Enzyme werden als biologische Katalysatoren seit vielen Jahren erfolgreich in Bereichen der Medizin, Biotechnologie oder verschiedenen Industriesegmenten wie der Lebensmittel- und Waschmittelindustrie eingesetzt. Die Enzym-vermittelte Beschleunigung von Reaktionen, die Substrat- und Stereospezifität sowie die einfache Produktion der Enzyme bzw. Zellen führen zur Einsparung von Zeit, Energie und damit Produktionskosten. Sowohl die Enzym-basierte Biotransformation als auch die Ganzzellkatalyse haben ihre ganz eigenen Vorteile. Das Crenarchaeon Sulfolobus acidocaldarius ist ein vielversprechender archaeller Plattformorganismus für die biotechnologische und industrielle Produktion. Aufgrund seiner Wachstumsbedingungen bei 75–80 °C und einem pH-Wert von 2–3 eignet sich dieser Organismus insbesondere zum Abbau lignocellulosehaltiger Biomasse zur Generierung verschiedener Produkte. Da die Vorbehandlung der lignocellulosehaltigen Biomasse, die Wachstumsbedingungen des Organismus und die Destillation unter sehr ähnlichen Bedingungen ablaufen, können zeit- und energieintensive Prozessschritte und damit Prozesskosten eingespart werden sowie neue „Ein-Topf-Strategien“ entwickelt werden. Das Ziel dieser Arbeit war es den Stoffwechsel durch „metabolic engineering“ und die Integration entsprechender Enzyme sowie Transportsysteme so zu verändern, dass ein Wachstum auf Cellulose möglich ist und exemplarisch Bioethanol als Produkt gebildet wird. Es konnten drei Cellulasen identifiziert werden, die nach Expression in S. acidocaldarius Aktivität gegenüber Carboxymethylcellulose zeigen, zudem war die Integration des ersten Cellulasegens ins Genom erfolgreich. Als Alternative zu einem Cellobiosetransporter konnte mit Hilfe einer extrazellulären β-Glukosidase das Wachstum auf Cellobiose, dem Abbauprodukt von Cellulose, etabliert werden. Für die Ethanolbildung wurden zwei mögliche Synthesewege untersucht und passende Enzymkandidaten identifiziert. Die entsprechenden Gene konnten in S. acidocaldarius exprimiert werden und für die bifunktionale Acetaldehyd/Alkoholdehydrogenase konnte die entsprechende Aktivität bereits bestätigt werden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es S. acidocaldarius als Ganzzellbiosensor zu etablieren, um die bei der Vorbehandlung von Lignocellulose auftretende Bildung toxischer Nebenprodukte wie Furfural und 5-Hydroxymethylfurfural frühzeitig detektieren zu können. Hierzu wurden S. acidocaldarius-Kulturen mit Furfural- und 5-Hydroxymethylfurfuralkonzentrationen versetzt, die das Wachstum nicht beeinträchtigten und über einen Transkriptomansatz konnten geeignete induzierbare Promotoren identifiziert werden. UDP-N-Acetylenolpyruvylglucosamin-Reduktasen wurden als neuartige thermophile Reporterproteine bezüglich ihrer funktionellen Expression in S. acidocaldarius untersucht. Neben der Entwicklung eines thermoacidophilen Ganzzellsystems wurde im Rahmen dieser Arbeit ein weiterer Enzym-basierter Ansatz verfolgt, um eine neuartige Syntheseroute für phosphorylierte 2-Keto-3-desoxy-Zuckersäuren zu etablieren. 2-Keto-3-desoxy-6-phosphogluconat ist das Schlüsselintermediat des Entner-Doudoroff-Weges in vielen Organismen, einschließlich humanen und pflanzlichen Pathogenen und ist damit für die Grundlagenforschung, biotechnologische und biomedizinische Anwendungen bis hin zur Diagnostik von großer Bedeutung. Hier konnte über die rekombinante Produktion der 6-Phosphogluconat-Dehydratase aus Caulobacter crescentus ein neues Ein-Schritt-Verfahren für die effiziente biokatalytische 2-Keto-3-desoxy-6-phosphogluconat-Produktion etabliert werden.