Im Rahmen des Projekts sollten mikrobielle Elektrosynthesen (MES) zur Herstellung von Biokraftstoffen und chemischen Grundstoffen aus Kohlendioxid bewertet und entwickelt werden, wobei Mikroorganismen von einer Kathode mit Elektronen versorgt werden. Ziel war es, einen hocheffizienten Bioprozess auf der Basis erneuerbarer Energien zu schaffen, der herkömmliche pflanzliche Rohstoffe ersetzen könnte. Um dies zu erreichen, hat das Forschungsteam des DECHEMA-Forschungsinstituts Fachwissen aus den Bereichen Mikrobiologie, Molekularbiologie, Elektrochemie und Ingenieurwesen in einem interdisziplinären Rahmen kombiniert.
Technisch gesehen war die Arbeit in vier Hauptarbeitspakete unterteilt. Im ersten Paket wurden neue methanogene Stämme, die zur CO₂-Fixierung fähig sind, identifiziert und charakterisiert, wodurch der Pool der für MES geeigneten Organismen erweitert wurde. Eine Screening-Plattform, die auf Quarzkristall-Mikrowaagen-Sensoren (qCM) basiert, wurde entwickelt, um die Biofilmbildung auf Elektroden zu überwachen, und eine ergänzende konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie-Methode wurde für eine detaillierte Biofilm-Analyse eingeführt. Das Team verglich den direkten Elektronentransfer und den mediatorgestützten Transfer und wählte schließlich für jeden Organismus die effizienteste Strategie aus. Die Produktionsraten wurden durch Abstimmung der Elektrodenpotentiale, der Biofilmdicke und der Zusammensetzung des Mediums optimiert, was zu messbaren Steigerungen der Produktausbeute führte, obwohl spezifische Zahlenwerte in dem Bericht nicht genannt wurden.
Das zweite Paket konzentrierte sich auf elektrochemische Reaktionssysteme. Die Forscher wiesen nach, dass elektrochemische Hinweise die Entwicklung von Biofilmen steuern und Mikroorganismen auf dreidimensionalen Elektrodenarchitekturen immobilisieren können, was die Zugänglichkeit von Elektronen verbessert. Sie untersuchten auch mögliche Kopplungsreaktionen an der Anode und identifizierten Bedingungen, die zusätzliche Wertströme generieren könnten, ohne den MES-Prozess zu beeinträchtigen.
Im dritten Paket wurde die Elektronentransfermaschinerie von Shewanella oneidensis (MtrA, MtrB, MtrC) in dem heterologen Wirt Ralstonia eutropha exprimiert. Die funktionelle Expression wurde zwar bestätigt, aber ein klarer Leistungsvorteil gegenüber dem nativen System wurde noch nicht erreicht. Mit Hilfe der Evolutionstechnik wurden Mutanten mit verbesserter Elektronentransferrate und Produktbildung ausgewählt und mehrere vielversprechende Isolate identifiziert. Parallele Arbeiten an Shewanella-Mutanten führten zur Produktion von Massenchemikalien, und das Wachstum von Clostridium neator auf Wasserstoff als elektrochemischem Vermittler wurde optimiert, wodurch sich die Palette der verwendbaren Substrate erweiterte.
Alle wichtigen Meilensteine wurden innerhalb des geplanten Zeitplans erreicht, mit nur wenigen kleineren Verzögerungen. Das Projekt führte zu einer Reihe von begutachteten Veröffentlichungen und einer Kommerzialisierungsstrategie, die potenzielle industrielle Anwendungen aufzeigt. An der Zusammenarbeit waren Wissenschaftler der DECHEMA sowie externe Partner aus Wissenschaft und Industrie beteiligt. Das Projekt wurde von deutschen Forschungseinrichtungen finanziert und spiegelt die nationale Priorität wider, biotechnologische Prozesse der nächsten Generation zu entwickeln. Im Laufe des Projekts entwickelte das Team eine robuste MES-Plattform, demonstrierte die Machbarkeit der Integration elektrochemischer und biologischer Komponenten und schuf die Grundlage für die Skalierung der Umwandlung von erneuerbarem CO₂ in wertvolle Chemikalien.