PhotoH2
Die Anwendung von Hydrogenasen für H2-betriebene Biotransformationen oder die H2-Produktion in lebenden Mikroorganismen ist eine große Herausforderung, birgt aber ein enormes Potenzial für biotechnologische Anwendungen im Hinblick auf eine nachhaltige Bioökonomie. Sowohl strukturell als auch mechanistisch sind Hydrogenasen hochkomplexe Enzyme, die, wenn sie in lebenden Zellen heterolog synthetisiert werden, eine metabolische Belastung darstellen können. Dieses Forschungsprojekt zusammen mit dem OFZ Leipzig (Prof. Dr. Bruno Bühler) konzentriert sich auf O2-tolerante Hydrogenasen mit hohem Anwendungspotenzial für die biokatalytische Oxyfunktionalisierung und photosynthesegetriebene H2-Produktion. Dazu wollen wir sie auf molekularer Ebene verbessern und ihr Zusammenspiel mit der Zellphysiologie aufklären, wofür quantitative physiologische Untersuchungen und Stoffwechselflussanalysen geplant sind. Ein bestehender Pseudomonas putida-Stamm, der eine P450-Monooxygenase zusammen mit der O2-toleranten NAD+-reduzierenden Hydrogenase (SH) aus Ralstonia eutropha H16 enthält, wird als Ausgangspunkt dienen. Außerdem wird SH in hochaktive, Styrol epoxidierende Escherichia coli- und Pseudomonas-Stämme zur NADH-Regeneration eingeführt. Für die NADPH-abhängige Baeyer-Villiger-Oxidation auf der Basis hochaktiver rekombinanter Pseudomonas- und E. coli-Stämme wird die NADP(H)-Akzeptanz durch die SH durch Protein-Engineering gezielt gefördert. Mit dem Ziel der H2-Bildung in vivo werden auch SH-Varianten mit einer Präferenz für die H+-Reduktion erzeugt. Geeignete E. coli-Mutanten und Pseudomonaden werden als Selektions-/Screening-Werkzeuge und zur Charakterisierung der H2-Bildungskapazität unter mikrobiellen und anaeroben Bedingungen verwendet. Diese Hydrogenase-Varianten werden dann im Hinblick auf den Einfluss der H2-Produktion sowie der H2-Oxidation auf den Stoffwechsel der rekombinanten Hydrogenase-haltigen Bakterien charakterisiert. Dieses Forschungsprojekt wird die Nutzung von H2 als billiges und "grünes" Reduktionsmittel in biotechnologischen Ganzzellprozessen vorantreiben und einen wichtigen Schritt in Richtung einer nachhaltigen Produktion von H2 als Biokraftstoff darstellen.