Bei der Besiedlung des menschlichen Darms interagiert Vibrio cholerae mit einer Vielzahl von kommensalen Mikroorganismen, ihren sekretierten Molekülen und zahlreichen Phagen. In diesem Projekt untersuchen wir das Zusammenspiel von V. cholerae mit mikrobiellen Konkurrenten im Darm und wie Phagen in diesen Prozess eingreifen. Unsere Untersuchungen konzentrieren sich dabei auf Schlüsselmediatoren des kollektiven Verhaltens von V. cholerae und dessen Einfluss auf andere Organismen. Wir erwarten, dass dieses Projekt es uns ermöglicht zu verstehen wie mikrobielle Kommensalen und Phagen das kollektive Verhalten von V. cholerae beeinflussen.
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.
In diesem Projekt werden die Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Pilzen mit dem Ziel erforscht, Faktoren zu ermitteln, die Infektionsprozesse entweder fördern oder abschwächen. Wir untersuchen die Rolle von Pilz-"Helferbakterien" und Schutzsymbionten nützlicher Bodenpilze, die Virulenzfaktoren inaktivieren bzw. den Wirt vor Fressfeinden schützen. Unsere Ergebnisse geben nicht nur Aufschluss über ökologisch relevante Interaktionen zwischen mehreren Partnern, sondern sind auch für Anwendungen in Landwirtschaft und Medizin von Bedeutung.
Aquatische phototrophe Gemeinschaften aus Algen und ihren epiphytischen Bakterien sind für einen Großteil der globalen Sauerstoffproduktion und Kohlenstofffixierung verantwortlich. Chemische Mediatoren spielen dort eine entscheidende, aber kaum erforschte Rolle. Das bakterielle Phylum der Planctomyceten ist in solchen Gemeinschaften sehr abundant und wir identifizierten kürzlich den ersten planctomycetalen chemischen Mediator. Künftig wollen wir verstehen wie dieser Mediator die Zusammensetzung der ihn umgebenden bakteriellen Gemeinschaft beeinflusst. Parallel werden wir neue planctomycetale chemische Mediatoren identifizieren, die sich auf die Zusammensetzung des Algen Mikrobiomes auswirken.
In diesem Projekt bündeln wir das Fachwissen der Gruppen Altintas (Materialwissenschaften, Biosensoren und 3D-Druck), Adrian (Metalloproteomik, Redoxenzyme, Organohalidatmung und Bioremediation) und Budisa (Synthetische Biologie und Xenobiologie). Unser Ziel ist die Entwicklung einer Plattformtechnologie für die Herstellung von "Engineered Living Materials with Adaptive Functions" (ELM) im Bereich der Sensortechnologie und Biokatalyse. Das Hauptziel im Bereich der Materialien ist die Etablierung eines innovativen Laserstrukturierungsverfahrens zur Herstellung von porösen leitfähigen Hydrogelen (PCH), das sowohl schnell als auch biokompatibel ist. Mit diesem Verfahren sollen durch lasergeschriebene Phasentrennung (LSPS) biologisch abbaubare, umweltstabile PCH hergestellt werden, die auch als Elektrodenmaterialien für die Anlagerung von Bakterien dienen und die Effizienz des Elektronentransfers verbessern. Die LSPS wird die Massenproduktion von PCH-basierten Elektrodenmaterialien erleichtern, indem sie mehrere Herstellungsprozesse in eine einzige Elektrodenvorbereitungsphase integriert. Das Hauptziel im Bereich der Biologie ist die Entwicklung von Zellen, die redoxaktive Metalloproteine auf der Zelloberfläche exprimieren und die Verbindung dieser redoxaktiven Metalloproteine über einen leitfähigen Linker mit der Materialoberfläche durch Click-Chemie. Dazu werden wir zuvor generierte E. coli-Zellen verwenden, die in der Lage sind, die nicht-kanonische Aminosäure L Azidohomoalanin zu synthetisieren und diese Aminosäure an der Position eines refunktionierten Stop-Codons einzubauen. Auf diese Weise können wir die Position definieren, an der ein Protein mit einer Oberfläche verbunden ist. In einem gemeinsamen Ansatz werden wir die entwickelten leitfähigen PCH, die Alkinreste für die Click-Chemie enthalten, mit den mikrobiellen Zellen zusammenbringen, die das reaktiven L-Azidohomoalanin an definierten Positionen auf der Oberfläche enthalten. Unser Ziel ist es, eine enge, elektronenleitende Bindung zu erreichen. Auf diese Weise wollen wir ein druckbares 3D-Material mit leitfähigen Adaptern für elektroaktive mikrobielle Zellen entwickeln. Die Zellen werden über das leitfähige Material durch den Elektronenfluss gesteuert und können mit Wachstum und Expression spezifischer Enzyme reagieren. Die Substratkonzentration und der Substratumsatz können gemessen werden. Der Anwendungsbereich ist breit gefächert, wir konzentrieren uns jedoch auf Anwendungen im Bereich der Umweltbiotechnologie.
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.
Eisen in komplexierter Form ist zentraler Bestandteil im mikrobiellen Eisenkreislauf. In diesem Projekt identifizieren und charakterisieren wir Metallophore, die von Bakterien gebildet und ausgeschieden werden, und vergleichen sie mit den vielfältigen Verbindungen, die auch in der Natur vorkommen. Ziel ist es, die chemische Kommunikation von Bakterien, die Eisen in sehr unterschiedlicher Form zur Energiegewinnung nutzen, aufzuklären. Ko-Kultivierungen haben gezeigt, dass Biofilmbildung eine Schlüsselrolle bei dieser Interaktion spielt. Wir wollen klären, ob die Synchronisierung der Lebensweisen diese Interaktionen vorantreibt.
Wir haben eine tripartite Interaktion zwischen dem Bakterium Streptomyces iranensis, dem Pilz Aspergillus nidulans und der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii entdeckt, die durch das bakterielle Azalomycin F bestimmt wird. Azalomycin F induziert die Aktivierung des pilzlichen Orsellinsäure-Genclusters, andererseits schützt der Pilz die Grünalge vor dem Abtöten durch Azalomycin F. Im Projekt B02 sollen (i) die gerichtete Freisetzung von Azalomycin F in Richtung A. nidulans und C. reinhardtii, (ii) der Mechanismus der Aktivierung der pilzlichen ors Gene durch Azalomycin F, (iii) sowie die chemischen Mediatoren für die Freisetzung von Azalomycin F und die Anziehung der Grünalge durch den Pilz aufgeklärt werden.
Organismen im Plankton bilden komplexe Gemeinschaften die substanziell zur globalen Primärproduktion beitragen und die Grundlage des marinen Nahrungsnetzes bilden. Dieses Projekt adressiert die Rolle von Sekundärmetaboliten in der Organisation von komplexen Plankton Gemeinschaften. Wir untersuchen den Einfluss des Bakteriums Kordia algicida das Mikroalgen lysieren kann auf das Plankton Microbiom. Die Regulation der Interaktion und die kaskadierenden Effekte auf die Lebensgemeinschaften im Meer werden in Labor- und Felduntersuchungen adressiert.
Die Identifizierung von gemeinsamen Mustern in verschiedenen mikrobiellen Gemeinschaften ermöglicht wichtige und fundamentale Einsichten. Die Forschung in ChemBioSys hat die enzymatischen Modifikation von sezernierten chemischen Effektoren als ein solches Thema identifiziert. Wir betrachten Systeme, in denen ein Organismus einen chemischen Effektor bildet und ausscheidet, um einen zweiten Organismus zu beeinflussen, während ein dritter Organismus ein Enzym sezerniert, welches den Effektor modifiziert. Wir planen, die komplexe zeitlich-räumliche Dynamik solcher Systeme und den Einfluss der Enzyme auf das ökologische Gefüge zu erforschen. Im Projekt werden theoretische und experimentelle Methoden kombiniert.
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