Unser Wissen zur Ökologie und Bedeutung von Mikroorganismen in Böden ist umfassend. Dies gilt im Gegensatz dazu nicht für die Ökologie der Viren. Erkenntnisse dazu hinken dem Kenntnisstand aus aquatischen Lebensräumen weit hinterher. Böden beherbergen eine große Anzahl an Viren und das Viren - Wirt Verhältnis liegt meist deutlich über jenem in aquatischen Systemen. Unterschiede in den Virenpopulationen können teilweise auf unterschiedliche Bodencharakteristika (pH, Wassergehalt, Anteil an organischem Material) erklärt werden. Dies lässt den Schluss zu, dass Unterschiede in der Landnutzung entsprechend die Virenabundanz als auch Viren - Wirt Interaktionen beeinflussen. In Böden tragen bis zu 68% aller Bakterien induzierbare Prophagen, ein Hinweis darauf, dass die Heterogenität im Boden und die ungleiche Verteilung der Mikroorganismen eine lysogene Vermehrung von Viren selektiert. Dies hat zur Folge, dass der Austausch von genetischer Information zwischen Virus und Wirt vorwiegend durch Transduktion stattfindet. Bis dato analysierte Virenmetagenome aus dem Boden bestanden bis zu 50% aus transduzierten Genen prokaryotischen Ursprungs. Obwohl davon ausgegangen werden kann, dass Viren im Boden, wie für aquatische Lebensräume gezeigt, einen signifikanten Einfluss auf die räumliche und zeitliche Dynamik ihrer Wirte (Killing the Winner Hypothese) und deren kontinuierliche Anpassung (Red Queen Hypothese), wichtige Ökosystemfunktionen und biogeochemische Prozesse haben, kennen wir die Art und Häufigkeit der Interaktionen nicht und empirische Daten fehlen. Wir postulieren, dass Transduktion eine wichtige Rolle für die Resilienz von Böden unter intensiver Landnutzung spielt, da in diesen Böden i) die mikrobielle Diversität vergleichsweise niedrig ist, was zu einer erhöhten Sensitivität gegenüber Veränderungen in den Umweltbedingungen führt. Andererseits, ii) hat die durch Düngung erhöhte spezifische Aktivität von Mikroorganismen eine erhöhte Transduktionsrate zur Folge, da Viren für ihre Vervielfältigung auf metabolisch aktive Wirte angewiesen sind. Um unsere Hypothese zu überprüfen, werden wir an 150 Standorten der Biodiversitäts-Exploratorien und im Detail an einer Auswahl an Grünlandstandorten mit unterschiedlicher Intensität der Bewirtschaftung Untersuchungen durchführen. Analysiert wird die Beziehung zwischen Virenabundanzen und VBRs mit der Bewirtschaftung, der Vegetationsperiode und den vorherrschenden Umweltbedingungen. Zusätzlich untersuchen wir mit Hilfe moderner molekularer Methoden die Zusammensetzung der Virengemeinschaften und ihre Diversität, sowie viren-assoziierte Funktionen prokaryotischen Ursprungs. Experimente zu Virus-Wirt Interaktionen und die Analyse von CRISPR like structures in den prokaryotischen Wirten werden Erkenntnisse zu der Ökologie bakterieller Gemeinschaften liefern. Nicht zuletzt werden wir Viren von abundanten Bodenbakterien (z.B. Pseudomonaden) für vergleichende Genomanalysen und Kreuzinfektionsversuche isolieren.
Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii kann durch Photosynthese gewonnene Energie zur Produktion von Wasserstoff (H2) und Biomasse verwenden. Der Nutzen erster quantitativer Computermodelle des Chlamydomonas Stoffwechsels ist aufgrund fehlender Information über Algenproteinfunktionen stark eingeschränkt. Protein Interaktionen spielen eine wichtige Rolle in der Strukturierung von metabolischen Prozessen. In diesem Projekt wird eine systematische, hochwertige Protein-Protein Interaktionskarte für Chlamydomonas experimentell generiert um mit Hilfe dieser biochemischen Daten existierende mathematischer Modelle des Algenstoffwechsels zu optimieren. Das Ziel ist es, mittels der so erweiterten Computermodelle Ansatzpunkte genetische Manipulationen zu finden die zu einer erhöhten Ausbeute von biotechnologisch interessanten Metaboliten führen. Zunächst wird eine ORFeome Sammlung für Chlamydomonas Enzyme, sowie strukturelle und Signaltransduktionsproteine mittels PCR, Next-Gen Sequenzierung und Hochdurchsatz Gateway Klonierung generiert. Die produzierten kodierenden Sequenzen werden in eine Roboter-gestützte qualitativ hochwertige Yeast-2-hybrid basierte Hochdurchsatzinteraktionsplattform eingespeist. Aus der Interaktionskarte werden u.a. mittels graphtheoretischer Methoden Hypothesen über neue Reaktionspfade entwickelt, die anschließend zur Verbesserung der Computermodelle und die gezielte Manipulation des Algenstoffwechsels genutzt werden.
Das Mykotoxin Zearalenone (ZON) ist nicht nur ein potentieller Virulenzfaktor bei Fusarieninfektionen sondern auch wegen seiner starken Affinität zu Östrogenrezeptoren ein Problem für Mensch und Tier. In diesem Projekt werden mit Hilfe der Modelpflanze Arabidopsis thaliana untersucht, wie ZON auf Pflanzen wirkt und metabolisiert wird. Zur Isolationder verantwortlichen Gene werden genetische, molekularbiologische und chemisch-analytischeMethoden angewandt.
Ziel des Projektes ist die weitere Aufklärung der Wirkmechanismen der durch niederfrequente Magnetfelder (50 Hz) mit niedrigen Flussdichten (10 - 200 T) ausgelösten biologischen Effekte. Dabei soll der Grundmechanismus, der zur Krebsentstehung führen kann, besonders berücksichtigt werden. Hierzu dient die so genannte 'Radikal-Theorie' als Arbeitshypothese. Diese besagt, dass niederfrequente Magnetfelder (NF-MF) die Erhöhung freier Radikale in lebenden Zellen induzieren. Die Frage stellt sich, ob NF-MF die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) oder die Hemmung der Antioxidantien induzieren und durch welche Wirkmechanismen diese Prozesse ausgelöst werden und welche Folgen sie haben. Werden gentoxische oder epigenetische Änderungen induziert, die zu maligner Entartung führen können? Weiterhin sollen spezifische, durch oxidativen Stress induzierte oder aktivierte Signalkaskaden (NFkappaB, MAPK, PKC) auf Proteom- und Genom-Ebene sowie Modulationen an der Zellproliferation und der Apoptose in menschlichen Immunzelllinien und ggf. primären Zellen des Immunsystems analysiert werden.
Auf Halbleiter-Substraten werden Polymerschichten mit definierten Eigenschaften hergestellt. Die Schichtsysteme werden systematisch modifiziert durch die Strukturierung des Substrats, die Polymerisationsbedingungen durch gezielten Einsatz des Rastertunnelmikroskops (STM), das Einlagern unterschiedlicher Dotiermolekuele und unterschiedliche Kontaktierung. Zur Charakterisierung der Schichten und ihrer Grenzflaechen dienen einerseits oberflaechen- und grenzflaechen-analytische Methoden wie XPS, UPS, TDS, SIMS und STM und andererseits zeit- und ortsaufgeloeste Fluoreszenz und winkelabhaengige ATR-Spektroskopie im UV/VIS-, IR- und FIR-Bereich. Dielektrische und Transport-Eigenschaften werden ueber Impedanzspektroskopie bestimmt. Ihre atomistische Interpretation ermoeglicht die systematische Optimierung ueber gezielte Ankopplung der ersten Monolage.