Das Projekt "Biosynthese von Xanthophyllen in Grünalgen und Kieselalgen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Mainz, Institut für Allgemeine Botanik durchgeführt. Nachdem in Gefäßpflanzen die an der Carotinoidbiosynthese in den photosynthetisch aktiven Organen beteiligten Enzyme inzwischen weitestgehend identifiziert worden sind, soll im hier beantragten Projekt die Carotinoidbiosynthese in der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii und der Diatomee Phaeodactylum tricornutum untersucht werden. Hierzu sind zunächst die Identifizierung von an der Xanthophyllbiosynthese beteiligten Gene aus beiden Algen sowie die Isolierung und Charakterisierung neuer Pigmentmutanten von C.reinhardtii vorgesehen. Besonderes Augenmerk liegt ferner auf der Identifizierung einer Diadinoxanthin-Synthase (DDS) aus P.tricornutum. Die bereits vorliegenden sowie die neu isolierten Pigmentmutanten von C. reinhardtii sollen als Testsystem für die Funktion potentieller Xanthophyllbiosynthesegene aus beiden Algen eingesetzt werden. Die DDS aus P.tricornutum soll anschließend in einem bakteriellen System sowie in C.reinhardtii exprimiert, isoliert und bezüglich ihrer katalytischen Eigenschaften eingehend charakterisiert werden. Eine erfolgreiche funktionelle Expression der DDS in C. reinhardtii würde in der Synthese eines bislang in Grünalgen nicht vorkommenden Xanthophylls resultieren. Hiervon wären neue Erkenntnisse hinsichtlich der Flexibilität der Pigmentbindungseigenschaften von Lichtsammelkomplexen sowie der Funktion und Evolution des Diadinoxanthinzyklus zu erwarten.
Das Projekt "Photobiologische Wasserstofferzeugung durch Mikroalgen - Teilprojekte des Fördervorhabens 'Stärkung der technologischen Position an den Ruhruniversitäten'" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bochum, Ingenieurwissenschaften, Institut für Energietechnik, Lehrstuhl Energiesysteme und Energiewirtschaft durchgeführt. Bei der photobiologischen Wasserstofferzeugung produzieren photosynthetisch aktive Mikroorganismen aus Sonnenlicht und Wasser reines Wasserstoffgas. Bei einigen Grünalgen wird unter bestimmten Umgebungsbedingungen (Schwefelmangel) die Bildung von molekularem Wasserstoff durch spezielle Enzyme katalysiert. Diese sog. 'Hydrogenasen' zeigen bei Chlamydomonas reinhardtii (C. reinhardtii) extrem hohe Umsatzraten. Aus diesem Grund wird diese Grünalge häufig als Modellorganismus für die Erforschung der photobiologischen H2-Erzeugung gewählt. Arbeitsprogramm und Zielstellung: Das Verbundprojekt bio- und ingenieurwissenschaftlicher Lehrstühle und Arbeitsgruppen der Ruhr-Universität Bochum und der Universität Duisburg-Essen unter Federführung der Energieforschung Ruhr (ef.Ruhr) GmbH hatte die technische Weiterentwicklung und Optimierung des Verfahrens der photobiologischen H2-Erzeugung zum Ziel. Ein Schwerpunkt war die Konzeption und Realisierung eines neuartigen Flachbettreaktors für den Laborbetrieb. Die systemanalytische Begleitforschung umfasste eine vereinfachte Lebenszyklusbetrachtung für den Photobioreaktor und die technologische Einordnung des Verfahrens der photobiologischen H2-Erzeugung im Vergleich zu anderen ausgewählten Techniken. Ergebnisse: Mit der Entwicklung und Realisierung eines neuartigen Flachbett-Photobioreaktors durch die Arbeitsgruppe Photobiotechnologie (APT) des Lehrstuhls Biochemie der Pflanzen (BDP) konnte eine Maßstabsvergrößerung der photobiologischen H2-Erzeugung durch Mikroalgen erreicht werden. Im Rahmen der Studien wurde eine optimale Lichtintensität zur Beleuchtung der Algensuspension von 100 - 130 mymol Photonen je Sekunde und Quadratmeter bestimmt. Das Temperaturoptimum für die Wasserstoffproduktion liegt zwischen 18 Grad Celsius und 20Grad Celsius, mit einer Bandbreite von etwa 5 Grad Celsius. Nach der Etablierung eines Verfahrens zur Selbstentschwefelung der Algenkultur konnte eine optimale Zelldichte in Bezug auf die Wasserstoffproduktion von 17 myg Chlorophyll je ml Algensuspension (+/- 3 myg Chlorophyll je ml) ermittelt werden. Der optimal einzustellende pH-Wert liegt bei 7,2. Bei der Zumischung von CO2in der Wachstumsphase konnte keine signifikante Erhöhung der Wasserstoffproduktion nachgewiesen werden. Untersuchungen zur thermischen Verwertbarkeit der Algen-Biomasse zeigen, dass nur eine eingeschränkte Einsatzfähigkeit der Algen-Trockenmasse in konventionellen Feuerungen (Kohlenstaub- und Wirbelschichtfeuerung) in Frage kommt. Zwar wurde der Heizwert der Algen-Biomasse zu 19,2 MJ/kg bestimmt, jedoch liegt die Fließtemperatur der zurückbleibenden Asche unterhalb von 800Grad Celsius. Die Biogasgewinnung aus Algenmasse als alternative Verwertungsoption erscheint nicht oder nur schwer realisierbar, wobei die Gründe dafür bislang ungeklärt sind. usw.
Das Projekt "Wasserstoff aus Mikroalgen: mit Zell- und Reaktordesign zur wirtschaftlichen Produktion; Charakterisierung und biotechnologischen Optimierung verschiedener Chlamydomonas-Stämme für Biomassen- u. H2-Produktion in Photobioreaktoren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bielefeld, Fakultät für Biologie durchgeführt. Ziel diese Projektes ist die Charakterisierung und biotechnologische Optimierung verschiedener Chlamydomonas-Stämme für Biomassen- und H2-Produktion in Photobioreaktoren sowie die Identifizierung neuer Arten für die H2-Produktion. In zwei Projektmodulen soll in enger Kooperation mit den beteiligten Partnergruppen der Aufbau von Biomasse und der Ertrag der Wasserstoffproduktion in C. reinhardtii für die Nutzung in geschlossenen Photobioreaktoren optimiert und eine systematische Identifizierung weiterer H2-produziernder Stämme und Arten, die für die industrielle Produktion von Bio-H2 interessant sind, durchgeführt werden. Nach Vortests in Minibioreaktoren in Bielefeld werden die neuen und optimierten Stämme anschließend in den neu entwickelten Bioreaktoren der Partnerlaboratorien auf ihre Effizienz getestet. Zur Verbesserung des Aufbaus der Biomasse und des Ertrags der Wasserstoffproduktion in C. reinhardtii sollen in diesem Projekt verschiedene molekulare Parameter der Versorgungsmechanismen der Hydrogenasen mit (H+) und (e-) optimiert werden. Eine optimale Grundlage dieses Forschungsprojektes bietet die in Bielefeld hergestellten Wasserstoffproduktionsmutanten Stm6 und Stm6glc4, die in der Lage sind, je nach Bedingungen ca. 5 mal mehr Wasserstoff als der Wildtyp zu produzieren. Schwerpunkte der Optimierungsstrategien sind die Anpassung der Lichtsammelantennen an die Verhältnisse in einem Photobioreaktor und die Optimierung der Nutzung des internen Stärkelagers der Zelle für die H2-Produktion. Beim systematischen Screen nach neuen Stämmen für Biomassen- und H2-Produktion werden sowohl Zufallsmutagenese Ansätze mit C. reinhardtii durchgeführt als auch weitere Stämme mit teilweise extremophilen Eigenschaften für ihre Eignung untersucht. Die biologische Optimierung der Algenbiomassenanzucht eröffnet neben der Nutzung zur H2-Produktion weitere Perspektiven der Umwandlung von produzierter Biomasse in Bioenergie in neuen Bioraffineriekonzepten.
Das Projekt "Untersuchungen zum Wasserstoffmetabolismus in den photosynthetisch aktiven Organismen Chlamydomonas reinhardtii und Synechocystis sp. PCC 6803" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bonn, Botanisches Institut und Botanischer Garten durchgeführt. Gruenalgen und Cyanobakterien sind die einzigen Organismen, bei denen unter energetischen Gesichtspunkten eine Wasserstoffproduktion sinnvoll scheint, da nur hier das Sonnenlicht als Energiequelle und Wasser als Elektronenquelle ausgenutzt wird. Unter anaeroben Bedingungen findet bei der Gruenalge Chlamydomonas reinhardtii und bei dem einzelligen Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 eine an Hydrogenasen gekoppelte Wasserstoffproduktion statt. Das Protein aus Chlamydomonas wurde physiologisch und biochemisch charakterisiert. In diesem Projekt soll erstmalig das Gen, das fuer eine eukaryontische Fe-Hydrogenase kodiert, identifiziert werden. Laengerfristig koennen Expression- und Mutageneseexperimente zur Aufklaerung des Katalysemechanismus bei Fe-Hydrogenasen beitragen (hohe spez. Aktivitaet der H2-Entwicklung). Ausserdem soll die Herstellung von sauerstoffunempfindlichen Hydrogenasemutanten die Frage klaeren helfen, ob eine biologische Wasserstoffentwicklung industriell nutzbar ist. Auch Cyanobakterien kommen fuer eine biosolare Energieumwandlung in Wasserstoff und Sauerstoff in Frage. In diesem Zusammenhang wird zunaechst die gereinigte NiFe-Hydrogenase aus Synechocystis 6803 biochemisch und biophysikalisch charakterisiert.
Das Projekt "PLANT-KBBE: Die Produktion von rekombinanten Glykoproteinen im Chloroplasten von Mikroalgen unter Ausnutzung eines nativen Plastidensortierungsmechanismus (ALGAL-GLYCO)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen durchgeführt. Vorhabensziel: Das Ziel des Projektes ist es, das biotechnologische Potential eines neuartigen intrazellulären Sortierungsmechanismus, mit dem N-Glykoproteine in den Chloroplasten der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii importiert werden, zur Produktion von Proteinen mit therapeutischem und ernährungsrelevanten Hintergrund zu untersuchen. Hierbei soll die Charakterisierung des neuen Chloroplastenimportsystems, welches über das zelluläre Endomembransystem abläuft, ein primäres Ziel sein. Des Weiteren sollen plastidäre N-Glykoproteine und N-Glykanstrukturen analysiert und identifiziert werden. Die ultimative Zielsetzung ist, diese neuen Erkenntnisse für die Entwicklung neuer Strategien zur Produktion von rekombinanten Glykoproteinen mit definierten N-Glykanstrukturen im Chloroplasten von Mikroalgen umzusetzen. Arbeitsplannung: In einem ersten Schritt sollen plastidäre N-Glykoproteine, welche über das Endomembransystem in den Chloroplasten importiert werden, identifiziert werden. In einem zweiten Schritt sollen die Strukturen der N-vernetzten Glykane untersucht werden. Des Weiteren soll der N-Glykosylierungsbiosyntheseweg in silicon und mittels genomischer Methoden charakterisiert werden. Diese detaillierten Erkenntnisse werden es erlauben, die Dekoration von Glykoproteinen mit N-Glykanen über genetisches Engineering so zu modifizieren, dass rekombinante Proteinen, die im Algensystem produziert werden, für den Menschen verträglich sein werden. Letztlich soll die Expression, Produktion und Ausbeute von N-Glykoproteinen in Mikroalgen optimiert werden.
Das Projekt "e:Bio - Modul III - Nachwuchsgruppe: ChlamyInt - Systembiologie der Grünalge Chlamydomonas rheinhardtii zur Ertragssteigerung Bio-basierter Kraftstoffe" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Wissenschaftszentrum Weihenstephan, Lehrstuhl Systembiologie der Pflanzen durchgeführt. Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii kann durch Photosynthese gewonnene Energie zur Produktion von Wasserstoff (H2) und Biomasse verwenden. Der Nutzen erster quantitativer Computermodelle des Chlamydomonas Stoffwechsels ist aufgrund fehlender Information über Algenproteinfunktionen stark eingeschränkt. Protein Interaktionen spielen eine wichtige Rolle in der Strukturierung von metabolischen Prozessen. In diesem Projekt wird eine systematische, hochwertige Protein-Protein Interaktionskarte für Chlamydomonas experimentell generiert um mit Hilfe dieser biochemischen Daten existierende mathematischer Modelle des Algenstoffwechsels zu optimieren. Das Ziel ist es, mittels der so erweiterten Computermodelle Ansatzpunkte genetische Manipulationen zu finden die zu einer erhöhten Ausbeute von biotechnologisch interessanten Metaboliten führen. Zunächst wird eine ORFeome Sammlung für Chlamydomonas Enzyme, sowie strukturelle und Signaltransduktionsproteine mittels PCR, Next-Gen Sequenzierung und Hochdurchsatz Gateway Klonierung generiert. Die produzierten kodierenden Sequenzen werden in eine Roboter-gestützte qualitativ hochwertige Yeast-2-hybrid basierte Hochdurchsatzinteraktionsplattform eingespeist. Aus der Interaktionskarte werden u.a. mittels graphtheoretischer Methoden Hypothesen über neue Reaktionspfade entwickelt, die anschließend zur Verbesserung der Computermodelle und die gezielte Manipulation des Algenstoffwechsels genutzt werden.
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