Advent-Platindraht ermöglicht den ersten Nachweis der anodischen Elektrofermentation in Bacillus subtilis

Advents Platinelektrodendraht ermöglicht den ersten Nachweis der anodischen Elektrofermentation in Bacillus subtilis

Der Platinelektrodendraht von Advent spielte eine entscheidende Rolle beim Durchbruch der Tampere University auf dem Gebiet der anodischen Elektrofermentation (AEF).
Unter Verwendung von genetisch modifiziertem Bacillus subtilis mit verbessertem Elektronentransfer zeigten die Forschenden einen effizienteren, sauerstofffreien Prozess zur Herstellung wertvoller Biochemikalien.

Die Wissenschaft einfach erklärt

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Tampere University wollten herausfinden, wie man nützliche Chemikalien ohne Sauerstoff herstellen kann.
Normalerweise benötigen Bakterien Sauerstoff, um zu wachsen und Zucker in Produkte wie Alkohole oder Säuren umzuwandeln.

In dieser Studie verwendeten die Forschenden das sichere, weit verbreitete Bakterium Bacillus subtilis und fanden eine Möglichkeit, es auch ohne Sauerstoff arbeiten zu lassen.

Sie gaben den Bakterien eine spezielle Oberfläche – eine Elektrode aus Advents Platindraht –, die die Elektronen aufnehmen konnte, die die Zellen sonst an Sauerstoff abgeben. Dadurch konnten die Bakterien auch in einer sauerstofffreien Umgebung weiterarbeiten.

Durch Anpassung des pH-Werts und gezielte genetische Veränderungen machten die Forschenden den Prozess deutlich schneller und effizienter.
Das Ergebnis war eine erhöhte Produktion von 2,3-Butandiol, einer wertvollen Chemikalie, die in der Herstellung von Kunststoffen und Kraftstoffen verwendet wird.

Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu umweltfreundlicheren Produktionsmethoden für alltägliche Materialien – mit geringerer Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen.

Unterstützung von Innovation in der bioelektrochemischen Forschung

An der Tampere University entwickeln Forschende neue Wege, um industrielle Biotechnologie nachhaltiger zu gestalten.
Ihre jüngste Arbeit zeigt, wie anodische Elektrofermentation (AEF) zur sauerstofffreien biochemischen Produktion mit Bacillus subtilis genutzt werden kann – einem häufig eingesetzten Mikroorganismus in der Enzym- und Chemikalienproduktion.

Das Forschungsteam verwendete Platinelektroden von Advent, die eine stabile, leitfähige Oberfläche für präzise elektrochemische Steuerung in eigens konstruierten bioelektrochemischen Reaktoren bereitstellten.
Die Elektroden waren entscheidend, um den Elektronenfluss aus den genetisch veränderten Bakterien zu erfassen und Stromdichte sowie Stoffwechselaktivität genau zu messen.

Die Rolle des Platindrahts von Advent

Advent lieferte den 10 cm × 0,4 mm Platindraht, der als Kathode im Drei-Elektroden-System der Studie eingesetzt wurde.
Der Draht wurde wegen seiner hohen Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Reinheit gewählt – entscheidend für zuverlässigen Elektronentransfer und stabile Messergebnisse bei langen anaeroben Tests.

In diesem Aufbau arbeitete die Platinkathode zusammen mit einer Kohlenstofffilz-Anode und einer Kationenaustauschmembran, um den AEF-Stromkreis zu schließen.
Dank der Präzision und Leistungsfähigkeit des Drahts konnten die Forschenden bewerten, wie pH-Steuerung und metabolische Anpassungen in Bacillus subtilis die Effizienz des Elektronentransfers beeinflussten.

Versuchsüberblick

Das Team modifizierte Bacillus subtilis genetisch, indem es das ldh-Gen entfernte, das normalerweise die Regeneration von NAD⁺ während der Fermentation steuert.
Diese Änderung leitete den Elektronenfluss zur Anode um und machte den Prozess abhängig von externem Elektronentransfer anstelle von Sauerstoff.

Unter Verwendung von Advent-Platinelektroden in H-förmigen Borosilikatreaktoren hielten die Forschenden ein kontrolliertes anodisches Potenzial aufrecht und maßen den Stromfluss als direkten Indikator für extrazellulären Elektronentransfer.
Das System nutzte zudem Kaliumferricyanid als Mediator, um die Elektronenbewegung zwischen Zellen und Elektrode zu erleichtern.

Ergebnisse und Bedeutung

• Die Studie erreichte eine 35-fache Steigerung der Stromdichte, mit einem Spitzenwert von 0,77 mA/cm² innerhalb von zwei Stunden.
• Die Steuerung des pH-Werts erwies sich als entscheidend:
• Bei pH 6,5 erreichte das System eine Selektivität von 77 % für 2,3-Butandiol, eine wichtige Industriechemikalie.
• Bei pH 7,5 lag der Glukoseverbrauch bei 89 %, und der Gesamtladungsdurchsatz war am höchsten.
• Diese Ergebnisse zeigten, dass Bacillus subtilis eine anodische Atmung aufrechterhalten kann – ein Meilenstein für eine Spezies, die bisher als sauerstoffabhängig galt.

Die Studie unterstreicht außerdem das Potenzial der elektrochemischen Steuerung, um wertvolle Chemikalien mit geringerem ökologischen Fußabdruck zu produzieren.

Saubere biochemische Produktion ermöglichen

Der Einsatz der Platinelektroden von Advent lieferte die erforderliche Genauigkeit, Reinheit und Konsistenz für eine Studie dieser Präzision.
Durch die Überwachung des Elektronentransfers unter streng anaeroben Bedingungen unterstützten die Elektroden die Entdeckung eines energieeffizienteren, sauerstofffreien Prozesses zur Herstellung von 2,3-Butandiol und verwandten Verbindungen.

Diese Arbeit zeigt, wie hochwertige Forschungswerkstoffe von Advent Research Materials führenden Laboren helfen, neue nachhaltige Produktionsmethoden zu entwickeln – von der Biokatalyse bis zum Design elektrochemischer Systeme.

Advent Research Materials ist stolz darauf, den in dieser bahnbrechenden Studie verwendeten Platindraht geliefert zu haben.
Die Ergebnisse verdeutlichen, wie hochreine Metalle entscheidend sind, um Fortschritte in der Bioelektrochemie zu ermöglichen – und Innovationen in der erneuerbaren Biochemikalienproduktion und Fermentationstechnologie der nächsten Generation zu fördern.

Vollständige Studie

Diese Forschung wurde an der Tampere University (Finnland) von Yu Sun, Changshuo Liu, Igor Vassilev, Antti J. Rissanen, Jin Luo und Marika Kokko durchgeführt.
Die Studie „Enhanced extracellular respiration of engineered Bacillus subtilis via anodic electro-fermentation with pH optimisation“ ist derzeit als Preprint auf Research Square veröffentlicht und wird im Journal Biotechnology for Biofuels and Bioproducts begutachtet.

Citation:
Sun Y., Liu C., Vassilev I., Rissanen A.J., Luo J., & Kokko M. (2025). Enhanced extracellular respiration of engineered Bacillus subtilis via anodic electro-fermentation with pH optimisation. Research Square Preprint.
DOI: 10.21203/rs.3.rs-7808705/v1

Status: Preprint — under review at Biotechnology for Biofuels and Bioproducts
License: Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY 4.0)

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