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Mikrobielle Granula und Biofilm-Aggregate als Medien zur Übertragung spezieller metabolischer Eigenschaften in heterogene Mischkulturen

Bakterien mit speziellen strukturbildenden oder metabolischen Fähigkeiten (z.B. Flockenbildner, Nitrifikanten, CKW-Abbauer) werden in Bioaggregaten (Granula, Biofilme) angereichert und dann in Reaktoren zur biologischen Abwasserreinigung eingemischt. Durch Übertragung der neuen Fähigkeiten in die autochtone Lebensgemeinschaft (Bioaugmentation) soll die Einarbeitung des biologischen Systems und dessen Anpassung an geänderte Prozessbedingungn beschleunigt werden. Bedeutungsvoll ist ein solcher steuernder Eingriff dann, wenn die benötigten Bakterienarten sich nur sehr langsam vermehren (z.B. Nitrifikanten; Bio-P Bakterien), beim Anfahren einer Belebungs- oder Biofilmanlage, bei Regeneration der Anlage nach einem Unfall, wenn Abwässer mit ungewöhnlicher Zusammensetzung zu reinigen sind (z.B. spezielle Prozessabwässer aus der Industrie) oder Abwässer mit stark wechselnder Fracht und Zusammensetzung (z.B. Abwasser aus Firmen mit Kampagnenbetrieb, Abwasser aus touristischen Objekten). Es wird zunächst darum gehen, spezielle Anreicherungskulturen in Granula-Form heranzuzüchten. Nach Zudosieren der Granula in eine Modell-Belebungsanlage soll beobachtet werden, wie sich die Granula im System verhalten, ob sich die mit den Granula importierten Arten in der Mischkultur verbreiten, bzw. ob es durch Gentransfer zu einer Verbreitung der speziellen Fähigkeiten kommt.

Schädigungspotential von Radionukliden, Modifikation der molekularen Umgebung von Radionukliden und Bildgebung der Radionuklid-markierten Substanz - Target Interaktion im Tiermodell

Bioraffinerien: 'Biotechnologische Synthese von Lignin-Monomeren als Ausgangsmaterialien für formaldehyd-freie Polymere'

Im Rahmen dieses Projektes soll die biotechnologische Synthese von Verbindungen realisiert werden, die formaldehyd-haltige Bindemittel ersetzen können. Zur Umsetzung der Projektziele sollen in einen gut etablierten Produktionsstamm oder alternativ in das genetisch gut zugängliche Bakterium E. coli, pflanzliche Gene eingefügt werden, um aus Vorstufen die Zielprodukte synthetisieren zu können. Die intrazelluläre Konzentration zentraler Metaboliten soll gemessen und Maßnahmen zur Optimierung der Produktausbeute vorgenommen werden (Deletion oder Überexpression von Genen des Zentralmetabolismus). Dadurch sollen die Grundlagen für weitere Arbeiten gelegt werden, in denen die Produktion des Zielprodukts und verwandter Moleküle optimiert wird (etwa mittels Metabolic Engineering).

FP1-BAP, Genetic Manipulation of the anaerobe, Zymomonas Mobilis for Fermentation of waste Starch

Objective: Zymomonas bacteria could offer considerable potential for improved alcohol fermentation in comparison with yeasts. An efficient expression vector is, however, an absolute requisite to open the possibility of genetically engineered zymomonas. The bacteria could then be made able to use for example renewable carbon substrates abundant in agriculture wastes. General Information: An efficient expression vector shall be constructed for zymomonas mobilis. For this, the promotor of the pyruvate decarboxylase gene will be isolated, sequenced and built into a broad host range plasmid. Genes for the degradation of amylose (from aspergillus awamorii) or xylose (from klebsiella) shall be placed under control of this strong promoter and expression will be tested in suitable escherichia coli strains. Afterwards, these recombinant plasmids shall be introduced into zymomonas mobilis cells and their expression and stability will be assayed. The long range aim is to study the recombinant strains for continuous ethanol production from agricultural waste substrates as starch and hemicellulose (xylose). Achievements: Zymomonas mobilis is a Gram negative anaerobe producing ethanol 5 to 6 times faster than yeast. It can use only glucose, fructose and sucrose as carbon sources. Therefore, applications of Z mobilis at the industrial level require extention of its spectrum of usable carbohydrates. Genetic improvement was approached through formal genetics and genetic engineering. Chemical mutagenesis, transposon mutagenesis, gene transfer by aided conjugation, construction of recombinant expression vectors and transfer into Z mobilis genes responsible for xylose metabolism were established and can now be applied to increase the substrate range of Z mobilis. Recombinant plasmids were constructed by subcloning fragments of native Z mobilis plasmids in known vectors. These were transferred into Z mobilis by aided conjugation and were stably inherited, especially after the loss of native plasmids. Subcloned Z mobilis plasmid sequences were used to construct new expression vectors, which could be transferred into Z mobilis and induce expression of the xylose catabolism genes xylA and xylB. However, the engineered strains could not ferment xylose. Transformation of Z mobilis by plasmid deoxyribonucleic acid (DNA) occurred at low frequencies only when sequences of incoming plasmid were integrated into the host's genome. Transposon mutagenesis was accomplished by conjugal transfer of transposon bearing plasmids from Pseudomonas, as well as Escherichia coli donors to Z mobilis. All Z mobilis strains tested were able to ferment extracts of various fruits, such as apples, oranges, peaches, watermelons, etc.

Abschaetzung des Risikopotentials bei der Freisetzung gentechnisch veraenderter Mikroorganismen ins Berliner Abwasser, Abschaetzung des Risikopotentials bei der Freisetzung von gentechnisch veraenderten Mikroorganismen ins Berliner Abwasser

Die Stadt Berlin hat die dichteste Ansiedlung von gentechnischen Anlagen in der Bundesrepublik Deutschland. Aus diesen Anlagen (Forschungseinrichtungen, anwendungsorientiert arbeitende Unternehmen) gelangen Bakterien mit veraendertem Erbmaterial ins Abwasser und ueber die Klaeranlagen in die Umwelt. Deshalb war es von groesster Bedeutung, moegliche Auswirkungen durch Abwassereinleitungen mit gentechnisch veraenderten Bakterien auf die im Klaerschlamm vorhandenen Bakterien zu untersuchen, zumal ein Belebtschlammbecken mit einem Fermenter vergleichbar ist und die Konsistenz des Schlamms (Schlammflocke) einen guten Zell-Zell-Kontakt ermoeglicht. Die Erbinformation der Bakterien ist auf dem Bakterienchromosom gespeichert. Darueber hinaus besitzen sie in vielen Faellen zusaetzliche Informationseinheiten (Plasmide), die sie untereinander austauschen koennen (Konjugation). Aufgrund der leichten Handhabung und der guenstigen Eigenschaften werden die Plasmide besonders haeufig in der Gentechnologie eingesetzt. Auf den Plasmiden sind die fuer die Gewinnung wichtiger Bioprodukte notwendigen Gene codiert. In dem Forschungsprojekt wurde die Uebertragung dieser Plasmide aus gentechnisch veraenderten Bakterien auf natuerlich vorkommende Bakterien untersucht (Plasmidtransfer). Zunaechst wurde der Pladmidtransfer im sterilen und nicht sterilen Klaerschlamm unter standerisierten Bedingungen untersucht. Besondere Beruecksichtigung fand die Ueberlebensfaehigkeit der eingesetzten gentechnisch veraenderten Mikroorganismen und der durch die Plasmiduebertragung entstandenen Bakterien mit neu kombiniertem Erbgut (Transkonjuganten). In der naechsten Phase der Untersuchung wurde der Einfluss unterschiedlicher Parameter (Temperatur, pH, im Abwasser vorkommende Chemikalien) auf die Plasmiduebertragung untersucht.

Qualitative und quantitative Analyse des konjugativen Gentransfers auf bisher nicht-kultivierbare Mikroorganismen in mikrobiellen Lebensgemeinschaften

Der konjugative Gentransfer auf Mikroorganismen in dem Belebtschlamm einer Modellklaeranlage soll umfassend analysiert werden. Dabei wird durch den Einsatz eines neuentwickelten genetischen Systems der Nachweis des Gentransfers nicht nur auf kultivierbare und sondern erstmals auch auf nicht-kultivierbare Bakterien erfolgen und gleichzeitig soll eine taxonomische Eingruppierung dieser nicht-kultivierbaren Organismen durch vergleichende rDNA-Sequenzanalysen vorgenommen werden. Der Einfluss von umweltrelevanten Stoerungen im Klaeranlagenbetrieb auf den konjugativen Genfluss ist ein weiteres Teilziel des Projektes, das in seiner Gesamtheit neue wichtige Erkenntnisse fuer die biologische Sicherheitsforschung liefern wird.

Modelle für genetische Variabilität und die Evolution von Antibiotikaresistenzen in der aquatischen Umwelt

Der horizontale Gentransfer (HGT) zwischen Bakterien gilt als einer der wesentlichen Mechanismen für die Verbreitung von Antibiotikaresistenzgenen. Das Ziel des Projektes ist es diesen Pfad der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen in Abwassersystemen zu evaluieren. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden auf aquatische Ökosysteme, welche von Abwässern beeinflusst sind extrapoliert. Hierzu werden Mikro- und Mesokosmenversuche durchgeführt, welche Abwassersysteme nachempfinden. Die Experimente werden mit innovativen molekularen Methoden untersucht und durch zwei anspruchsvolle Modellieransätze ergänzt. Der erste Ansatz ist ein Gujer matrix basiertes Belebtschlammmodell. Der Zweite ist ein Individuen basiertes Model, welches den HGT im Biofilm beschreibt. Diese Modelle werden uns helfen ein tieferes Prozessverständnis zu erlangen und erlauben Vorhersagen bezüglich der Dynamiken gefährlicher genetischer Veränderungen in der Umwelt. Insbesondere testen wir die Hypothese, dass genetisch veränderte Bakterien (aus klinischer Herkunft) und Antibiotika den HGT katalysieren und dass bestimmte Umweltfaktoren solche genetischen Modifikationen begünstigen. Weiterhin werden wir testen wie diese Umweltfaktoren den HGT in einfachen Laborkläranlagensystemen reduzieren. Da sich die beteiligten Projektpartner gemeinsam auf diese Hypothesen fokussieren, werden die vorhandenen Kompetenzen hinsichtlich der Prozessanalysen genetischer Veränderungen in der Umwelt vertieft und gestärkt. Daraus wird ein konkurrenzfähiges Konsortium an der Technischen Universität Dresden geformt, welches sich mit einer zweifellos wesentlichen wissenschaftlichen Fragestellung unserer Zukunft beschäftigt.

Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoff-Produktion: von molekularen zu Massenfermentationssystemen, Geometrische und elektronische Struktur von (NiFe)- und (FeFe)-Hydrogenasen: H2-Produktivität und O2-Toleranz

Verbrauchs- und Resistenzatlas Deutschland (GERMAP)

Die in den letzten Jahren beobachtete Zunahme erworbener Resistenzen von Bakterien gegen in der Human- und Veterinärmedizin eingesetzte Antibiotika geht auf Mutationen des bakteriellen Erbguts in Verbindung mit einem hohen, durch den Einsatz von Antibiotika verursachten Selektionsdruck sowie der Fähigkeit von Bakterien, Resistenzgene auszutauschen, zurück. Um Zusammenhänge zwischen dem Antibiotikaverbrauch und zur Verbreitung von Antibiotikaresistenzen zu verstehen, ist es notwendig, die verfügbaren Daten aus der Human- sowie der Veterinärmedizin zu erfassen und gegenüberzustellen. Ziel der Forschungsaktivität ist die Erstellung einer aktuellen Version eines Deutschlandatlas, der diese Daten differenziert darstellt und analysiert. Dieser Bericht wird auf Initiative des Bundesamts für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL), der Paul-Ehrlich-Gesellschaft für Chemotherapie e.V. (PEG) und der Infektiologie Freiburg (if) erstellt und soll regelmäßig aktualisiert werden.

Untersuchung von Einflussfaktoren auf den horizontalen Gentransfer in die bakterielle Endophytenflora von Forstgehölzen im Hinblick auf die Vermeidung des Eintrags replikationsfähiger rekombinanter DNA in die Umwelt

Ziel des Projektes ist es, Bedingungen zu charakterisieren, unter denen sich rekombinante Bakterien in der Endophytenmikroflora etablieren und Transferereignisse stattfinden können. Darüber hinaus richtet sich ein zweiter Schwerpunkt auf die Untersuchung des Austrags replikationsfähiger DNA in die Umwelt. Im Ergebnis der Analysen sowie in Auswertung vorhandener Daten zur Endophytenbesiedlung von in vitro Kulturen sollen schlussfolgernd Empfehlungen zur Minimierung des Endophytenbesatzes und des Risikos eines unerwünschten Gentransfers abgeleitet werden.

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