Ökothermodynamik / Biokalorimetrie

Arbeitsgruppe Ökothermodynamik / Biokalorimetrie
Hassan Al-Fathi, Kurt-Tobias Mühler, Claudia Heber, Kristina Vogel, Monique Reichard, Christian Fricke, Anika Krämer, Thomas Maskow, Thore Rohwerder, Sven Paufler (von links nach rechts; ohne Hieu Linh Duong)

Forschungsthemen

Die Thermodynamik wurde als eine systemorientierte naturwissenschaftlich fundierte Methode entwickelt, um Zustände und Prozesse vor allem in komplexen Systemen quantitativ beschreiben zu können. Durch sie bietet sich die Möglichkeit in ökologischen oder biochemischen Netzwerken, kinetische und stöchiometrische Ansätze, Erfahrungen und Intuition mit fundierten Daten über die thermodynamischen Zusammenhänge zu ergänzen, um so zu neuen Erkenntnissen und Prozessoptimierungen zu gelangen. Trotz dieses Potenzials wird die Biothermodynamik in der ökologischen oder auch biotechnologischen Forschung bisher eher selten angewandt.

Aus diesem Grund hat sich unserer Gruppe der Anwendung, Entwicklung und Validierung thermodynamischer Regeln in der Ökologie und Biotechnologie mit folgenden Zielen verschrieben:

  • Besseres Prozessverständnis in komplexen Ökosystemen und in metabolischen Netzwerken (Biothermodynamik),
  • Optimierungsansätze für Photobiosynthesen und die Energiegewinnung mittels mikrobieller Brennstoffzellen,
  • Entwicklung ultra-sensitiver Sensoren (z.B. Biokalorimetrie und Impedanzspektroskopie), und
  • Entwicklung neuartiger Bioprozesssteuerstrategien.
  • Besseres Verständnis der biologischen Wirkungen von Nanomaterialien

Wissenschaftler         Doktoranden und BA Studenten

Dr. Thore Rohwerder            Christian Fricke         Peter Troks

                                             Hieu Linh Duong

                                          

                      

Techniker/-innen

Sven Paufler (Stellvertreter)

Claudia Heber (Laborleiter)

Anika Krämer (TA)

Monique Reichard (TA)

Hans Fritsche (AZUBI)


Methoden

- Fermentations-/Reaktionskalorimetrie    - Mikrokalorimetrie
- Chipkalorimetrie                                     - ITC & DSC
- Verbrennungskalorimetrie                      - Hochleistungsrespirometrie
- Impedanzspektroskopie                         - Fermentationen
- Thermokinetische Modellierungen

Ausgewählte Kooperationen / Projekte

Glycolyse: Thermodynamik und Vorhersage von Stoffwechselwegen.

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): Kooperationsprojekt mit der Uni Rostock und der TU Dortmund

Development of calorimetry as real time instrument to analyze and control complex environmental bioprocesses (DOCUMENT)

Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD): Project Based Personnel Exchange Programme (PPP) mit der Universität für Geowissenschaften Wuhan, China

Analyse und Regelung von Bioprozessen in natürlichen und technischen Systemen mit Chip-Kalorimetern

Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" (AiF): Kooperationsprojekt mit TU Freiberg, RWTH Aachen und 7 mittelständischen Biotechnologie-Unternehmen)

Biothermodynamische Charakterisierung und Analyse der Steuerungsmöglichkeiten des mikrobiellen Aufwuchsverhaltens mit neuartigen miniaturisierten Chip-Kalorimetern

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): Kooperationsprojekt mit der TU Freiberg

Global Climate Changes Influence CO2-Fixation by Phytoplankton Photosynthesis - a Biothermodynamic Analysis

Helmholtzgemeinschaft, HIGRADE Stipendium: Kooperationsprojekt mit Prof. Wilhelm Universität Leipzig


10 ausgewählte Publikationen der letzten drei Jahre

Vogel, K., Greinert, T., Reichard, M., Held, C., Harms, H., Maskow, T. (2020) Thermodynamics and Kinetics of Glycolytic Reactions. Part II: Influence of Cytosolic Conditions on Thermodynamic State Variables and Kinetic Parameters. International Journal of Molecular Sciences 21: 7921

Rohwerder, T. (2020) New Structural Insights into Bacterial Sulfoacetaldehyde and Taurine Metabolism. Biochemical Journal. 477:1367-1371

Fricke, C., Xu, J., Jiang, F.-L., Liu, Y., Harms, H., Maskow, T. (2020) Rapid culture-based detection of Legionella pneumophila using isothermal microcalorimetry with an improved evaluation method. Microbial Biotechnology Doi:10.1111/1751-7915.13563

Kleinsteuber, S., Rohwerder, T., Lohse, U., Seiwert, B., Reemtsma, T. (2019) Sated by a Zero-Calorie Sweetener: Wastewater Bacteria Can Feed on Acesulfame. Frontiers in Microbiology (DOI: 10.3389/fmicb.2019.02606

Fricke, C., Harms, H., Maskow, T. (2019) Rapid Calorimetric Detection of Bacterial Contamination: Influence of the Cultivation Technique. Frontiers in Microbiology 10: 2530

Maskow, T., Rothe, A., Jakob, T., Paufler, S., Wilhelm, C. (2019) Photocalorespirometry (Photo-CR): A novel method for access to photosynthetic energy conversion efficiency. Scientific Reports 9, 9298

Zahn, M., Kurteva-Yaneva, N., Schuster, J., Krug, U., Georgi, T. Müller, R. H., Rohwerder, T., Sträter, N. (2019) Structures of 2-Hydroxyisobutyric Acid-CoA Ligase reveal determinants of substrate specificity and describe a multi-conformational catalytic cycle. Journal of Molecular Biology 431: 2747-2761

Xu, J., He, H., Wang, Y.-Y., Yan, R., Zhou, L.-J., Jiang, F.-L., Maskow, T., Liu, Y. (2018) New Aspects of the Environmental Risks of Quantum Dots: Prophage Activation. Environmental Science: Nano 5(7): 1556-1566

Russel, M., Marios, S., JiaJia, S., Xu, W., Xiao, L., Maskow, T., Alam, M.M., Georgiou, J. (2018) High-Frequency, dielectric spectroscopy for the detection of electrophysiological/biophysical differences in different bacteria types and concentrations. Analytica Chimica Acta 1010: 86-95

Xu, J., Kiesel, B., Kallies, R., Jiang, F.-L., Liu, Y., Maskow, T. (2018) A fast and reliable method for monitoring of prophage-activating chemicals. Microbial Biotechnology DOI 10.1111/1751-7915.13042