A hat-trick of successes

Whilst others are dreaming of a holiday at the end of June – or are already enjoying one – Anna Naruschat has created her own summer fairy tale: within four weeks, the 23-year-old has achieved three successes in her personal development and her research work.

Anna Naruschat began studying at Mittweida University of Applied Sciences in 2020, initially on the Bachelor’s programme in Biotechnology and subsequently on the Master’s programme in Genomic Biotechnology.

As part of Prof. Röbbe Wünschiers’ research group, she is working on the development of an efficient, hydrogen-producing strain of Cereibacter sphaeroides.

Aufgrund des fortschreitenden Klimawandels und der immer größer werdenden Nachfrage nach nachhaltigen Energieträgern gewinnt Wasserstoff zunehmend an Bedeutung. Derzeit wird allerdings noch immer der Großteil des Wasserstoffs in Europa aus fossilen Rohstoffen erzeugt. Das führt zu klimaschädlichen Emissionen und entzieht diese wertvollen Rohstoffe anderen Anwendungen, wie der chemischen Industrie. Mögliche Techniken, die ohne fossile Rohstoffe auskommen, sind die Elektrolyse von Wasser (grüner Wasserstoff) oder die Herstellung von Wasserstoff durch Mikroorganismen (sogenannter „brillanter Wasserstoff”).

Das Purpurbakterium Cereibacter sphaeroides hat die Eigenschaft, Wasserstoff unter stickstoffarmen Bedingungen als Nebenprodukt der Luftstickstofffixierung herzustellen. Der Stamm SubH₂ zeigt in dieser Hinsicht ein besonderes Verhalten, da er auch unter stickstoffreichen Bedingungen, wie er in organischen Nährsubstraten vorkommt, Wasserstoff herstellt. Das macht ihn zu einem potenziellen Kandidaten für die Wasserstoffproduktion aus stickstoffreichen Substraten wie Saftpulpe, einem Abfallstoff aus der Fruchtsaftherstellung.

Um die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen, sollte das Genom des Stammes, mit dem eines Stammes ohne diese ungewöhnliche Regulation der Stickstofffixierung verglichen werden. Dabei sollten Mutationen in Genen gesucht werden, die möglicherweise mit dem Wasserstoffmetabolismus zusammenhängen. In Fortführung der Arbeit ihrer Vorgängerin, Nadine Wappler, hat Anna Nauruschat dafür eine sogenannte SNP-Calling-Pipeline entwickelt. Mit deren Hilfe werden Mutationen im Genom von C. sphaeroides SubH₂ erkannt, deren Lage in gencodierenden Bereichen überprüft und die Effekte der Mutationen auf die Funktion der Produkte dieser Gene vorhersagt.

Bei der Analyse wurden aktuell die beiden Bakterienchromosomen betrachtet. Dabei wurden insgesamt 195 Mutationen in Genen im Stamm SubH₂ im Vergleich zu einem Referenzgenom festgestellt. Unter diesen Mutationen befand sich auch eine Mutation im Gen rpoN, dessen Genprodukt, ein bakterieller Transkriptionsfaktor, mit der Regulation der Wasserstoffsynthese in Verbindung steht. Diese Ergebnisse sind allerdings noch vorläufig und müssen noch als Ursache für die veränderte Regulation der Wasserstoffproduktion validiert werden. In Zukunft ist geplant diese Ergebnisse nochmals experimentell zu überprüfen. Zudem soll der Stamm SubH₂ weiter analysiert werden, um beispielsweise Mutationen in regulatorischen Regionen wie Promotoren zu finden. Das Wissen soll langfristig genutzt werden, um einen optimierten Stamm von C. sphaeroides als effizienten Wasserstoffproduzenten in stickstoffreichen Substraten wie Saftpulpe einsetzen zu können.

Kaum wieder zurück in Mittweida gab sie weiter Gas und brachte ihre Masterarbeit zum Thema: „Development of a Method for Base Modification and Bioinformatic Search for Possible Target Sites in Cereibacter sphaeroides“ (übersetzt: „Entwicklung einer Methode zur Basenmodifikation und bioinformatische Suche nach möglichen Zielstellen in Cereibacter sphaeroides“) noch vor Ablauf der regulären Bearbeitungszeit zu einem erfolgreichen Abschluss.

Professor Röbbe Wünschiers, Forschungsgruppenleiter und Betreuer ihrer Masterarbeit, lobt die Absolventin: „Anna hat in ihrer Arbeit sowohl anspruchsvolle molekularbiologische Laborarbeiten als auch datenintensive bioinformatische Analysen bearbeitet. Dabei geht sie sehr selbstständig vor, erschließt sich eigenständig relevante Quellen und bringt stets fundierte Ideen in unsere Besprechungen ein. Für mich als Betreuer ist das Glück, Freude und Herausforderung zugleich. Dass sie dann auch noch nebenbei einen defekten Thermocycler repariert – den die Herstellerfirma bereits auf dem Schrottplatz wähnte – ist ein Beispiel für ihr Engagement über die eigentliche Forschung hinaus. Ich freue mich sehr, die wissenschaftliche Vaterschaft übernehmen zu dürfen."

In einem kooperativen Promotionsverfahren mit der Technischen Universität Dresden promoviert Anna Nauruschat nun zum Thema: „Biowasserstoff-Produktion mit Purpurbakterien: Editierung und Analyse des regulativen Netzwerkes mithilfe von maschinellem Lernen bei Cereibacter sphaeroides“.

Herzlichen Glückwunsch zu diesen Erfolgen!

Text: Anna Nauruschat, Annett Kober
Fotos und Grafiken: Hochschule Mittweida (1), Anna Nauruschat (2), Hochschule Merseburg - Vincent Grätzsch (3), Justus Reuter (4)

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