04.08.2022 - University of Birmingham

Neue Methode zur Förderung der Biofilmbildung und Steigerung der Effizienz der Biokatalyse

Forscher haben synthetische Polymere identifiziert, die die Biofilmbildung in E. coli, einem in der Biokatalyse häufig verwendeten Bakterium, anregen

Wissenschaftler aus Birmingham haben in einer in Materials Horizons veröffentlichten Arbeit eine neue Methode zur Steigerung der Effizienz der Biokatalyse vorgestellt.

Bei der Biokatalyse werden Enzyme, Zellen oder Mikroben eingesetzt, um chemische Reaktionen zu katalysieren. Die Biokatalyse wird in Bereichen wie der Lebensmittel- und der chemischen Industrie verwendet, um Produkte herzustellen, die durch chemische Synthese nicht zugänglich sind. Auf diese Weise können Arzneimittel, Feinchemikalien oder Lebensmittelzutaten in industriellem Maßstab hergestellt werden.

Eine große Herausforderung bei der Biokatalyse besteht jedoch darin, dass die am häufigsten verwendeten Mikroben, wie Probiotika und nicht-pathogene Stämme von Escherichia coli, nicht unbedingt gut darin sind, Biofilme zu bilden, d. h. wachstumsfördernde Ökosysteme, die eine schützende Mikroumgebung um Mikrobengemeinschaften herum bilden und deren Widerstandsfähigkeit und damit die Produktivität erhöhen.

Normalerweise wird dieses Problem durch Gentechnik gelöst, aber die Forscher Dr. Tim Overton von der School of Chemical Engineering der Universität und Dr. Francisco Fernández Trillo von der School of Chemistry, die beide dem Institut für Mikrobiologie und Infektion angehören, wollten eine alternative Methode zur Umgehung dieses kostspieligen und zeitaufwändigen Prozesses entwickeln.

Die Forscher identifizierten eine Bibliothek synthetischer Polymere und untersuchten sie auf ihre Fähigkeit, die Biofilmbildung in E. coli zu induzieren, einem Bakterium, das zu den am meisten untersuchten Mikroorganismen gehört und häufig in der Biokatalyse eingesetzt wird.

Für dieses Screening wurde ein E. coli-Stamm (MC4100) verwendet, der in der Grundlagenforschung zur Untersuchung von Genen und Proteinen weit verbreitet ist und von dem bekannt ist, dass er kaum Biofilme bildet, und mit einem anderen E. coli-Stamm PHL644 verglichen, einem isogenen Stamm, der durch Evolution entstanden ist und gut Biofilme bildet.

Dieses Screening ergab, welche chemischen Substanzen am besten geeignet sind, die Biofilmbildung zu stimulieren. Hydrophobe Polymere schnitten besser ab als schwach kationische Polymere, wobei aromatische und heteroaromatische Derivate viel besser abschnitten als die entsprechenden aliphatischen Polymere.

Die Forscher überwachten dann die Biomasse und die biokatalytische Aktivität der beiden Stämme in Gegenwart dieser Polymere und stellten fest, dass MC4100 mit PHL644 gleichzog und es sogar übertraf.

In weiteren Studien wurde untersucht, wie die Polymere diese tiefgreifenden Aktivitätssteigerungen auslösen. Die Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Polymere in Lösung ausfallen und als Koagulationsmittel wirken, wodurch ein natürlicher Prozess, die so genannte Ausflockung, angeregt wird, der die Bakterien zur Bildung von Biofilmen veranlasst.

Dr. Fernandez-Trillo sagte: "Wir haben einen breiten chemischen Raum untersucht und die leistungsfähigsten Chemikalien und Polymere identifiziert, die die biokatalytische Aktivität von E. coli, einem Arbeitspferd der Biotechnologie, erhöhen. Das Ergebnis ist eine kleine Bibliothek synthetischer Polymere, die die Biofilmbildung steigern, wenn sie als einfache Zusätze zur mikrobiellen Kultur verwendet werden. Soweit wir wissen, gibt es derzeit keine Methoden, die diese Einfachheit und Vielseitigkeit bei der Förderung von Biofilmen für nützliche Bakterien bieten."

"Diese synthetischen Polymere können die Notwendigkeit umgehen, die Eigenschaften für die Biofilmbildung durch Gen-Editierung einzuführen, was kostspielig, zeitaufwändig und nicht umkehrbar ist und eine erfahrene Person in Mikrobiologie erfordert, um es umzusetzen. Wir glauben, dass dieser Ansatz über Biofilme für die Biokatalyse hinaus Auswirkungen hat. Eine ähnliche Strategie könnte eingesetzt werden, um Polymer-Kandidaten für andere Mikroorganismen wie Probiotika oder Hefen zu identifizieren und neue Anwendungen in den Bereichen Lebensmittelwissenschaft, Landwirtschaft, Bioremediation oder Gesundheit zu entwickeln.

Die University of Birmingham Enterprise hat das Verfahren und die Polymeradditive zum Patent angemeldet und sucht nun nach kommerziellen Partnern für die Lizenzierung.

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