In diesem Projekt schlagen wir eine experimentelle und theoretische Zusammenarbeit vor, um lebende Aktuatoren aus gleitenden, fädigen Cyanobakterien zu entwickeln. Diese phototrophen Organismen spielen sowohl aktuell als auch historisch eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde, da sie beispielsweise den atmosphärischen Sauerstoff und große Teile unserer fossilen Brennstoffe erzeugten. Filamente bestehen aus vielen linear verketteten Zellen. Sie haben einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern, können aber bis zu einigen Millimetern lang werden. In Kontakt mit festen Oberflächen oder anderen Fäden gleiten sie entlang ihrer Kontur und reagieren auf Lichtgradienten durch Richtungsumkehr. Die zu Grunde liegenden Mechanismen sind noch nicht vollständig geklärt. In natürlichen Lebensräumen führt diese Bewegung zur Aggregation in dichte Kolonien, die sich je nach Umgebungsbedingungen zusammenziehen oder wieder zerstreuen können, was eine kollektive Akklimatisierung ermöglicht. Wir werden diese Eigenschaften nutzen, um anpassungsfähige lebende Aktuatoren zu entwickeln, d. h. ein Material, das durch Stimulation mit Licht seine Form verändern kann. Die Bakterien werden in eine Matrix eingebettet, typischerweise ein gel- oder faserbasiertes Material mit maßgeschneiderten Eigenschaften und Strukturen, die im Projekt entwickelt werden. Indem wir die Bakterien mit Hilfe von Lichtmustern steuern und ausrichten, wollen wir ein aktives Netzwerk im Gerüst aufbauen, das sich bei Stimulation zusammenziehen kann. Die Kräfte aus dem aktiven Netzwerk werden entweder durch Adhäsion oder mechanische Verzahnung zwischen aktiven und passiven Komponenten übertragen. Durch die Abstimmung der gegenseitigen Ausrichtung von aktiven und passiven Netzen und ihrer Anisotropie wollen wir eine Kontrolle der Deformation erreichen. Auf langen Zeitskalen wird das Material adaptiv sein, da langfristige einwirkende Lichtmuster eine topologische Neuordnung des aktiven Netzes bewirken, so dass zwischen verschiedenen Aktuationsmodi gewechselt werden kann. Die Entwicklung von Manipulationsstrategien, die in der Lage sind, mechanische Arbeit zu extrahieren, erfordert Kenntniss der raum-zeitlichen Organisation der Krafterzeugung einzelner Filamente und ihrer Ensembles, welche bisher nicht verfügbar ist und in diesem Projekt gewonnen werden soll. Im Gegensatz zu den meisten bisher untersuchten lebenden Aktuatoren basiert unser System auf langen, flexiblen und beweglichen polymeren Bestandteilen, die äußerst robust und von Natur aus durch Licht stimulierbar sind: Die Fasernatur der lebenden Bestandteile ermöglicht es, stark verflochtene Netzwerke zu schaffen, die in einem breiten Spektrum von Umgebungsbedingungen bestehen können. Ihre Beweglichkeit und Reaktionsfähigkeit ermöglicht es, das Netzwerk selbst zu aktivieren, ohne dass die lebenden Bestandteile aufwendig modifiziert werden müssen.
Heutige biologische und einstellbare Leuchtmittel, die lebende Bausteine integrieren, sind im Wesentlichen auf Zellen beschränkt, die Biochemilumineszenz mit begrenzter Stabilität und Lichtausbeute nutzen (d. h. einige Tage bei Lichtausbeuten <5 lm/W). Tatsächlich gibt es keine Beispiele für lebende Leuchtmittel, die Photonenumwandlungssysteme zur Manipulation von Licht nutzen. Wir haben kürzlich eine neue Methode zur Herstellung lebender Farbfiltern mit Vibrio natriegens entwickelt. Dieses Bakterium weist (I) ein vielversprechendes Potenzial für die Biotechnologie mit einer außerordentlich hohen Wachstums- und Substratverbrauchsrate, (II) einen bereits sehr guten Ertrag bei der Expression hochwertiger fluoreszierender Proteine (FP) und (III) eine vielversprechende Kompatibilität mit Matrizen, die für Leuchtmittel von großem Interesse sind, auf. Tatsächlich haben vorläufige Experimente Leuchtmittel erzeugt die eine bessere Leistung aufweisen als diejenigen die mit denselben FP in Referenzmatrizen hergestellt wurden. Die aktuellen Hindernisse hängen mit dem Mangel an grundlegendem Wissen zusammen, um (I) die Expression beliebiger FP erfolgreich zu optimieren, (II) die Widerstandsfähigkeit und Kompatibilität in den Matrizen zu verbessern, (III) eine Anpassungsfähigkeit an externe Reize einzuführen und (IV) die besten Leuchtmittelarchitekturen und Betriebsarten zur Maximierung der Leuchtmittelleistung zu erstellen. Das ENABLED-Projekt wird all diese offenen Fragen bearbeiten und dabei die Disziplinen Metabolic Engineering, Synthetische Biologie, Materialwissenschaft und Biooptoelektronik miteinander verbinden. ENABLED wird insbesondere grundlegende Konstruktionsregeln für die Entwicklung von V. natriegens-Stämmen mit (I) optimierter flexibler Einzel- und Doppelemission, (II) verbesserter Widerstandsfähigkeit in Farbfiltern, um ihre Wiederverwertbarkeit nach der Verwendung in Leuchtmitteln zu ermöglichen, und (III) einer Anpassungsfähigkeit an die Temperatur in Farbfiltern, um die Zellregeneration nach der Verwendung in den Leuchtmitteln zu ermöglichen. Dies wird es uns ermöglichen, eine neue Familie von Regenbogen- und weißen Bakterien-Hybrid-Leuchtdioden einzuführen, die bislang nicht zur Verfügung stehen.
Das Hauptziel dieses Vorschlags ist die Entwicklung biotechnologisch-modifizierte bakterieller Koazervate (EBCs) als neuartiges Hybridmaterial mit adaptiven Eigenschaften. In dieser Arbeit schlagen wir die Etablierung von EBCs als innovative Plattformen für die mikrobielle Biotechnologie vor, bei denen die Funktionalität von Bakterien durch ihre Interaktion mit Koazervaten verbessert wird. Einerseits fungieren die Koazervate als membranlose Käfige für die Lokalisierung von Bakterien in einem begrenzten Raum und ermöglichen eine kontrollierte Aufnahme und Freisetzung von Metaboliten. Andererseits werden die eingekapselten lebenden Bakterien den Protozellen einzigartige Eigenschaften verleihen, die sich durch gentechnische Eingriffe fein abstimmen lassen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist der Forschungsvorschlag in drei Hauptziele unterteilt. Zunächst wollen wir eine Toolbox von EBCs mit verschiedenen Bakterien aufbauen. Insbesondere werden wir die Verkapselung biotechnologisch relevanter Bakterien in Koazervaten, die Lebensfähigkeit und die Stoffwechselaktivität der eingebetteten Bakterien sowie die Stabilisierung und Resistenz von EBCs über die Zeit und unter verschiedenen Bedingungen untersuchen. Zweitens wollen wir die Interaktion von EBCs mit ihrer Umgebung und ihr adaptives Verhalten untersuchen. Genauer gesagt werden metabolisch aktive EBCs auf die spezifische Induktion ausgewählter bakterieller Aktivitäten innerhalb der Koazervate getestet, was zu einer Manipulation der EBC-Funktionalität durch externe Stimuli führt. Außerdem soll die Interaktion zwischen verschiedenen stoffwechselaktiven EBCs untersucht werden. In diesem Zusammenhang werden wir untersuchen, ob Bakterien in einzelnen Koazervaten Metaboliten oder Signalmoleküle mit Bakterien in anderen Koazervaten austauschen können. Schließlich wollen wir die gegenseitige Interaktion von Bakterien und Koazervaten innerhalb der EBCs untersuchen. Insbesondere werden wir untersuchen, ob die künstliche Ansammlung von Bakterien in einem definierten Raum die gleichen Schutzeigenschaften gegen widrige Bedingungen bietet, wie es die Bildung eines Biofilms tun würde. Gleichzeitig werden wir die Rolle der Biofilmbildung in den Koazervaten und die Auswirkungen auf die Stabilität der Koazervate untersuchen. Insgesamt werden wir ein adaptives und selbstregulierendes Verhalten von EBCs erreichen, bei dem Koazervate und Bakterien ihre Eigenschaften auf der Grundlage externer Stimuli gegenseitig beeinflussen können. Wir wollen die Anwendbarkeit von EBCs in verschiedenen Prozessen wie der Fermentation oder der Behandlung von toxischen Abwässern testen.