Charakterisierung mikrobieller Elektrosynthesewege

Als Alternative zur Photosynthese bietet die mikrobielle Elektrosynthese eine vielversprechende Technologie, welche eine direkte Konversion von CO$_{2}$ durch den Eintrag elektrischer Energie ermöglicht. Kathodische Elektronen dienen dabei elektroautotrophen Mikroorganismen als alleinige Energie- und Elektronenquelle. In der Literatur beschriebene Organismen sind jedoch fast ausschließlich von einen wasserstoffvermittelten Elektronentransport abhängig. Da sich bei der kathodischen Wasserstoffentstehung abiotische mit biotischen Effekten überlagern, ist eine Charakterisierung der mikroben-Elektroden-Interaktion in diesem Fall jedoch kaum möglich.
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In dieser Arbeit wurde daher gezielt nach elektroautotrophen Organismen gesucht, welche nicht in der Lage sind Wasserstoff zu verwerten. Durch die Charakterisierung von $\textit{Sulfolobus acidocaldarius}$ auf einer Kathode gelang erstmals der Nachweis eines elektroautotrophen Wachstums mit einem alternativen extrazellulären Elektronenaufnahme (EEA)-Mechanismus. Entscheidende Elemente darin scheinen Schwefeltransferasen einzunehmen.

In einem zweiten Ansatz wurde für die Identifikation natürlicher EEAs eine kathodische Umweltanreicherungskultur charakterisiert. Ein vergleichbarer Mechanismus auf Basis von Schwefeltransferasen konnte ebenfalls im Hauptakteur der Kultur identifiziert werden. Dieser Stamm, welcher einen bisher unbekannten Vertreter der Chromatiaceae darstellt, besitzt eine Verwandtschaft zu " `$\textit{Ca}$. Tenderia electrophaga'', einem elektrotrophen Bakterium aus einer marinen, kathodischen Anreicherung. Der Elektronentransport in diesem neuen Organismus scheint dabei neben Schwefeltransferasen auch über $\textit{c}$-Typ Cytochrome vermittelt zu werden. $\textit{C}$-Typ Cytochrome spielen in bioelektrochemischen Systemen eine entscheidende Rolle und wurden insbesondere in exoelektrogenen Stämmen an Anoden intensiv erforscht.

Als zweites Ziel dieser Arbeit wurde daher eine Methode entwickelt um verbesserte, synthetische Elektronentransportketten zu identifizieren. Basierend auf der heterologen Expression von verschiedenen, homologen Genen für $\textit{c}$-Typ Cytochrome, konnte eine verbesserte Elektronentransferrate in $\textit{E. coli}$ erreicht werden. Diese setzt sich durch Gene aus den Modellorganismen $\textit{Shewanella oneidensis}$ und $\textit{Rhodopseudomonas palustris}$ zusammen.

Insgesamt konnten in dieser Arbeit grundlegende Erkenntnisse zur Identifikation und Entwicklung neuer elektroautotropher Organismen gewonnen werden.

As an alternative to photosynthesis, microbial electrosynthesis offers a promising technology that enables the direct conversion of CO$_{2}$ through the input of electrical energy. Cathodic electrons serve as the sole source of energy and electrons for electroautotrophic microorganisms. However, organisms described in the literature depend almost exclusively on hydrogen-mediated electron transport. Since abiotic and biotic effects overlap during cathodic hydrogen evolution, a characterization of the microbe-electrode interaction is hardly possible in this case.
In this work, we therefore specifically searched for electroautotrophic organisms that are not able to utilize hydrogen. ... mehrThe characterization of $\textit{Sulfolobus acidocaldarius}$ on a cathode provided the first evidence of electroautotrophic growth with an alternative extracellular electron accepting (EEA) mechanism. Crucial elements in it seem to be sulfur transferases.
In a second approach, a cathodic environmental enrichment culture was characterized for the identification of natural EEAs. A similar mechanism based on sulfur transferases could also be identified in the major player of the culture. This strain, which represents a previously unknown member of the Chromatiaceae, has a relationship to " `$\textit{Ca}$. Tenderia electrophaga'', an electrotrophic bacterium from a marine cathodic enrichment. In this context, electron transport in this new organism appears to be mediated by $\textit{c}$-type cytochromes in addition to sulfur transferases. $\textit{C}$-type cytochromes play a crucial role in bioelectrochemical systems and have been extensively studied, especially in exoelectrogenic strains at anodes.
Therefore, as a second objective of this work, a method was developed to identify improved synthetic electron transport chains. Based on heterologous expression of different, homologous genes for $\textit{c}$-type cytochromes, an improved electron transfer rate in $\textit{E. coli}$ could be achieved. This is composed by genes from the model organisms $\textit{Shewanella oneidensis}$ and $\textit{Rhodopseudomonas palustris}$.
Overall, this work provided fundamental insights into the identification and development of new electroautotrophic organisms.