Framework for the quantitative analysis of the interplay between cyanobacterial physiology and photosynthesis-driven biocatalysis

Abstract

Diese Arbeit untersucht die Wechselwirkung zwischen Physiologie und biokatalytischer Aktivität in dem Model-Organismus Synechocystis spec. PCC 6803. Es wurde eine Kultivierungs- und Analytik-Strategie entwickelt, die eine systematische und quantitative Erfassung von physiologischen Parametern unter definierten und reproduzierbaren Bedingungen ermöglicht. Neben grundlegenden physiologischen Effekten unter verschiedenen Licht- und CO2-Verfügbarkeiten, wurde der Einfluss von biokatalytisch bedingtem Kohlenstoff- oder Elektronen-Abzug auf die Zellphysiologie untersucht. Es wurde gezeigt, dass sowohl zusätzliche Kohlenstoff- als auch Elektronensenken zu einer Erhöhung der Raten der Wasseroxidation und Kohlenstofffixierung führen können. Dieser Effekt, in der Literatur als Carbon Sink-Effekt beschrieben, und die biokatalytische Aktivität waren von den Prozessbedingungen abhängig. Diese Arbeit unterstreicht die Bedeutung und das Potenzial einer systematischen und quantitativen Analyse der Physiologie für eine rationale Stamm- und Prozessentwicklung in der Photo-Biotechnologie.

This study investigates the interplay of cellular physiology and biocatalytic activity in the model organism Synechocystis spec. PCC 6803. A methodological framework was developed to enable a systematic and quantitative investigation of relevant physiological properties. A combination of continuous cultivation strategies with an advanced set of analytics allowed the quantitative characterization of light reactions and carbon metabolism within defined and controlled steady states. The established framework was applied to investigate the physiological response of Synechocystis sp. PCC 6803 to additional electron and/or carbon sinks at different carbon and light availabilities. The results confirm a condition dependent carbon sink effect, which is the metabolic stimulation of photosynthetically active cells by an additional sink, e.g., a biocatalytic reaction. This study contributes to the understanding of photosynthetically active cyanobacterial cells and demonstrates the potential of and necessity for systematic and quantitative biocatalyst characterization in photo-biotechnology.