersagbarer Prozess wird durch Kombination von Transkriptomanalyse und genetischer Manipulation auf der einen und verfahrenstechnischer Überwachung thermodynamischer und struktureller Eigenschaften auf der anderen Seite erreicht. Messungen werden durch einen skalierbaren numerischen Ansatz vervollständigt, der ein rechnerisch effizientes 3D-Porennetzwerkmodell des gekoppelten Transports und Wachstums umfasst sowie die realistische Struktur der porösen Reaktoren und die Physiologie von M. acetivorans berücksichtigt. Die Modellentwicklung wird Teil des Projekts sein und Experimente mit kontinuierlich durchströmten mikrofluidischen Plattformen einbeziehen, da sie sowohl das Wachstum von M. acetivorans unter kontrollierten Bedingungen in einem kleinen Reaktor als auch die erforderlichen Modellparameter abbilden können. Die Terpenproduktivität soll durch Modulation der Biofilmarchitektur, der Filmdicke und der Umsatzrate maximiert werden. Dies wird durch Anpassung der Durchflussraten, Konzentrationsprofile und der räumlichen und zeitlichen Variation der Temperatur unter Verwendung des Vorhersagemodells erreicht. Die optimale Substratstruktur, die ebenfalls durch Modellvorhersagen zugänglich wird, soll eine hohe Porennutzung und eine langanhaltende hohe Biofilmproduktivität ermöglichen. Als Packungsmaterial wird zunächst Polyacrylnitril (PAN) betrachtet, das sich bereits als geeignet für die Biofilmbildung von M. acetivorans unter Batch-Bedingungen erwiesen hat. Die Erfassung der Anpassung des Biokatalysators an die Variation der räumlichen und zeitlichen Bedingungen wird durch eine sinnvolle Verknüpfung von experimentellen und in-silico Daten möglich sein, wodurch biologische Regulierungsroutinen auf die spezifischen Anforderungen zugeschnitten werden können. Schließlich wird M. acetivorans in einem auf hohe Produktivität ausgelegten Plug-Flow-Bioreaktor (PFBR) kultiviert. Das Wachstum wird mittels Röntgentomographie abgebildet, und die Produktivität wird durch Analyse von gelösten und gasförmigen Stoffwechselprodukten sowie durch Untersuchung von Zellmaterial nach dem Prozess bewertet. Diese Experimente werden den Übergang von geschlossenen Behältern zu kontinuierlichen Produktionsbedingungen vorantreiben. Die Ergebnisse werden sowohl für die Validierung des modellgestützten Ansatzes als auch für die Konzipierung einer Upscaling-Strategie von Nutzen sein.

Assessing terpene productivity of Methanosarcina acetivorans biofilms in porous substrata using a mathematical-physiological approach

This project will contribute to an SPP by developing a sound basis for the design of scalable bio-rector technologies involving porous structures for the immobilization of productive biofilms. The high surface-to-volume ratio realized in such reactors will be key to yield competitive space-time yields. The methodology will be established for anaerobic carbon monoxide fermentation employing Methanosarcina acetivorans, a genetically tractable microorganism with proven potential for industrial synthesis of chemicals, including terpenes. A reliably predictable process will be achieved by combining transcriptomic analysis and genetic manipulation, on the one hand, with process engineering methods for monitoring thermodynamic and structural data, on the other hand. The measurements will be consolidated by a scalable 3D numerical approach, involving a computationally efficient pore network model of coupled transport and growth that will be built on the realistic structure of the porous bio-reactors as well as on the physiology of M. acetivorans. Model development will be part of the project and include experiments with continuous flow through microfluidic platforms, enabling the imaging of M. acetivorans growth under well-controlled process conditions inside of a small-scale reactor as well as determination of required model input parameters. The project aims at maximizing terpene productivity of M. acetivorans biofilms by regulation of biofilm architecture, thickness and turnover rate. This will be realized by adjustment of process settings, involving flow rates, concentration profiles, and spatial and temporal variation of temperature, employing the predictive model. Optimal structure of the substratum, selected based on model predictions as well, will yield high pore utility and long-running maximal biofilm productivity. As reactor packing material we will initially consider polyacrylonitrile (PAN), which has already proven suitability for M. acetivorans biofilm formation under batch conditions. The biocatalyst adaption to the variation of spatiotemporal conditions will be accessible by reasonably joining experimental and in-silico data, enabling integration of biological regulator routines to the specific identified needs. Finally, M. acetivorans biofilms will be cultivated in a specifically tailored porous plug flow bio-reactor (PFBR). Growth will be imaged by X-ray tomography and productivity will be assessed by downstream sample analysis of dissolved and gaseous metabolites as well as by probing of cells from distinct regions of the reactor after the process. These experiments will guide transitioning from closed-vessel to continuous production conditions. The results will be valuable for validation of the model-assisted approach as well as for the conceptualization of an upscaling strategy for terpene production of M. acetivorans.