Schwerpunktprogramm (SPP) 2451: Lebende Materialien mit adaptiven Funktionen, Teilprojekt: Materialzentrierte, genetisch programmierte Eindämmung in Engineered Living Materials

Description: Engineered Living Materials (ELMs) werden zunehmend als die am vielversprechendste Lösung für die praktische Anwendbarkeit der synthetischen Biologie angesehen und rücken damit verstärkt in den Fokus der Forschung. Bei diesen Materialsystemen ermöglicht die Verkapselung gentechnisch veränderter Organismen die Herstellung in anwendungsgerechten Formaten, eine einfache Handhabung, die stabile Lagerung sowie den Einsatz in großem Maßstab. Von besonderer Bedeutung ist die sichere Verkapselung beim Einsatz von Bakterien als lebende Komponente, da sich diese Organismen durch hohe Wachstumsraten, geringe Größe und beispiellose Anpassungsfähigkeit auszeichnen. Bisher gibt es nur wenige Studien, die sich konkret mit der Eindämmungsfähigkeit von ELMs befassen. Bei diesen kamen mehrschichtige Materialsysteme zum Einsatz, bei denen das Wachstum der Bakterien durch eine stabile Barrierehülle physikalisch auf das Materialinnere begrenzt wurde. Dieses Konzept ist jedoch äußerst anfällig für Versagen durch Beschädigung der Hülle oder durch Herstellungsfehler, die zur Freisetzung der Bakterien führen. Eine andere Eindämmungsmöglichkeit bieten genetische Methoden, wie Auxotrophie oder Tot-Schalter. Diese Strategie wiederum ist anfällig für Versagen durch Mutationsflucht. Da die jeweiligen Nachteile der beiden Strategien voneinander unabhängig sind, besteht die Erwartung, dass sich durch Kombination die jeweiligen Probleme überwinden lassen. ContainELMs wird diese Möglichkeit systematisch auf synergistische Weise untersuchen. Dabei werden die Bakterien genau an die spezielle Mikroumgebung angepasst, die das Materialinnere bietet. Dies wird durch die Entwicklung von Überlebens-Schaltern erreicht, die das Überleben der Bakterien nur unter bestimmten, von der Umgebung verschiedenen Bedingungen ermöglicht, wie Anwesenheit eines speziellen Reagenzes, Peptids oder bei einem bestimmten pH-Wert. Auf diese Weise ist das Überleben der Bakterien innerhalb des Materials begünstigt, wodurch kein Mutationsdruck aufgebaut wird. Gleichzeitig ist die Abhängigkeit von einer unbeschädigten, physischen Barriere verringert. ContainELMs wird unter Verwendung eines Modellbakteriums, E. coli, sowie eines nicht-modellhaften Lactobacillus-Stamms entwickelt, die jeweils von Interesse für Gesundheits- und Umweltanwendungen sind. Dabei wird das ELM aus Fasern gebildet, die durch Kombination von elektrohydrodynamischem Jetting, zur Herstellung eines für die Bakterien maßgeschneiderten Innenteils, mit chemischer Gasphasenabscheidung, zur Aufbringung einer Barriereschicht, geschaffen werden. Die Leistungsfähigkeit von ContainELMs wird für die Dauer von mindestens einem Monat überprüft werden, während des simulierten Einsatzes zur biologischen Sanierung von Flusswasser. Die durch ContainELMs entwickelten Methoden und Kenntnisse sollen eine breite Verwendung dieser materialzentrierten, aktiven Eindämmungsstrategie in allen Arten von Hybrid-ELMs ermöglichen.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Biobasierte Materialien ? Peptid ? Biochemie ? Flusswasser ? Synthetische Biologie ? Bakterien ? Anpassungsfähigkeit ? Gentechnisch veränderte Organismen ? Studie ? Bioremediation ? Lebewesen ? Biological Chemistry ? Biomimetic Chemistry ? Biomimetische Chemie ?

Region: Baden-Württemberg Saarland

Bounding boxes: 9° .. 9° x 48.5° .. 48.5° 6.96083° .. 6.96083° x 49.40472° .. 49.40472°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Institut für Neue Medien (Projektverantwortung)
• Karlsruher Institut für Technologie (Projektverantwortung)
• Leibniz-Institut für Neue Materialien (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)

Time ranges: 2024-01-01 - 2025-12-04

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Sub project: Material-centric genetic programming of biocontainment in engineered living materials
  Description: Engineered living materials (ELMs) are emerging as enabling solutions for the real-world applicability of synthetic biology. By encasing genetically modified organisms inside materials, they can be fabricated in application-suitable and user-friendly formats, stored stably and deployed large-scale. With several studies demonstrating these capabilities and professing the rapid transfer of this technology to solve real-world problems, the focus on biocontainment of genetically modified organisms in ELMs is starting to grow. This is particularly true when bacteria are used as the living component, due to their fast growth rates, small size and ability to thrive in various environments. Few studies have thus far addressed their biocontainment in ELMs using multilayered material designs in which the bacteria are in an inner layer, surrounded by a stable outer layer that physically prevents their escape. However, these designs do not account for damage of the material during its lifetime or fabrication errors when mass-produced, which would result in release of the encapsulated bacteria. Synthetic biology offers biocontainment solutions like auxotrophy and kill-switches that can be programmed into the bacteria although these strategies are susceptible to mutational escape due to evolutionary mechanisms in the cell. As the challenges hindering both these biocontainment strategies are orthogonal, a combination of them could overcome their individual drawbacks. ContainELMs systematically explores this possibility by not only combining both strategies, but by doing so in a synergistic manner such that the bacteria are adapted to the microenvironment engineered into the material for its survival. The bacteria will be encoded with survival-switches that ensure bacterial survival only under permissive conditions like the presence of a specific small-molecule, peptide or pH value. The encapsulating material will be designed to internally offer this permissive condition, in contrast with its surroundings. Thus, survival of the bacteria will be sustained within the material but not on the outside, reducing both the pressure for escape mutants to develop and the reliance on the integrity of the physical barrier. This strategy will be developed with a synthetic biology model bacterium, E. coli, and a non-model lactobacillus strain, both of interest for health and environmental applications. The ELM will be fabricated as fibers and meshes using electrohydrodynamic jetting to create the bacterial layer with survival-supporting conditions and chemical vapor deposition to create a physical barrier coating. Biocontainment testing and characterization will be done for at least one month by simulating field conditions where the ELM would be used for river water bioremediation. The tools, techniques and knowledge generated in ContainELMs are expected to enable wide adaptation of this material-centric active biocontainment strategy among hybrid ELMs. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1140617

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/541297755 (Webseite)

Status

Aktiv

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