Forschungsschwerpunkte der AG Deppenmeier
Die Forschungsthemen umfassen:
- Physiologie und Biochemie der wichtigsten Vertreter der humanen Darmmikrobiota
- mikrobielle Produktion von Succinat als Plattformchemikalie aus nachwachsenden Rohstoffen
- mikrobielle Produktion von Präbiotika und kalorienarmen Süßungsmitteln
- Mechanismen der Energiekonservierung in methanogenen Archaeen und die Funktion der Organismen in Biogasanlagen
Physiologie und Biochemie der humanen Darmmikrobiota
Die humane Darmmikrobiota ist ein entscheidender Umweltfaktor, der eine wichtige Rolle in der Wirtsphysiologie spielt, indem er verschiedene Prozesse beeinflusst, die von der Reifung des Immunsystems über die Regulierung des Wirtsstoffwechsels und Ernährungseffekte bis hin zur Umwandlung bioaktiver Verbindungen und vielem mehr reichen. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass sich Veränderungen in der Zusammensetzung der menschlichen Darmbakterien auf den Stoffwechsel des Wirtes und eine Vielzahl von Krankheiten auswirken. Um diese Auswirkungen zu analysieren, ist es notwendig, die Funktion und die Stoffwechselaktivität der Darmbakterien zu analysieren. Hierzu ist es unerlässlich, bioinformatische Vorhersagen und biochemische Realitäten zu kombinieren, was das Hauptziel unseres Ansatzes zur Charakterisierung des menschlichen Darmmikrobioms ist. Aktuelle Forschungsprojekte betreffen die Produktion von Succinat als vielversprechende Vorstufe für die Herstellung von Biokunststoffen und die Analyse der Darmmikrobiota im Hinblick auf die Bildung schädlicher chemischer Substanzen (z.B. Nitrosamine und modifizierte Xenobiotika). Dazu gehört auch die gesamte Palette der molekularbiologischen Techniken, die uns ein umfassendes Verständnis der Lebensweise dieser Organismen vermitteln.
- Physiologie und zentraler Kohlenstoffstoffwechsel (Franke und Deppenmeier, 2018, Garschagen et al. 2020)
- System der genetischen Modifikation (Lück und Deppenmeier, 2022, Neff et al. 2023)
Produktion von Präbiotika und kalorienarmen Süßungsmitteln
Es ist bekannt, dass übermäßiger Zuckerkonsum beim Menschen zu ernährungsbedingten Krankheiten führen kann. Die Einführung von kalorienarmen Zuckerderivaten ist daher von großem öffentlichen Interesse. Außerdem besteht ein Bedarf an der enzymatischen Synthese von Ballaststoffen, die eine präbiotische Wirkungen haben. Diese nicht verdaulichen Ballaststoffe können auch dazu genutzt werden, die Viskosität von Lebensmitteln zu erhöhen, die organoleptischen Eigenschaften zu verbessern und könnten auch als Fettersatz dienen. Unsere Forschungsgruppe kooperiert mit der RTWH Aachen, dem FZ Jülich und der Pfeifer & Langen GmbH und Co. KG zusammen, um biotechnologische Produktionsroutinen für präbiotische und/oder kalorienarme, süß schmeckende Kohlenhydrate zu etablieren. Die Zusammenarbeit konzentriert sich auf die Synthese und Validierung von Di-, Oligo- und Polysacchariden auf der Basis von Levan und Inulin, vielversprechende funktionelle Verbindungen, die im Lebensmittel-, Medizin- und Agrarsektor Anwendung finden. Die mikrobiellen und enzymatischen Prozesse basieren auf nachhaltigen und erneuerbaren Rohstoffen wie Saccharose und Stärke, um eine zukunftsorientierte Wirtschaft zu unterstützen. Unsere Forschung umfasst die Suche nach vielversprechenden Biokatalysatoren, die Anwendung molekularer Klonierungstechniken, die Charakterisierung von Enzymen sowie die Optimierung von mikrobiellen Produktionsplattformen und Kultivierungsstrategien.
- Synthese von präbiotischen Di-, Oligo- und Polysacchariden (Hövels et al. 2020, Wienberg et al. 2022)
Biotransformation durch Essigsäurebakterien
Gluconobacter oxydans ist ein gramnegatives Essigsäurebakterium mit einem bedeutenden biotechnologischen Potenzial. Essigsäurebakterien können im Allgemeinen verschiedene Kohlenhydrate und Alkohole effizient in wertvolle Verbindungen umwandeln, darunter L-Ascorbinsäure (Vitamin C), Miglitol, Dihydroxyaceton und Gluconsäuren, die in der Lebensmittel-, Pharma- und Chemieindustrie Anwendung finden. In unserer Gruppe wurden effiziente molekulare Methoden für die genetische Veränderung und Optimierung von Gluconobacter sp. entwickelt (z. B. plasmidvermittelte Genexpression, markerlose Gendeletion, Genome Engineering). Diese Verfahren werden in unserem Labor eingesetzt, um eine Vielzahl von maßgeschneiderten Gluconobacter-Stämmen zu erzeugen, die in der Lage sind, aus erneuerbaren und nachhaltigen Ressourcen wertschöpfende Verbindungen zu synthetisieren. Zahlreiche zuckermodifizierende Enzyme wurden bereits identifiziert und für die Synthese von Levan, Levan-basierten Fructooligosacchariden, Xylan-basierten Fructooligosacchariden und 5-Keto-D-Fructose nach homologer oder heterologer Produktion in G. oxydans oder eng verwandten Essigsäurebakterien eingesetzt. Produktkonzentrationen und Raum-Zeit-Erträge werden durch Optimierung der Produktionsstämme, der Fermentationsbedingungen und des gesamten Prozessmanagements weiter maximiert. Die Produkte der Gluconobacter-vermittelten Biotransformation werden mit geeigneten Methoden aufgereinigt und im Hinblick auf mögliche Anwendungen charakterisiert.
- Synthese und Abbau von 5-Keto-D-Fructose (Hoffmann et al. 2020, Schiessl et al. 2021)
Energiestoffwechsel der methanogenen Archaeen
Der Prozess der Methanogenese ist für den globalen Kohlenstoffkreislauf von Bedeutung, da er den letzten Schritt des anaeroben Abbaus von organischem Material darstellt. Große Mengen von Methan entweichen in die Atmosphäre und wirken als Treibhausgas, werden aber auch als erneuerbare Energiequelle in Biogasanlagen genutzt. Wir konzentrieren uns auf methanogene Archaeen, die mit der menschlichen Mikrobiota assoziiert sind. Ein Vertreter dieser mit dem Menschen assoziierten Organismen ist Methanomassiliicoccus luminyensis, der Methylamine als Substrate nutzt, wobei H2 als Reduktionsmittel dient. Auf diese Weise reduziert der Organismus die Konzentration von Trimethylamin und seinen Folgeprodukten. Dieser Prozess führt zu einer Verringerung der Trimethylaminoxid-Bildung und verhindert die Entwicklung von Atherosklerose. Wir konzentrieren uns hauptsächlich auf Enzyme und Enzymkomplexe, die am Energiestoffwechsel in M. luminyensis beteiligt sind. Auch das Wachstumsverhalten des Organismus ist Teil unseres Forschungsinteresses, um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie der Organismus im menschlichen Darm überlebt und wächst. Bei dieser Forschung kommen viele Techniken zum Einsatz, von Protonen-Translokationsmessungen bis hin zur anaeroben Proteinreinigung.
- Energiekonservierung bei Methanogenen (Kröninger et al. 2019, Steininger et al. 2019)
- Vergärungsstufen in Biogasanlagen (Refai et al. 2017)
Publikationen
Hier finden Sie eine Liste unserer bisher publizierten Paper.
Mitglieder
Hier finden Sie eine Liste der aktuellen Mitglieder der Arbeitsgruppe.