PhycoDesign

Warum dieses Projekt?

Mikroalgen können weit mehr, als die meisten Menschen ahnen. Manche von ihnen produzieren die Fettsäure EPA (Eicosapentaensäure), die bislang meist aus Fischöl gewonnen wird, einem Markt von über 1,5 Milliarden Dollar. Fischöl stammt jedoch aus der Verarbeitung von jährlich über 20 Millionen Tonnen Futterfisch und belastet damit marine Nahrungsketten. Mikroalgen sind die eigentlichen, ursprünglichen Produzenten dieser wertvollen Fettsäure in der Natur und könnten Fischöl als nachhaltige, kontaminationsfreie Alternative ablösen.

Das Problem ist die industrielle Kultivierung von Mikroalgen in Photobioreaktoren. Sie ist bis heute unzuverlässig, weil bakterielle Kontaminationen Kulturen immer wieder zum Zusammenbruch bringen. Das ist ein Grund, warum viele Verfahren Bakterien pauschal als Störfaktor behandeln und versuchen, sie so gut wie möglich fernzuhalten. Tatsächlich ist aber jede Algenzelle von einer sogenannten Phycosphäre umgeben, einem nährstoffreichen Mikromilieu, in dem bestimmte Bakterien der Alge im Austausch für Kohlenstoff wichtige Stoffe wie Vitamin B12, Siderophore (Eisentransporter) und Phytohormone liefern. Manche dieser bakteriellen Partner fördern das Algenwachstum sogar messbar. Bakterienhaltige Kulturen von P. tricornutum erreichen unter bestimmten Bedingungen rund 20 % höhere Zelldichten als sterile Reinkulturen. Die entscheidende Frage ist also nicht, wie man Bakterien komplett vermeidet, sondern wie man die richtigen von den schädlichen unterscheidet.

Die Idee: Konsortien gezielt entwerfen statt dem Zufall überlassen

Genau hier setzt PhycoDesign an. Das Projekt entwickelt ein Verfahren, das computergestützte Analyse und Laborexperimente kombiniert, um wachstumsfördernde Schlüsselbakterien innerhalb der Phycosphäre zu identifizieren und daraus rational entworfene, stabile Konsortien aus Algen und Bakterien zusammenzusetzen, anstatt sich wie bisher üblich auf Versuch und Irrtum zu verlassen.

Um herauszufinden, welche Bakterien wirklich zu guten Partnern taugen, beantwortet die Analyse drei Fragen zu jedem Kandidaten. Wer lebt mit wem? Das zeigen Kookkurrenznetzwerke (CON). Wer beeinflusst wen tatsächlich ursächlich, statt nur zufällig gemeinsam aufzutreten? Das prüft die Methode Convergent Cross Mapping (CCM). Und wie stabil ist diese Partnerschaft langfristig? Das zeigt die Energielandschaftsanalyse (ELA). Ein Bakterium, das alle drei Kriterien erfüllt, strukturell zentral, kausal wachstumsfördernd und Teil eines stabilen Gemeinschaftszustands, gilt als vielversprechender Partner für ein synthetisches Konsortium. Diese Vorhersagen werden anschließend im Labor experimentell überprüft. Die besten Kandidaten werden zu gezielt zusammengestellten, synthetischen Bakteriengemeinschaften kombiniert und gegen natürliche sowie sterile Kontrollkulturen getestet.

Untersucht werden zwei gut erforschte Modellorganismen, die marine Kieselalge P. tricornutum, die EPA in relevanten Mengen bildet, und die genetisch besonders gut zugängliche Süßwasseralge C. reinhardtii. Für Letztere steht eine umfangreiche Mutantenbibliothek namens CLiP mit über 60.000 Mutanten zur Verfügung, mit deren Hilfe die entdeckten Interaktionsmechanismen mechanistisch bestätigt werden können.

Was am Ende dabei herauskommt

Ziel ist ein entworfenes Konsortium, das gegenüber sterilen Standardkulturen mindestens 20 % mehr EPA liefert. Es wird über mehrere Kultivierungszyklen validiert und schließlich auf kontinuierliche Kultivierung im Bioreaktor hochskaliert. Damit nicht nur dieses eine Projekt davon profitiert, wird die gesamte Methodik als frei zugängliche, offene Plattform veröffentlicht. Andere Forschungsgruppen sollen künftig eigene Zeitreihendaten hochladen und automatisiert Vorschläge für stabile, produktive Konsortien erhalten. Alle Sequenzdaten werden offen archiviert, der Code wird frei zur Nachnutzung bereitgestellt.

Damit leistet PhycoDesign einen konkreten Beitrag zur Nationalen Bioökonomiestrategie. Es macht biologisches Wissen für nachhaltige, biobasierte Wertschöpfungsketten nutzbar, senkt den Bedarf an Chemikalien und Energie in der Algenkultivierung und schafft eine übertragbare Innovationsinfrastruktur, mit Perspektive weit über die Mikroalgenbiotechnologie hinaus, etwa in Richtung der Forschung am Mikrobiom von Nutzpflanzen.

Rahmen des Projekts

PhycoDesign wird über fünf Jahre im Rahmen der Fördermaßnahme „Kreativer Nachwuchs forscht für die Bioökonomie” (BioKreativ) gefördert. Angesiedelt ist das Projekt am Institut für Quantitative und Theoretische Biologie / Institut für Synthetische Mikrobiologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, unter der Leitung von Dr. Ellen Oldenburg. Wissenschaftlich begleitet wird die Gruppe von Prof. Dr. Anna Matuszyńska (RWTH Aachen) und Prof. Dr. Bodo Philipp (Universität Münster).

Wir suchen Verstärkung

Über die Projektlaufzeit entstehen mehrere Stellen für Menschen, die Lust haben, an der Schnittstelle von Mikrobiologie, Datenanalyse und Biotechnologie zu arbeiten. Geplant sind drei Promotionsstellen, unter anderem zur Arbeit mit P. tricornutum und C. reinhardtii sowie zur Entwicklung der computergestützten Analysepipeline, eine Stelle als Postdoc mit Schwerpunkt Laborleitung, Kultivierung und Skalierung der Bioreaktoren, sowie studentische Hilfskraftstellen zur Unterstützung im Labor. Wer sich für Mikrobiomforschung, synthetische Biologie oder computergestützte Ökologie begeistert und sich vorstellen kann, Teil dieses Teams zu werden, ist herzlich eingeladen, sich unverbindlich zu melden, auch wenn aktuell noch keine konkrete Stelle ausgeschrieben ist.

Kontakt: Dr. Ellen Oldenburg, ellen.oldenburg@hhu.de