Schwerpunktprogramm (SPP) 2451: Lebende Materialien mit adaptiven Funktionen, Teilprojekt: Adaptive Biomaterialien durch mechano-modulierende Bakterien

Description: Die Integration lebender Zellen in Biomaterialien ermöglicht es, die hochentwickelte verkörperte Intelligenz von Zellen für die Entwicklung neuartiger adaptiver Biomaterialien nutzbar zu machen. Die exquisiten sensorischen Fähigkeiten der Zelle und ihre vielseitigen Produktionskapazitäten bieten beispiellose Möglichkeiten, Materialien mit adaptiver Funktionalität auszustatten. Der Einsatz moderner Werkzeuge der synthetischen Biologie ermöglicht es, bestehende Sensorwege neu zu verdrahten oder völlig neue molekulare Funktionen auf effiziente und zunehmend rationale Weise zu entwickeln. In diesem Projekt wollen wir die synthetische Biologie nutzen, um Mikroorganismen, die mit dem Matrixmaterial in einer bidirektionalen Weise interagieren, genetisch neue Sinnesprozess-Reaktionsfähigkeiten zu verleihen. Genauer gesagt werden wir E. coli so verändern, dass sie auf mechanischen Stress, der auf die Zellwand einwirkt, durch die Expression und Sekretion von Matrix-modulierenden Faktoren reagieren. Insbesondere werden wir genetische Schaltkreise für die stressinduzierte Genexpression von matrixverstärkenden und -abbauenden Substanzen entwerfen. Unter vielen möglichen Varianten wird dies Materialien ermöglichen, die sich automatisch entlang der Hauptbelastungslinien verstärken und in Bereichen mit geringer Belastung weicher werden können. Wir werden die Kompatibilität verschiedener Matrixbasismaterialien und deren Zusammensetzung für die Lebensfähigkeit von E. coli und für die Kraftübertragung auf die Bakterien untersuchen. Für die biochemische Stresstransduktion werden wir das RcsCDB-Zweikomponentensystem nutzen, aber wir werden auch agnostisch nach Promotoren suchen, die auf mechanischen Stress reagieren. Wir werden die Matrix-modulierende Wirkung der resultierenden gentechnisch veränderten Bakterien in quantitativer Hinsicht genau charakterisieren. Mit Hilfe unserer 3D-Bioprinting-Fähigkeiten werden wir diese Bakterien in räumlich aufgelöster Weise ablagern, um neuartige 3D-Origami-Strukturen zu realisieren. Schließlich werden wir unser neues, künstlich hergestelltes lebendes Material (ELM) einsetzen, um ein neues Herstellungsparadigma zu erproben. Bei diesem biomorphen Ansatz werden die Materialien wiederholt mit den gewünschten Belastungsprofilen trainiert und bauen automatisch eine neue, für die angewandte Belastung optimale Tragstruktur auf. Das Projekt wird unser grundlegendes Verständnis von ELMs verbessern und dadurch neue Erkenntnisse über die Mechanosensorik in Bakterien liefern, ihr Potenzial für die Neugestaltung in der synthetischen Biologie erhellen und neue Design- und Herstellungstechnologien für adaptive Biomaterialien hervorbringen.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Biobasierte Materialien ? Zytologie ? Zellwand ? Synthetische Biologie ? Bakterien ? Gentechnisch veränderte Mikroorganismen ? Mikroorganismen ? Stress ? Biochemie der Mikroorganismen ? Biomedizinische Systemtechnik ? Eigenschaften von Funktionsmaterialien ? Genetik der Mikroorganismen ? Herstellung von Funktionsmaterialien ? Stoffwechselphysiologie ?

Region: Hessen

Bounding boxes: 9° .. 9° x 50.55° .. 50.55°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Technische Universität Darmstadt (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)

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

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Sub project: Adaptive biomaterials through mechano-modulating bacteria
  Description: The integration of living cells into biomaterials allows for harnessing the sophisticated embodied intelligence of cells in the design of novel adaptive biomaterials. The cell’s exquisite sensing capabilities and ist versatile production capacities provide unprecedented means to equip materials with adaptive functionality. The use of modern synthetic biology tools allow for rewiring of existing sensing pathways or the engineering of entirely new molecular functionality in an efficient and increasingly rational manner. In this project, we aim to utilize synthetic biology to genetically build new sense-process-response capabilities into microorganisms that interact with the matrix material in a bidirectional way. More specifically, we will engineer E. coli to respond to mechanical stress exerted at the cell wall through the expression and secretion of matrix modulating factors. In particular, we will design genetic circuits for stress-induced gene expression of matrix reinforcing and degrading agents. Among many possible variants, this will enable materials that can automatically reinforce themselves along major stress-lines and become softer at low-stress regions. We will evaluate compatibility of different matrix base materials and their compositions for E. coli viability and for force-transduction onto the bacteria. For biochemical transduction of stress we will harness the RcsCDB two-component system but we will also agnostically screen for promoters responsive to mechanical stress. We will rigorously characterize the matrix-modulating effect of the resulting engineered bacteria in a quantitative manner. Leveraging our 3D-bioprinting capabilities, we will deposit those bacteria in spatially resolved ways in order to realize novel 3D origami-type structures. Finally, we will utilize our new engineered living material (ELM) to provide a proof-of-concept for a new manufacturing paradigm. In this biomorphic approach, materials are trained repeatedly with the desired stress profiles and will automatically build up an emergent load-bearing structure that is optimal for the applied stress. The project will advance our fundamental understanding of ELMs and thereby provide novel findings on mechano-sensing in bacteria, elucidate ist potential for redesign in synthetic biology and generate new design and fabrication technologies for adaptive biomaterials. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1140637

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/541299811 (Webseite)

Status

Aktiv

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