Note: Mikrobielle Mischkulturen können hinsichtlich ihrer katalytischen Aufgaben durch effiziente Arbeitsteilung sehr produktiv sein. Der Einsatz synthetischer Co-Kulturen in der bioverfahrenstechnischen Industrie, könnte in zukünftigen Produktionsprozessen eine katalytische Modularität ermöglichen. Arbeitsteilige Kaskadensysteme haben das Potenzial biochemische Reaktionen effizienter zu katalysieren, als dies mit gängigen Monokulturen überhaupt möglich wäre. Die rationale Stamm- und Prozessentwicklung, erfordert dafür jedoch Zugang zu hochaufgelösten quantitativen mikrobiellen Leistungsparametern. Hierzu gehören in der Regel Wachstum, Aufnahme- und Produktionsraten, Ausbeutekoeffizienten und die Stöchiometrie in Abhängigkeit der Kinetik der jeweiligen Interaktionen. Diese relevanten Parameter können aus üblicherweise gemittelten Messwerten aus Schüttelkolben- oder Bioreaktorexperimenten nicht hinreichend bestimmt werden. SiMBal 2.0 beinhaltet die Bestimmung der kinetischen und stöchiometrischen Leistungsindikatoren von Co-Kulturen, um eine Massenbilanzierung durchführen zu können. Die Kinetik der biochemischen Interaktionen und die Stöchiometrie der Co-Kultur hängt allerdings maßgeblich von den extrazellulären Bedingungen ab, so dass unser etabliertes Methodenportfolio für die Bilanzierung, auf die Untersuchung der Co-Kultur-Physiologie in direkter Abhängigkeit kontrollierter Umgebungsbedingungen erweitert wird. Zu diesem Zweck kombinieren wir innovativ mikrofluidische Kultivierungssysteme und Tröpfchen-Mikrofluidik, mit Lebendzellmikroskopie, bildgebende Zell-Trockenmasse Bestimmung und Massenspektrometrie zur Substrat- und Produktquantifizierung. Eine dynamische Modellierung auf der Grundlage der Einzelzelldaten, wird zur Vorhersage des Wachstums, der Produktivität und räumlich-zeitlicher Aspekte herangezogen werden und berücksichtigt phänotypische Heterogenität. Komplementäre Kultivierungen im Labormaßstab ermöglichen zudem eine Modellvalidierung. Neben der technischen Weiterentwicklung, werden erstmalig Untersuchungen an eusymbiotischen Co-Kulturen durchgeführt, die im Rahmen der ersten Förderperiode des Schwerpunktes von Kooperationspartnern zur Verfügung gestellt wurden. Den Co-Kulturen liegen Zell-Zell-Interaktionen zwischen zwei Corynebacterium glutamicum Stämmen zugrunde, die jeweils für eine essentielle Aminosäure auxotroph sind, diese Auxotrophien jedoch gegenseitig ergänzen. Relevante Parameter, pH, Substrat- und Aminosäureverfügbarkeit und die räumliche Zellanordnung, werden als zentrale Abhängigkeiten bezüglich der Physiologie der Co-Kultur berücksichtigt. Unser interdisziplinäres Projekt umspannt die Fachdisziplinen der Bioverfahrenstechnik, der Mikrofluidik, der Einzelzellanalyse und der Modellierung. Das übergeordnete Ziel von SiMBal 2.0 ist dabei die Quantifizierung der interzellulären Interaktionen synthetischer Co-Kulturen. Diese Erkenntnisse werden für die Entwicklung synthetischer Co-Kulturen von hohem Stellenwert sein.
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