Schwerpunktprogramm (SPP) 2451: Lebende Materialien mit adaptiven Funktionen, Teilprojekt: 3D-Matrizen zur Immobilisierung und Steuerung funktionalisierter SporoBeads von B. subtilis als strukturierte Protein-präsentierende ELM-Plattform mit adaptiven Funktionen

Description: Genetisch programmierbare Engineered Living Materials/ELM haben mit dem Aufkommen der Ära der Synthetischen Biologie an Dynamik gewonnen. Endosporen von Bacillus subtilis bergen großes Potenzial für ELM, da sie eine zweite Schicht zur Implementierung von Funktionalitäten darstellen, die genetisch programmiert werden können. Unter Nährstoffmangel bildet B. subtilis hochresistente Sporen, die die DNA durch den Zellwandkortex und drei Proteinschichten schützen. Durch die translationale Fusion eines Gens von Interesse mit einem Gen, das ein geeignetes Ankerprotein kodiert, können die Zielproteine immobilisiert werden. Die resultierenden SporoBeads bleiben lange Zeit stabil, können aber nach der Induktion innerhalb von Stunden keimen. Im Rahmen dieses SPP werden wir das SporoBead-Konzept mit dem Bioprinting kombinieren, um funktionalisierte Endosporen in Materalien zu integrieren, die induzierende Faktoren für adaptive Funktionen enthalten. Wir werden Protokolle sowie Polymer- und Kompositmaterialien entwickeln, die eine Kontrolle sowohl der Sporenbildung als auch der Keimung ermöglichen. Anschließend kombinieren wir die auf der Sporenoberfläche präsentierte Aktivität mit einer zweiten, die nach der Keimung exprimiert wird, und erzeugen so zwei Funktionen, die geschaltet werden können. Verschiedene Bioprinting-Technologien (Extrusion, Kern-Mantel und Drop-on-Demand) werden es uns ermöglichen, diese Sporen in mehreren Anordnungen zu positionieren. Beide Partner werden ihre Technologien weiterentwickeln, um eine vielseitige SporoPrinting-Plattform sowie drei verschiedene Demonstratoren zu etablieren: (i) Als Machbarkeitsstudie soll ein ELM dienen, das die Fluoreszenz von Grün auf Rot umschaltet. Es basiert auf einem doppelt fluoreszierend markierten Stamm, der einen Fluorophor auf der Sporenoberfläche trägt und einen zweiten in vegetativen Zellen produziert. Dadurch wird die optische Beobachtung des Übergangs von der Spore zur vegetativen Zelle ermöglicht. Es werden Bioinks geeigneter Zusammensetzung sowie verschiedene Bioprinting-Strategien basierend auf Materialdesign und -morphologie erforscht, um den Übergang zwischen den verschiedenen Entwicklungsstadien zu steuern. Als nächstes werden wir (ii) die SporoPrinting-Plattform durch die Einführung der Streptomyceten erweitern, um Protokolle zu entwickeln, die die Kultivierung zweier verschiedener Gruppen von Organismen in einer genau definierten räumlich-zeitlichen Anordnung ermöglichen. Wir werden einen auf Antibiotika reagierenden Biosensoraufbau entwickeln, der es ermöglicht, potenzielle Streptomycetenproduzenten auf bestimmte Arten von Antibiotika zu untersuchen, basierend auf der spezifischen Induktion von B. subtilis-Biosensoren. Abschließend entwickeln wir (iii) ein ELM mit einem programmierbaren Dunkel-Hell-Muster, das auf einer auf SporoBeads-präsentierten Melanin-produzierenden in Kombination mit einer -entfärbenden Aktivität basiert, die von vegetativen Zellen exprimiert und abgesondert wird.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Biobasierte Materialien ? Antibiotikum ? Fluoreszenz ? Mikroökologie ? Bacillus ? Synthetische Biologie ? Machbarkeitsstudie ? Berg ? Keimung ? Lebewesen ? Stoffwechsel ? Angewandte Mikrobiologie ? Applied Microbiology ? Biochemie der Mikroorganismen ? Biochemistry of Microorganisms ? Genetics of Microorganisms ? Genetik der Mikroorganismen ? Stoffwechselphysiologie ?

Region: Saxony

Bounding boxes: 13.25° .. 13.25° x 51° .. 51°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

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

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

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Sub project: 3D matrices for immobilizing and controlling functionalized SporoBeads of B. subtilis as a structured protein displaying ELM platform with adaptive functions
  Description: Genetically programmable engineered living materials (ELM) is a field of high potential that gained momentum with the advent of the Synthetic Biology era. Endospores of Bacillus subtilis hold great potential for ELM, since they provide a second layer to implement engineered functionalities that can be genetically programmed. Upon starvation, B. subtilis forms highly resistant endospores that protect the DNA by the cell wall cortex and three different protein layers. By translationally fusing a gene-of-interest to a gene encoding a suitable anchor protein, the target proteins can be immobilized. The resulting SporoBeads remain stable for long time, but can germinate within hours upon induction.In the context of this PP, we will combine the SporoBead concept with bioprinting to integrate functionalized endospores in matrices containing inducing cues for then performing adaptive functions. We will develop protocols and polymeric and composite materials that allow controlling both spore formation and germination. We will then combine the activity displayed on the spore surface with a second functionality, which is expressed after germination, thereby generating two adaptive functions that can be switched, by either inducing the SporoBead state or activating the engineered vegetative cells. Different bioprinting technologies (extrusion, core-shell and drop-on-demand) will enable us to position these spores in multiple arrangements to allow meaningful readouts.Both partners will develop their technologies to establish a versatile SporoPrinting platform, to develop three different demonstrators: (i) an ELM that switches fluorescence from green to red shall serve as the feasibility study. It will be based on a dually fluorescently labelled strain that displays one fluorophore on the spore surface, while producing a second, compatible fluorophore in vegetative cells. This strain thereby allows monitoring the switch from spore to vegetative cell by the change in fluorescence. Bioinks of suitable composition and different bioprinting strategies and patterns based on material design and construct morphology will be explored to control the transition between the different developmental stages. Once established, we will then (ii) expand the SporoPrinting platform by introducing the streptomycetes, to develop protocols that allow growing two different groups of microorganisms in a highly defined spatiotemporal arrangement. We will develop an antibiotic-responsive biosensor set-up that allows screening potential streptomycete producers for particular types of antibiotics, based on the specific induction of B. subtilis biosensors. Ultimately (iii) an ELM with a programmable dark-and-light pattern based on a melanin-producing activity displayed on SporoBeads, in combination with a melanin-decolorizing activity expressed and secreted from vegetative cells will be developed. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1140626

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/541298315 (Webseite)

Status

Aktiv

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