Das Purpurbakterium Rhodospirillum rubrum stellt auf Grund seiner spezifischen Eigenschaften eine besonders vielversprechende Spezies der fakultativen Photosynthesebakterien dar. So ermöglicht die hohe metabolische Flexibilität von Rhodospirillum rubrum die Herstellung von Polyhydroxyalkanoaten (PHAs) mit unterschiedlichen Eigenschaften. Die PHAs mit kurzen Seitenketten (scl-PHA) zeichnen sich durch ähnliche Materialeigenschaften wie Polypropylen oder Polyethylen aus, sind jedoch biologisch abbaubar und oft biokompatibel und bioresorbierbar. Dies macht diese Bio-Polymere für Verpackungszwecke und medizinische Produkte, wie z.B. Implantate interessant. Für eine kosteneffektive biotechnologische Produktion dieser Bio-Polymere sind mathematische Modelle notwendig, welche die Wachstumsdynamik und die PHB Synthese und Degradation abbilden können. Durch eine modellbasierte Analyse der oftmals nicht-linearen Dynamik soll ein besseres Verständnis der intrazellulären Regulation gewonnen werden, welche dazu beitragen kann den biotechnologischen Prozess zu optimieren und höhere Ausbeuten zu erreichen.

In der Literatur findet sich bereits eine Vielzahl von metabolischen (Teil-) Netzwerken und Modellen für den Organismus Rhodospirillum rubrum. Diese sind jedoch entweder zu komplex, so dass eine Analyse der nicht-linearen Dynamik kaum durchführbar ist oder diese Modelle konzentrieren sich nicht auf die PHB Synthese und Degradation. Ziel dieser Arbeit ist die Synthese eines metabolischen Netzwerkes für den Organismus Rhodospirillum rubrum mit moderater Komplexität, so dass im Anschluss eine Systemanalyse möglich ist.

Rhodospirillum rubrum ist ein gram-negatives, purpurrotes schwefeslfreies Bakterium. Dieses purpurfarbene Proteobacterium gehört zur Familie der Rhodospirillaceae. Die Farbgebung ist auf einen hohen Gehalt an Carotinoiden zurückzuführen. Zudem sind sie spiralförmig, bipolar begeißelt und in der Lage unter aeroben und anaeroben Bedingungen zu wachsen. Der Lebensraum erstreckt sich über oxische und anoxische Bereiche in ausgewählten Gewässerschichten, im Zuge dessen sind sie ständig schwankenden Umweltbedingungen wie Nähr- und Sauerstoffangebot sowie Lichtintensität in ihrem Lebensraum ausgesetzt [Schlegel 2007]. Demnach ist eine große Stoffwechselvielfalt unerlässlich. Mit Hilfe von Zellatmung, Gärung, Photosynthese oder auch phototrophem Wachstum sind sie in der Lage Energie zu gewinnen. Im Gegensatz zum anaeroben Wachstum führt Aerobes dazu, dass R. rubrum farblos und hakenförmig ist. BILDER Die Größe beläuft sich auf ca. 800-1000nm. Unter anaeroben Wachstumsbedingungen kann R. rubrum die Energie des Lichtes durch anoxygene Photosynthese verwerten. Anders als bei aeroben Bakterien, die wie Pflanzen Wasser als Elektronendonator verwenden, ist R. rubrum auf externe Elektronendonatoren wie bspw. H2S, organische Verbindungen wie Malat und Succhinat oder molekularen Wasserstoff angewiesen [Janke 2001]. Im Vergleich zu Pflanzen produziert R. rubrum Bakteriochlorophyll. Mit Hilfe eines Enzyms ist ein autotrophes oder heterotrophes Wachstum möglich.

Bei der Regulation der Genexpression liegt der Fokus auf dem vorhandenen Nährstoffangebot, demzufolge ist ein Großteil der schwefelfreien Purpurbakterien in der Lage eine Vielzahl von organischen Kohlenstoffquellen zu verstoffwechseln. Für das aerobe, chemoheterotrophe Wachstum favorisiert R. rubrum organische Säuren wie bspw. Pyruvat, Succinat, Acetat und Malat. Zudem ist R. rubrum in der Lage Fructose aufzunehmen, unter mikroaerophilen Bedingungen wird es sogar gegenüber Succinat bevorzugt [Grammel et al. 2003].

Die Fruktoseaufnahme erfolgt über Gruppentranslokation durch ein induzierbares Fruktose spezifisches Phosphotransferasesystem [Brouwer 1982]. Im Gegenzug dazu ist der Succinat- und Aceattransport nicht vollständig geklärt. Es ist aber bekannt, dass die Aufnahme unter aeroben Bedingungen zu einem pH-Wert Anstieg führt, was bedeutet, dass die Aufnahme über einen Protonensymport erfolgt. Zudem weiß man, dass die Succinataufnahme unter mikroaerophilen Bedingungen ebenfalls zu einem pH-Wert Anstieg führt [Grammel et al 2003].

Aerobe Bedingungen sorgen dafür, dass R. rubrum den Weg der oxidativen Phosphorylierung über den Cirtatzyklus und der aeroben Elektronentransportkette nutzt. Im Folgenden wird das Intermediat Succinat im Citratzyklus und Fruktose über den Emden-Meyerhof-Parnas Stoffwechselweg abgebaut [Gibson und Wang 1968]. 2003 identifizierten Garammel et al das für die Verstoffwechselung von Fruktose über den Emden-Meyerhof-Parnas Stoffwechselweg benötigte Schlüsselenzym, sie fanden aber keine Bestätigung, in Form des Schlüsselenzyms, für den oxidativen Pentosephosphatweg.