Ralf Steuer

• Direct Biological Conversion of Solar Energy to Volatile Hydrocarbon Fuels by Engineered Cyanobacteria

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  The objective of the DirectFuel project is to develop photosynthetic microorganisms that catalyze direct conversion of solar energy and carbon dioxide to engine-ready fuels. A key process target of the proposal is ‘direct’ in the sense that fuel production should not require destructive extraction and further chemical conversion to generate directly useable transport fuels. To further increase our chances of delivering a functioning process we target only non-toxic end-products that have been demonstrated to function in existing or minimally modified combustion engines. From the above criteria, we have chosen to develop an exclusively biological production process for the volatile end-products ethylene and short-chain n-alkanes ethane and propane in photosynthetic cyanobacteria. As no natural biochemical pathways are known to exist for short-chain alkane biosynthesis, we first identify potential gene candidates through informatics analysis and then tailor the substrate specificities of the encoded enzymes by enzyme engineering. In order to directly capture solar energy to drive fuel biosynthesis, the synthetic pathways are at first assembled in the photosynthetic model organism Synechocystis sp. PCC 6803. It is highly unlikely that mere 'introduction' of novel biochemical pathways will result in high-yield synthesis of desired end-products. The final key step is therefore to optimize native host metabolism to deliver reducing energy and metabolic precursors to the synthetic pathways with maximum metabolic flux. Successful construction of the intended strains would allow low-cost production of transport fuel in a potentially neutral ‘greenhouse gas’ emitting process that does not compete for agricultural land. The proposed project is highly relevant to the call as we construct new metabolic pathways that catalyze direct’ production of gaseous fuels for transport directly from solar radiation.

• NW: CyanoGrowth: Die Organisationsprinzipien des cyanobakteriellen Stoffwechsels

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  Das Gesamtziel des Vorhabens ist die systembiologische Beschreibung von phototrophem Wachstum. Als Modellorganismus dienen Cyanobakterien, die einzigen bekannten phototrophen Bakterien mit der Fähigkeit zur oxygenen Photosynthese. Die grundlegende Idee des Projektes ist, Cyanobakterien als interagierende Organismen zu verstehen, deren Beschreibung mehrere Hierarchien der zellulären Regulation und mehrere räumliche und zeitliche Skalen einbeziehen muss.

• CYANOSYS II – Systembiologie der Produktion von Biokraftstoffen durch Cyanobakterien (TP B)

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  Um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu überwinden, werden alternative, umweltfreundliche, leicht verfügbare, erneuerbare und erschwingliche Energiequellen dringend benötigt. Pflanzliche Biokraftstoffe bieten eine mögliche Alternative zu fossilen Treibstoffen, sind aber zurzeit nicht in großen Mengen zu einem erschwinglichen Preis zu erhalten. Insbesondere müssen für eine effiziente und wirtschaftliche Produktion von Biokraftstoffen bisherige Nachteile bei der Umwandlung von pflanzlicher Biomasse in Biokraftstoff überwunden werden. Das ist vor allem der große Bedarf an Ackerland und Wasser und die damit verbundene Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion. Das Ziel unseres Forschungsverbundes innerhalb der Systembiologie-Initiative (e:Bio – Innovationswettbewerb) ist es, die effiziente und wirtschaftliche Produktion von Biokraftstoffen mit Hilfe von phototrophen Mikroorganismen zu erforschen und zu etablieren. Der Vorschlag basiert auf Ergebnissen, die im Rahmen eines abgeschlossenen FORSYS-Partner-Projektes (2008–2011) erreicht wurden. Das Ziel besteht darin, in Richtung eines Pilotprojektes zur großtechnischen Produktion von Biokraftstoffen durch Cyanobakterien weiter zu kommen. Die Organisation unseres Projektes ist transdisziplinär und integriert grundlegendes biochemisches und genetisches Know-how mit der Expertise von Arbeitsgruppen im Bereich der Systembiologie.

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