MEB-Projekte
Aktuelle Projekte
Abgeschlossene Projekte (Auswahl)
Weitere abgeschlossene Projekte (Auswahl)
- HotSysAPP (BMBF, 031L0078A)
- SulfoSYSBIOTEC (BMBF, 0316188A)
- HotZyme (EU, 265933)
- ExpresSYS (BMBF, 0315586C)
- SulfoSYS (BMBF, 0315004A)
Lipid║Divide - “Resolving the ‘lipid divide’ by unravelling the evolution and role of fatty acid metabolic pathways in Archaea”
Prof. Dr. Bettina Siebers, Dr. Christopher Bräsen, Dr. Christian Schmerling, Dr. Christina Stracke
2019 Volkswagen Stiftung "Life?" 96 725A. fresh scientific Approach to the Basic Principles of life (Leben? – Ein neuer Blick der Naturwissenschaften auf die grundlegenden Prinzipien des Lebens)
Gemeinschaftsantrag von (von links nach rechts) Dr. Sven Meckelmann (Angewandte Analytische Chemie, Chemie, UDE), Prof. Bettina Siebers (MEB, UMB, UDE), Dr. Christopher Bräsen (MEB, UMB, UDE), Prof. Dr. Markus Kaiser (Chemische Biologie, Biologie, UDE), Prof. Dr. Thijs Ettema, Laboratory of Microbiology, Wageningen University, NL)
Zusammenfassung. In der Biologie wurden bisher alle bekannten Lebensformen einer der drei Domänen Bacteria, Archaea oder Eukarya zugeordnet. Neuere Ergebnisse sprechen aber dafür, dass die Eukaryoten einschließlich des Menschen aus der Domäne der Archaea hervorgegangen sind. Das hat zu einem revidierten „Zwei-Domänen-Modell“ des universellen phylogenetischen Stammbaumes der Organismen geführt. Dieses Zwei-Domänen-Modell wirft allerdings eine grundlegende biologische Fragestellung auf: Eine grundsätzliche Eigenschaft aller bekannten Lebensformen ist, dass sie aus Zellen als Grundeinheit bestehen und dass diese Zellen durch Lipidmembranen von der Umwelt abgegrenzt sind. Die Membranen der Archaea sind aus Lipiden aufgebaut, die aus Isoprenoid-Seitenketten bestehen, die über eine Etherbindung an Glycerin-1-Phosphat (G1P) gebunden sind. Diese Zusammensetzung unterscheidet sich fundamental von den Lipiden der Bacteria und Eukarya, die aus Fettsäureseitenketten bestehen, die über Esterbindungen an Glycerol-3-Phosphat (G3P) gebunden sind. Daher muss während der Eukaryoten-Evolution ausgehend von archaealen Vorfahren ein fundamentaler Wechsel in der Zusammensetzung der Membranlipide stattgefunden haben. Wie und warum sich dieser sogenannte „Lipid Divide“ ereignet hat, ist somit eine der ungelösten grundlegenden Fragestellungen in der Evolutionsbiologie. Dieser Fragestellung soll im beantragten Projekt nachgegangen werden, indem der Fettsäuremetabolismus sowie die Funktion von Fettsäuren in Archaea untersucht und mit Sequenzvergleichen von Genen und Genomen (Phylogenomics) korreliert werden. Dieses Projekt wird somit zu einem tieferen Verständnis der Eukaryoten-Evolution und damit auch der Entstehung des Lebens im Allgemeinen beizutragen.
ARCTECH - Erschließung des biotechnologischen Potenzials von Archaeen – Europas nächste Visionäre für eine innovative und nachhaltige Zukunft
Europäische Kommission, Horizon MSCA 101120407
Prof. Dr. Bettina Siebers, Dr. Laura Kuschmierz, M.Sc. Sergio Scotillo
Projektpartner. Prof. Dr. Tessa Quax (Koordinatorin; Universität Groningen), Prof. Dr. Christine Moissl-Eichinger (Medizinische Universität Graz), Prof. Dr. Sonja-Verena Albers (Universität Freiburg), Prof. Dr. Marco Moracci (Universität Neapel Federico II), Linda Dengler (Microbify), Dr. Pierre Türschmann (Interherence), Dr. Hanna Oksanen (Universität Helsinki)
Assoziierte Partner. Prof. Dr. Martin Pilhofer (ETH Zürich), Dr. Kenneth Jensen (Novonesis) und Prof. Dr. Bertram Daum (Universität Exeter).
ARCTECH Projekt Homepage Linked-in Instagram Bluesky YouTube
Zusammenfassung. Mit ihrer bemerkenswerten Anpassungsfähigkeit an extreme Umgebungen wie hohe Drücke, Salzkonzentrationen und Temperaturen bieten Archaeen ein großes Potenzial für biotechnologische Anwendungen. Trotz ihrer außergewöhnlichen biochemischen und metabolischen Eigenschaften hindert unser begrenztes Verständnis der Struktur und Funktion archaeeller Zelloberflächen – insbesondere im Zusammenhang mit der Biofilmbildung – bisher ihre industrielle Nutzung. Im Rahmen der Marie Skłodowska-Curie-Maßnahmen von Horizon Europe, gefördert durch die Europäische Kommission, zielt ARCTECH darauf ab, entscheidende Wissenslücken zu schließen und Methoden zu entwickeln, die notwendig sind, um das biotechnologische Potenzial von Archaeen freizusetzen. ARCTECH strebt an, die nächste Generation europäischer Visionäre in der grundlegenden Archaeen-Forschung sowie ihrer Anwendung in der Biotechnologie zu fördern.
Biofilmbildung und extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS). Als Projektbeteiligte in ARCTECH ist es unser Ziel, die wesentlichen Schritte der archaeellen Biofilmbildung zu untersuchen und Strategien zu entwickeln, um in diesen Prozess einzugreifen. Dazu gehört eine umfassende Analyse der Biofilmbildung und -auflösung, sowie eine Untersuchung der Menge und Zusammensetzung ihrer extrazellulären polymeren Substanzen (EPS), darunter Exopolysaccharide, DNA und Proteine. Insbesondere die Struktur des durch Sulfolobus acidocaldarius produzierten Exopolysaccharids wird in Kooperation mit ARCTECH-Partnern ermittelt.
Enzyme für biotechnologische Anwendungen. Im Rahmen von ARCTECH erforschen wir außerdem Enzyme, die an dem Abbau von EPS beteiligt sind, darunter Proteasen und Glykosid-Hydrolasen, welche zur Biofilmauflösung beitragen. Die Identifizierung dieser Proteine erfolgt über bioinformatische Vorhersagen, aktivitätsbasiertes Protein-Profiling und Proteomik. Durch Genexpression, Proteinreinigung und Charakterisierung wollen wir neuartige Enzyme mit potenziellen biotechnologischen Anwendungen identifizieren. Dabei wird ihre Stabilität unter industrienahen Bedingungen bewertet, um ihre Eignung für biotechnologische Prozesse zu prüfen.
Funded by the European Union under Grant Agreement n. 101120407. Views and opinions expressed are however those of the author(s) only and do not necessarily reflect those of the European Union or European Research Executive Agency (REA). Neither the European Union nor the granting authority can be held responsible for them.
GlycoN - GLYCO Protein-N-Glykosylierung von der unbelebten Materie zu Eukaryoten – ein Doktorandennetzwerk zur Erweiterung des Wissens über eine allgegenwärtige posttranslationale Modifikation von Proteinen
Europäische Kommission, Grant Agreement 101119499
Prof. Dr. Bettina Siebers, Dr. Laura Kuschmierz, M.Sc. Alberto Bobbio
Projektpartner. Prof. Dr. Antonio Molinaro (Koordinator; Universität Neapel Federico II), Prof. Dr. Hermen Overkleeft (Universität Leiden), Prof. Dr. Jesús Jiménez Barbero (Center for Cooperative Research in Biosciences), Prof. Dr. Carme Rovira (Universität Barcelona), Prof. Dr. Bernard Henrissat (Technische Universität Dänemark), Prof. Dr. Muriel Bardor (Universität Rouen). GlycoN Projekt Homepage
Zusammenfassung. Das von der Europäischen Union geförderte Ausbildungsnetzwerk GLYCO-N zielt darauf ab, Doktorand*innen die Fähigkeiten zu vermitteln, verschiedene innovative Strategien zu entwickeln, um
- die Vielfalt und strukturelle Komplexität der N-Glykosylierung bei Archaeen, Mikroalgen und Viren zu verstehen und
- dieses Wissen für neue Lösungen in der Biomedizin und Biotechnologie zu nutzen.
Die N-Glykosylierung von Proteinen, die Anheftung von Oligo- und Polysacchariden an spezifische Asparaginreste, ist in allen Domänen und sogar in der Welt der Viren konserviert. Im Gegensatz zu Eukaryoten, deren relativ einfache N-Glykosylierungsmechanismen gut erforscht sind, verwenden Archaeen, Mikroalgen, Bakterien und einige kürzlich entdeckte Viren eine große Vielfalt an Monosacchariden, um eine Vielzahl strukturell unterschiedlicher N-Glykane zu erzeugen. Da die Glykosylierung von Proteinen weit nach der Proteinsynthese erfolgt, sind die Komplexität und Vielfalt der N-Glykanstrukturen bisher nur unzureichend im Detail verstanden. Dies trifft insbesondere auf die N-Glykosylierungsprozesse zu, die im GLYCO-N-Programm untersucht werden: jene in Archaeen, Mikroalgen und Viren. Das Verständnis des „Wie“ und „Warum“ der N-Glykosylierung in Archaeen, Mikroalgen und Viren wird zahlreiche Möglichkeiten eröffnen, von der Arzneimittelforschung (Antiviralia) bis hin zur Biotechnologie.
Im Rahmen von GLYCO-N zielen wir darauf ab, die Funktion von Glycosyltransferasen im thermophilen, archaeellen Modellorganismus Sulfolobus acidocaldarius zu untersuchen, um deren Potenzial für biotechnologische Anwendungen zu erschließen. Während 29 Gene laut Annotationen Glycosyltransferasen (GTs) kodieren, fehlt es an ausreichenden Studien, die ihre mögliche Beteiligung an der N-Glykosylierung und deren Modifikation durch veränderte Bedingungen, wie verfügbare Kohlenstoffquellen oder Stressfaktoren, untersuchen. Auch detaillierte enzymatische Studien fehlen bei den meisten GTs, was ihre Anwendung in der Biotechnologie erschwert. Darüber hinaus wird die funktionelle Charakterisierung der GTs und die Analyse des N-Glykan-Weges in S. acidocaldarius wichtige Informationen für die phylogenetische Analysen liefern. Insgesamt kombiniert unsere Studie die Analyse der Glucanzusammensetzung und -struktur unter Verwendung vorhandener GT-Mutanten mit Multiomics-Studien und der enzymatischen Charakterisierung der GTs in enger Zusammenarbeit mit den GLYCO-N-Partnern.
Funded by the European Union under Grant Agreement n. 101119499. Views and opinions expressed are however those of the author(s) only and do not necessarily reflect those of the European Union or European Research Executive Agency (REA). Neither the European Union nor the granting authority can be held responsible for them.
SCyCode - “Unraveling the cyanobacterial carbon switch and its regulation using enzyme kinetic analyses and mathematical modelling”
DFG, Joint Research Project (Forschungsgruppe), SI 642/14-2. SCyCode - The Autotrophy-Heterotrophy Switch in Cyanobacteria: Coherent Decision-Making at Multiple Regulatory Layers;
Prof. Dr. Bettina Siebers, M.Sc. Carmen Peraglie, M.Sc. Ravi Ojha
Projekt-Koordination: Prof. Dr. Karl Forchhammer (Universität Tübingen). SCyCode FOR2816 Projekt Homepage
Zusammenfassung. Cyanobakterien wie z.B. Synechocystis sp. PCC 6803 sind in der Lage, zwischen einem photoautotrophen und einem heterotrophen Metabolismus umzuschalten. Vorhergehende Studien haben gezeigt, dass neben dem Tag/Nacht Wechsel auch das Angebot an anorganischem Kohlenstoff und Veränderungen des Stickstoff Angebots diesen Umschalt-Prozess auslösen können. Insbesondere der Glykogen-Metabolismus sowie die Umwandlung von Triosephosphaten wurden als mögliche zentrale Schaltstellen identifiziert. Bemerkenswerterweise ist der Primärstoffwechsel von Synechocystis durch parallele Stoffwechselwege und mannigfaltige Isoenzyme charakterisiert. Daher vermuten wir, dass diese Isoenzyme unterschiedliche kinetische und regulatorische Eigenschaften besitzen, um als Schaltstellen zwischen dem autotrophen und heterotrophen Stoffwechsel zu dienen. Im Rahmen des übergeordneten Ziels der SCyCode Forschergruppe, die verschiedenen Regulationsschichten zu entschlüsseln, die dem Umschalten zwischen autotrophen und heterotrophen Stoffwechsel zugrunde liegen, zielt dieses Teilprojekt darauf ab, durch die Kombination detaillierte Enzym-Charakterisierungen mit mathematischer Modellierung (Co-Partner Jacky Snoep, University of Stellenbosch, Südafrika) die entsprechenden metabolischen Kontrollstellen zu identifizieren.
MetaboArchaea - D-Mannose und D-Fructose Verwertung durch Sulfolobales - Relevanz des oberen Embden-Meyerhof-Parnas-Wegs
DFG, SI 642/15-1. Prof. Dr. Bettina Siebers, M.Sc. Anna Ebel, PD Dr. Meina Neumann-Schaal, M.Sc. Kea Mucha (Leibniz Institut DSMZ-German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH, Braunschweig)
Zusammenfassung. Der Kohlenhydratstoffwechsel in archaellen Organismen spielt eine entscheidende Rolle für ihr Überleben und ihre Anpassung an unterschiedliche Umweltbedingungen. Das Verständnis der Stoffwechselwege, die an der Verwertung spezifischer Zucker wie D-Mannose und D-Fructose beteiligt sind, ist essenziell, um die metabolischen Feinheiten dieser Organismen zu entschlüsseln. Im Rahmen des DFG-geförderten Projekts MetaboArchaea zielen wir darauf ab, die Abbauwege für D-Mannose und D-Fructose in Saccharolobus solfataricus zu entschlüsseln und die Bildung sowie Nutzung von D-Mannose in Sulfolobus acidocaldarius zu untersuchen. Dies geschieht in Zusammenarbeit mit Meina Neumann-Schaal (DSMZ Braunschweig).
Identifikation der Abbauwege von D-Mannose und D-Fructose in Saccharolobus solfataricus. Vergleichende Transkriptomik-, Proteomik- und Metabolomik-Analysen sowie Messungen mit Rohenzymextrakten werden durchgeführt, um die jeweiligen Abbauwege von D-Mannose und D-Fructose zu identifizieren. Das Schicksal des Kohlenstoffs, der aus D-Mannose und D-Fructose stammt, wird in Saccharolobus solfataricus mithilfe hochauflösender, 13C-basierter Massenspektrometrie untersucht, um die entsprechenden metabolischen Flüsse zu entschlüsseln.
Bildung von D-Mannose und NDP-Mannose in S. acidocaldarius und deren Rolle in zellulären Prozessen. Die Synthese phosphorylierter und aktivierter D-Mannose-Derivate in S. acidocaldarius wird untersucht, um ihre Rolle in zellulären Prozessen wie der Protein-N-Glykosylierung und als Bestandteil von Exopolysacchariden in extrazellulären polymeren Substanzen zu verstehen. Zu diesem Zweck werden Deletionsstämme konstruiert und hinsichtlich ihrer Phänotypen analysiert. Enzyme, die am Kohlenhydratstoffwechsel beteiligt sind, werden heterolog oder homolog exprimiert, gereinigt und enzymatisch charakterisiert, um ihre kinetischen und regulatorischen Eigenschaften zu entschlüsseln. Insgesamt streben wir an, entscheidende Einblicke in die Komplexität und Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels in beiden archaellen Modellorganismen zu gewinnen.
HotPETresolve - Aktivitätsbasiertes Protein-Profiling zur Identifizierung neuer thermostabiler Polyethylenterephthalat (PET) abbauender Enzyme für das Biorecycling
Bioökonomie International 2022, BMBF, 031B1427. Prof. Dr. Bettina Siebers, Dr. Christian Schmerling, Prof. Dr. Markus Kaiser, M.Sc. Leonard Sewald (Universität Duisburg-Essen).
Assoziierte Partner. Dr. Kenneth Jensen (Novonesis, Dänemark) und Prof. Dr. Eric Boyd (Montana State Universität, USA)
Zusammenfassung. Kunststoffe wie PET sind global-genutzte Werkstoffe. Leider führt deren massive Nutzung zu einer unerwünschten Anhäufung in der Umwelt. So haben sich schätzungsweise bereits 150-200 Millionen Tonnen Kunststoff mit steigender Tendenz auf Deponien oder in der natürlichen Umwelt angesammelt. Deren Verwitterung führt zu kleineren Mikro- und Nanoplastikpartikeln, deren Auswirkungen auf die Gesundheit von Mensch und Tier bis heute unklar sind. Zur Adressierung dieses globalen Problems werden mit dem HotPETresolve Projekt in Kooperation mit Prof. Markus Kaiser (Universität Duisburg-Essen) und assoziierten Partnern daher neue Organismen und Enzyme identifiziert, die einen biologischen Abbau von PET im industriellen Maßstab ermöglichen. Zwar sind bereits PET-abbauende Enzyme bekannt, diesen mangelt es jedoch an Langzeitstabilität bei den erforderlichen Prozesstemperaturen und an einem ausreichenden enzymatischen Umsatz. Daher ist die Auffindung von Enzymen mit verbesserten Eigenschaften eine Voraussetzung für die Erschließung eines Marktes für den enzymbasierten PET-Abbau. In diesem durch Bioökonomie International 2022 geförderten Projekt werden solche PET-abbauenden Stämme und Biokatalysatoren durch Bioprospektion von thermophilen Organismen und somit die Nutzung der natürlichen Vielfalt identifiziert. Ihre Auffindung soll durch einen neuartigen Ansatz erreicht werden, bei dem Umweltproben und Verfahren zur Stammanreicherung mit (Meta-) Genomik und aktivitätsbasiertem Protein-Profiling (ABPP), das auf der Nutzung aktivitätsbasierter Sonden (ABPs) zur spezifischen Identifizierung aktiver Enzyme basiert, kombiniert werden. Dieser Ansatz ermöglicht eine eine Identifizierung von aktiven Enzymen direkt in Anreicherungs- und Umweltproben und wird „environmental ABPP“ (eABPP) genannt.
Abgeschlossene Projekte (Auswahl)
HotAcidFACTORY - Sulfolobus acidocaldarius als neuartige thermoacidophile Biofabrik
BMBF Förderrichtlinie “Mikrobielle Biofabriken für die industrielle Bioökonomie - Neuartige Plattformorganismen für innovative Produkte und nachhaltige Bioprozesse“, 031B0848A.
Sechs (inter)nationale Partner: Prof. Dr. Markus Kaiser (Chemische Biologie, Biologie, UDE), Prof. Dr. Oliver Schmitz (Angewandte Analytische Chemie, Chemie, UDE), Prof. Dr. Sonja-Verena Albers, (Molecular Biology of Archaea, Universität Freiburg), Prof. Dr. Jörn Kalinowski (CeBiTec, Universität Bielefeld), Dr. Oliver Spadiut (Vienna University of Technology, Wien)
HotAcidFACTORY, BMBF, AZAP Anträge eingereicht
Zusammenfassung. Archaeen wurden erstmals vor ca. 40 Jahren als eigenständige dritte Domäne des Lebens beschrieben und sind häufig die dominierende Organismengruppe in extremen Habitaten. Diese archaealen Vertreter zeichnen sich durch eine große “Robustheit” aus und werden als ‘Extremophile‘ und ihre Enzyme als ‘Extremozyme‘ bezeichnet. Archaeen verfügen generell über einzigartige zelluläre und Stoffwechsel-Eigenschaften wie z.B. neue Stoffwechselwege oder Enzyme. HotAcidFACTORY zielt darauf ab, ein praktisches und hochflexibles Bioproduktionssystem (bio-factory) auf der Basis des thermoacidophilen Crenarchaeons Sulfolobus acidocaldarius (Saci) (75 – 80 °C, pH 2-3) zu entwickeln, das für den Einsatz in industriellen Prozessen mit harschen Reaktionsbedingungen geeignet ist. Dieses neuartige Bioproduktionssystem soll die effektive Produktion von Extremozymen als auch von anderen added-value Produkten aus industriellen Abfall- und Nebenprodukten ermöglichen. Im Rahmen des HotAcidFACTORY-Projektes soll (i) ein verbessertes, genetisches System von Saci zur Verfügung gestellt werden, um den Organismus als neuartige Plattform für die Expression von Extremozymen und für das metabolic engineering zu etablieren; (ii) die Verwertung alternativer Substrate, insbesondere von industriellen Neben- bzw. Abfallprodukten wie Glycerin und CO2, durch Saci etabliert werden und (iii) die Kultivierungsbedingungen für Saci insbesondere auf Glycerin und CO2 optimiert werden, so dass hohe Zelldichten für industrielle Produktions- und Anwendungsprozesse erreicht werden können.
ABPP_FUNGI – Aktivitäts-basiertes Protein-Profiling (ABPP) zur Identifizierung neuer Hydrolasen in Pilzen
Mercur, Pr-2017-0020. Gemeinschaftsantrag mit Prof. Dr. M. Kaiser (Chemische Biologie, Biologie, UDE; Koordinator), Prof. Dr. D. Begerow (Geobotanik, RUB)
Zusammenfassung. Viele Anwendungen der Biotechnologie beschäftigen sich mit der Identifizierung strukturell neuer Enzyme mit neuartigen katalytischen Eigenschaften z.B. durch das systematische Screening verschiedenster Mikroorganismen. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig und soll im vorliegenden Projekt durch den Einsatz eines alternativen Workflows basierend auf der Methode des Aktivitäts-basierten Protein-Profiling (ABPP) optimiert werden. Dieser Ansatz basiert auf Vorarbeiten (Kaiser, Siebers, Nature Communications 2017, 8:15352), in welchen wir das Potential von ABPP zur Detektion selbst geringster Enzymmengen in einem in vivo-Ansatz sogar unter extremen Kulturbedingungen aufzeigen konnten und somit eine Methode zur Identifizierung neuer Enzyme direkt in den Organismen etablieren konnten. Im vorliegenden Projekt soll dieser Ansatz nun auf thermophile Pilze übertragen werden, da diese zu den potentesten Abbauern pflanzlicher Biomasse gehören und somit über ein einzigartiges Enzymrepertoire verfügen, welches jedoch bisher für biotechnologische Anwendungen, insbesondere für den „Aufschluss“ nicht-nahrungsrelevanter Biomasse, noch nicht umfassend erschlossen wurden. Unser Projekt stellt daher eine Kombination von chemischer Biologie, Biotechnologie und Biodiversitätsforschung dar.
Explo-Carb – Erforschung des Kohlenhydratstoffwechsels in hyperthermophilen Archaeen: Neue Ansätze, Enzyme und Stoffwechselwege
DFG-RSF Kooperation, SI 642/12-1: "Joint German-Russian project proposals in life sciences, social sciences and humanities"
Prof. Dr. Bettina Siebers, Prof. Dr. Markus Kaiser (UDE) und Dr. Ilya V. Kublanov (Ferderal Research Center of Biotechnology RAS, Moskau)
Zusammenfassung. Archaeen verfügen über ungewöhnliche Stoffwechselwege und Enzyme. Aus biologischer und insbesondere biotechnologischer Sicht sind dabei (hyper)thermophile Archaeen von besonderem Interesse, da diese optimal an extreme Umweltbedingungen (hohe Temperaturen, pH, etc.) angepasst sind und deren Enzymrepertoire somit eine interessante Quelle für die Auffindung neuer biotechnologisch-nutzbarer Enzyme darstellt (welche häufig dementsprechend auch als „Extremozyme“ bezeichnet werden). Eine breitere Anwendung dieser archaealen Enzyme als auch ein tieferes Verständnis über den Aufbau des einzigartigen Metabolismus dieser Archaeen ist jedoch bisher aufgrund unzureichender Methoden zur systematischen Erforschung dieser Organismen kaum möglich. In Explo-Carb Projekt beabsichtigen wir, neue methodische Ansätze zur Erforschung dieser Organismen zu entwickeln und anzuwenden. Dabei werden wir uns auf Glycosidhydrolasen bzw. auf den Kohlenhydrat-abbauenden Metabolismus fokussieren. Hierzu werden wir das Aktivitäts-basierte Proteinprofiling (ABPP) als einen neuen Ansatz zur Untersuchung dieser Enzyme bzw. des Kohlenhydrat-Metabolismus in ausgewählten (hyper)thermophilen Archaeen etablieren, um die entsprechenden metabolischen Prozesse zu charakterisieren. Ferner sollen neue (hyper)thermophile Stämme mittels in situ-Anreicherungsverfahren isoliert und mit unserem Methodenrepertoire inklusive ABPP charakterisiert werde. Zudem soll die direkte Anwendbarkeit von ABPP zum chemischen Profiling von aus der Umwelt isolierten Anreicherungskulturen evaluiert werden.
ArchaeaEPS - Archaeelle Biofilme: Zusammensetzung der extrazellulären polymeren Substanzen, Exopolysaccharid-synthese und –transport in Sulfolobus acidocaldarius
Koordinatorin Prof. Dr. Bettina Siebers
DFG, SI 642/13-1. Gemeinschaftsantrag (UDE), Dr. Jost Wingender (BFC), Prof. Dr. Oliver Schmitz (Angewandte Analytische Chemie)
Zusammenfassung. Biofilme stellen die häufigste Lebensform für die überwiegende Mehrheit der Mikroorganismen auf der Erde dar. Biofilme, die von Bakterien und eukaryotischen Mikroorganismen (Pilze, Algen) gebildet werden, und ihre extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) sind intensiv untersucht worden. Vertreter der Archaea als dritte Domäne der Lebewesen haben spezielle Beachtung gefunden aufgrund ihrer Anpassung an extreme Standorte. Dennoch existieren vergleichsweise wenige Informationen über Biofilme der Archaea. Im vorliegenden Projekt wird Sulfolobus acidocaldarius, ein thermophiler aerober Vertreter der Crenarchaeota, verwendet, um die Biofilmbildung und -architektur, die Zusammensetzung der EPS sowie die Biosynthese und den Transport von Exopolysacchariden (PS) als eine der Hauptkomponenten der EPS zu untersuchen. S. acidocaldarius erweist sich als geeigneter Modellorganismus, da seine Fähigkeit zur Biofilmbildung bereits gezeigt wurde, er leicht unter Laborbedingungen anzuzüchten und genetisch zugänglich ist. Im Genom von S. acidocaldarius wurde ein Gen-Cluster mit 11 Glycosyltransferasen und 8 Membranproteinen identifiziert, und erste Experimente mit zwei Deletionsmutanten bestätigten die vorhergesagte Funktion der entsprechenden Proteine bei der Biosynthese und dem Transport der PS. Das Ziel des Projekts ist es, die aktuellen Techniken für Biofilm-Charakterisierung und EPS-Analyse mit einem molekulargenetisch-biochemischen Ansatz zu kombinieren, um die Synthese und den Transport der PS sowie die Veränderungen der EPS-Zusammensetzung als Reaktion auf Umweltbedingungen aufzuklären. Dieses Projekt wird neue Einblicke in die Bildung und Zusammensetzung von Biofilmen der Archaea sowie zu Extremozymen (GTs) von biotechnologischem Interesse ergeben.
HotSolute - “Thermophilic bacterial and archaeal chassis for extremolyte production”
BMBF/EU, 031B0612A. ERA CoBioTech (Horizon 2020, Verbundprojekt)
Partner, Prof. Dr. Jennifer Littlechild (Universität Exeter, UK), Dr. Daniela Moni (ICRM, CNR, Milano, Italien), Dr. Felix Müller (Evonik Industries AG, Essen, DE), Prof. Dr. Elizaveta Bonch-Osmolovskaya (Winogradsky Institute of Microbiology, Russian Academy of Science, Russland), Prof. Jacky Snoep (Stellenbosch University, Stellenbosch, Südafrika)
Zusammenfassung. Das HotSolute Projekt hat das Ziel, „Extremolyte“ mit Hilfe von thermophilen in vitro Enzym-Kaskaden bzw. in vivo durch neuartige thermophile Plattformorganismen, dem Bacterium Thermus thermophilus (Tth, 65-75°C, pH 7.0) and dem thermoacidophilen Archaeon Sulfolobus acidocaldarius (Saci, 75-80°C, pH 2-4) zu produzieren. Extremolyte sind niedermolekulare kompatible Solute, die von thermophilen Organsimen intrazellulär als Antwort auf verschiedene Stressfaktoren akkumuliert werden und Zellkomponenten wie Proteine und Membranen stabilisieren. Mit diesen Eigenschaften bieten Extremolyte ein herausragendes Potential für die industrielle Anwendung, v.a. in den Bereichen Nahrungsmittel, Medizin/Gesundheitsschutz, Körperpflege und Kosmetik. Bisher konnten diese Extremolyte aber aufgrund der thermophilen Eigenschaften der Synthesewege/Enzyme nicht effizient in mesophilen Standard-Wirtsorganismen wie z.B. Hefen oder E. coli produziert werden. Die neu entwickelten Enzymkaskaden und „Ganz-Zell-Biokatalysatoren“ werden im Rahmen des Projektes für die Produktion der drei Extremolyte zyklisches 2,3-Di-phosphoglycerate (cDPG), Di-myo-1,1’-inositol-phosphate (DIP) and Mannosylglycerate (MG) eingesetzt, die (mit wenigen Ausnahmen für MG) ausschließlich in hyperthermophilen Organismen vorkommen, bisher aber nicht mit mesophilen Wirtsorganismen synthetisiert werden konnten.