Etablierung mobiler genetischer Elemente zur Transplantation extrazellulärer Elektronentransportketten

Die Forschung im Bereich der Bioelektrochemie stellt neue einzigartige Möglichkeiten zur Untersuchung und Nutzung mikrobieller Physiologie bereit. Dabei eröffnet sie Anwendungen im Bereich nachhaltiger Fermentationsroutinen, dezentraler Mediation von Umwelt- kontaminationen sowie im Bereich der Biosensorik. Im Zentrum steht dabei stets die Interaktion zwischen Mikrobe und Elektrode. In Elektroden-gestützten Fermentationen katalysieren Mikroorganismen unter anoxischen Bedingungen den Elektronentransfer auf die Anode eines bioelektrochemischen Systems (BES). So können Produktionsroutinen zur Synthese von Plattformchemikalien mit der Gewinnung elektrischer Energie einhergehen. Außerdem profitieren diese Prozesse von dem typischerweise hohen Verhältnis kataboler zu anaboler Substratnutzung. Ein grundlegendes Verständnis des extrazellulären Elektronentransfers (EET) ist notwendig, um Stämme zu etablieren, die den industriellen Anforderungen entsprechen. Durch schrittweise Transplantation der EET-Kette des nativen exoelektrogenen Modellorganismus $\textit{Shewanella oneidensis}$ ($\textit{S. oneidensis}$) in den Wirtsorganismus $\textit{Escherichia coli}$ ($\textit{E. ... mehrcoli}$) wurden in dieser Arbeit die Elektronentransferschritte individuell analysiert und der Einfluss assoziierter Faktoren ermittelt. Dazu konnte das putative minimale Proteinset, bestehend aus den $\textit{c}$-Typ Cytochromen CymA, STC, MtrA und MtrC sowie dem β-$\textit{barrel}$-Protein MtrB, in unterschiedlichen Ausbaustufen heterolog exprimiert und diese hinsichtlich ihrer Reduktionsraten mit $\textit{S. oneidensis}$-Stämmen mit ähnlichen relevanten Proteinsetups verglichen werden. Daraus wurde ersicht lich, dass die Transplantation heterologer EET-Ketten mit enorm verringerten Elektronentransferraten im Vergleich zu denen nativer exoelektrogener Mikroorganismen einhergeht. Davon ausgehend wurden weitere genetische Elemente identifiziert und integriert, welchen durch Protein-Maturation, - Lokalisation und -Funktionalität eine mutmaßliche indirekte Beteiligung am EET zugeschrieben wird. Insbesondere ging es dabei um das hochkomplexe Cytochtom $\textit{c}$-Reifungssystem, die Biosynthese von Menachinon-7 sowie das Typ II-Sekretionssystem. Letzteres ermöglichte erstmalig die korrekte Lokalisation der terminalen Reduktase MtrC durch Sekretion auf die Zelloberfläche. Dennoch waren die dadurch gesteigerten Reduktionsraten nicht kompetitiv mit Reduktionsraten in $\textit{S. oneidensis}$. Diese Daten deuten darauf hin, dass die EET-Prozesse weitaus komplexer sind als bisher angenommen. Aus diesem Grund wurde anschließend ein gain-of-function Screen auf Basis einer $\textit{S. oneidensis}$ Fosmid-Bibliothek etabliert, über den weitere putative Faktoren für einen verbesserten EET identifiziert werden konnten.