Lehrgebiet für Bioverfahrenstechnik (BioVT)

Deutsche Forschungsgemeinschaft

Optimierung der Produktion antimikrobieller Wirkstoffe von terrestrischen Cyanobakterien - Vom Screening bis zur Reaktorentwicklung

Mit der Entdeckung des Penicillins 1928 durch Alexander Fleming wurde die Behandlung von bakteriellen Infektionen möglich. Die penicillinresistenten Pneumokokken wurden 1967 in Australien entdeckt und die multiresistente Form wurde 1977 in Südafrika beschrieben. Bei einer Infektionskrankheit mit multiresistenten Erregern (MRE) sind die herkömmlichen Medikamente wirkungslos. Resistenzen von Bakterien entwickeln sich vor allem durch den weit verbreiteten Einsatz von Breitbandantibiotika und den dadurch entstehenden Selektionsdruck. Durch Mutationen, oder durch die Aufnahme von Resistenzgenen aus anderen Organismen entstehen so multiresistente Erreger. Von 2008 bis 2013 haben sich die multiresistenten E. coli-Bakterien im ambulanten Bereich verdreifacht und im stationären Bereich verdoppelt [Robert Koch-Institut: ARS, ars.rki.de, Datenstand: 19.10.2016].

Zur Bekämpfung der MRE ist es von höchster Bedeutung, neue Antibiotika zu finden und am Markt zu etablieren. Hierfür eignen sich im Besonderen biotechnologisch wenig erforschte Organismen wie beispielsweise die Cyanobakterien. Cyanobakterien sind eine der reichsten und vielversprechendsten Quellen für bioaktive Primär- und Sekundärmetabolite. Diese Organismen leben oftmals in Biofilmen, die eingebettet in einer Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) an Oberflächen anheften. Cyanobakterien gehören zu den ältesten bekannten Mikroorganismen und haben sich über einen Zeitraum von über drei Milliarden Jahren entwickelt. Neben aquatischen Cyanobakterien gibt es auch eine Vielzahl terrestrischer Stämme. Terrestrische Cyanobakterien leben grundsätzlich in Biofilmen, die sie unter anderem vor Austrocknung schützen. Ausgehend von der traditionellen Medizin einiger Naturvölker, werden seit längerem gezielt Mikroorganismen auf potente Verbindungen hin untersucht. Auf diesem Wege konnten bereits viele pharmakologisch interessante Verbindungen isoliert und identifiziert werden. Cyanobakterien (insbesondere Nostoc sp.) wurden bereits 1500 v. Chr. zur Behandlung von Gicht, Krebs und Fisteln verwendet werden.

In diesem Projekt sollen terrestrische Cyanobakterien auf die Produktion antimikrobieller Wirkstoffe untersucht werden. Dabei soll die Struktur der identifizierten Wirkstoffe aufgeklärt werden. Durch Variation der Prozessbedingungen in verschiedenen Kultivierungssystemen (Schüttelkolben, Bioreaktor) sowie in Hinblick auf die Energie- und Kohlenstoffversorgung (photoautotroph, chemoorganotroph und mixotroph) sollen anschließend die initialen Titer der Modellstämme verbessert werden. 

Ziel dieses Projekts ist die Etablierung eines Prozessmodells zur Wirkstoffproduktion für mindestens einen Modellstamm in verschiedenen Reaktorsystemen. 

Projektinformationen 

KooperationspartnerProf. Dr. Ing. Kai Muffler
StatusLaufendes Vorhaben
Förderzeitraum09/2016 - 08/2019
FörderkennzeichenUL 170/16-1

 

Veröffentlichungen

  • D. Strieth, R. Ulber, K. Muffler; Application of phototrophic biofilms: From fundamentals to Processes; Bioprocess and Biosystems Engineering 41 (2018) 295–312; https://doi.org/10.1007/s00449-017-1870-3
  • J. Stiefelmaier, B. Ledermann, M. Sorg, D. Geib, R. Ulber, N. Frankenberg-Dinkel; Pink bacteria—Production of the pink chromophore phycoerythrobilin with Escherichia coli; Journal of Biotechnology 274 (2018) 47-53; https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2018.03.006

 

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