Beitrag zur regionalen Bioökonomie

Das interdisziplinäre Kooperationsprojekt PhotoKon könnte einen wichtigen Beitrag zur regionalen Bioökonomie leisten: Statt auf knappe Agrarflächen oder fossile Rohstoffe angewiesen zu sein, entstehen wertvolle Chemikalien direkt aus CO₂ und Licht. Um Chlamydomonas reinhardtii für die industrielle Nutzung zu optimieren, setzen die Forschenden auf neuartige Mutationsmethoden und KI-basiertes Screening.

Mutationsmethoden und Strahlung

Am Fraunhofer FEP in Dresden wurde eine neuartige Mutationsmethode auf Basis niederenergetischer Elektronenstrahlung (< 300 keV) entwickelt.

Lichtmikroskopische Aufnahme von Chlamydomonas reinhardtii © Fraunhofer FEP

„Begleitende Dosimetrie-Experimente mit kommerziellen Filmdosimetern und hauseigenen Dosismessverfahren ermöglichen uns dabei die präzise Kontrolle der mutagenen Wirkung”, betont Prof. Simone Schopf vom Fraunhofer FEP.

Photokatalytische Glykolatproduktion und pH-basiertes Screening

Die Universität Leipzig konnte bereits die grundsätzliche Machbarkeit zur photokatalytischen Glykolatproduktion demonstrieren. Dort wurde ein innovatives pH-basiertes Screening-Verfahren entwickelt, das Farbindikatoren auf Agarplatten nutzt. Diese Indikatoren verändern sich durch die Glykolatausscheidung der Algenzellen. Diese Vorgehensweise basiert auf der experimentellen Beobachtung, dass die Anreicherung des Glykolats im umgebenden Medium mit einer Verringerung des pH-Wertes korreliert.

Robotikgestütztes KI-Screening

Die TU Chemnitz erzielte bedeutende Fortschritte bei einem robotikgestützten Mutantenscreening mit KI-basierter Bildanalyse. Das Team entwickelt automatisierte Screening-Routinen, die eigenständig tausende von Algenkolonien analysieren und vielversprechende Mutanten identifizieren können.

Nutzung der natürlichen Photorespiration

„Diese interdisziplinäre Herangehensweise ermöglicht es uns, die natürliche Photorespiration der Algen – normalerweise ein unerwünschter Nebeneffekt – gezielt für die Glykolatproduktion zu nutzen”, erläutert Prof. Severin Sasso von der Universität Leipzig.

KI-basierte Technologie und intelligente Prozesssteuerung

Das Screening und die Isolation positiver Mutanten erfolgt durch ein KI-basiertes Bilderkennungsverfahren mit Transfer Learning-Ansätzen. Durch die Isolation vielversprechender Zellfabriken können sowohl die biologischen Grundlagen zur Wirkung ionisierender Strahlung auf die Zellen untersucht als auch die Skalierung in technischen Bioprozessen umgesetzt werden.

„Dabei streben wir einen sowohl biologisch als auch technologisch verbesserten Prozess an, der im Labormaßstab des neuen Controlled Environment Agriculture Labs der TU Chemnitz validiert werden soll”, berichtet Dr. Felix Krujatz. Durch eine intelligente Regelungstechnik zur effizienten Produktion von Glykolat im Labormaßstab eröffnet die PhotoKon-Technologie eine Möglichkeit zur nachhaltigen und biobasierten Konversion von CO₂ in die Basischemikalie.

Über das Projekt

Das Projekt PhotoKon, das die photokatalytische Konversion von CO₂ in Glykolat durch mikrobielle Zellfabriken unter Nutzung von Zufallsmutagenese und künstlicher Intelligenz untersucht, wird mit Steuermitteln gefördert, die auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushalts bereitgestellt werden. Der Förderzeitraum erstreckt sich vom 1. Juni 2024 bis zum 31. Mai 2027.

Quelle: Fraunhofer FEP