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Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2019-01-01 - 2020-12-31

Viele Gram-positive Bakterien sind von einer zweidimensional-kristallinen Zelloberflächen (S-) Schicht, die aus selbstassemblierenden (Glyko)Proteinen besteht, bedeckt. Diese S-Schicht besitzt Periodizität im Nanometerbereich, was viele Anwendungsperspektiven in der Nanotechnologie und Biomedizin eröffnet (Sleytr, Bayley et al. 1997). Es fehlt jedoch die detaillierte Kenntnis darüber, wie die S-Schicht mit der darunter¬liegenden Peptidoglykan-Zellwand von Bakterien verbunden ist. Ausgehend von der Forschung an dem Pathogen Bacillus anthracis und dem Modellorganismus Paenibacillus alvei CCM2051T ist das meiste Wissen über die Situation in Gram-positiven Bakterien ver¬fügbar, wo sogenannte Oberflächenhomologie (SLH) Domänen als Zellwand-Targeting-Module für die S-Schicht dienen. SLH-Domänen interagieren wiederum mit einem spezies-spezifischen, Peptidoglykan-gebundenen sekundären Zellwandpolymer (SCWP), das als Zellwandligand dient (2-4). Obwohl es offensichtlich ist, dass diese Strategie zur Verankerung von Zelloberflächenproteinen interessant für eine therapeutische Interven¬tion ist, fehlt ein mechanistisches Verständnis des zugrundeliegenden Prinzips. Diese SCWPs fallen in die Kategorie der nicht-klassischen SCWPs, da sie sich strukturell von den bekannten Teichonsäuren unterscheiden (3). Das SCWP von P. alvei SCWP ist ein Polymer bestehend aus aus elf [→3)-β-D-ManpNAc-(1→4)-β-D-GlcpNAc-(1→] Disaccharideinheiten, wobei jeder β-D-ManpNAc Rest mit einem 4,6-verknüpften Pyruvatketal (2) modifiziert ist, was zum anionischen Charakter des SCWP beiträgt. Diese Pyruvylierung von β-D-ManpNAc, die auch im B. anthracis SCWP (4) an der terminalen Position vorliegt, ist wird als unver¬zichtbares und evolutonär konserviertes Epitop in für die Zelloberflächenpräsentation von SLH-Domänen enthaltenden Proteinen (SLH-Proteinen) angesehen (5-7). Die funktionelle Kopplung von SLH-Proteinen und SCWP-Pyruvylierung wird durch die Tatsache bestätigt, dass mehrere SLH-Protein-synthetisierende Bakterien mit einer Pyruvat enthaltenden Zellwand ein Ortholog des CsaB-Enzyms aufweisen, das den Transfer von Pyruvatketal auf β-D-ManNAc katalysiert(5). Angesichts der weiten Verbreitung dieses Mechanismus der Protein-Zelloberflächenpräsentation - sowohl bei pathogenen als auch bei nicht pathogenen Bakterien - ist es erstaunlich, wie wenig über die Biosynthese von pyruvylier¬ten SCWPs und den daran beteiligten Enzymen bekannt ist. In dieser Studie soll die Pyruvyltransferase CsaB von P. alvei hinsichtlich ihrer Substratspezifität, Reaktionskinetik und katalytisch relevanten Aminosäuren untersucht werden. Außerdem sollen mögliche Interaktionen mit anderen Enzymen aus dem SCWP Biosyntheselokus von P. alvei ermittelt werden. Auf diese Weise soll die Pyruvylierungs¬reaktion von SCWP als entscheidener Schritt für die Zeloberflächenpräsentation von SLH-Proteinen charakterisiert und gleichzeitig unser Verständnis der Biosynthese von SCWPs generell erweitert werden.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2018-10-01 - 2022-09-30

Fadenförmige Pilze spielen in der Natur eine bedeutende Rolle in dem sie abgestorbene pflanzliche Biomasse recyclen, und mit einer Vielzahl anderer Organismen positive und negative Beziehungen eingehen können. Für die Menschen ist auch ihre Funktion als wichtige Produzenten in der Biotechnologie. Sie ernähren sich indem sie Stoffe aus ihrer Umgebung in die Zelle aufnehmen, und benötigen daher eine große Körperoberfläche was sie durch eine lange, dünne Fadenform (sogenannte Hyphen) erzielen. Diese Körperform bringt aber auch Probleme mit sich, wie zum Beispiel erhöhte Anfälligkeit zur Austrocknung. Ein Mechanismus mit dem sich Pilze dagegen schützen, ist die Ausbildung von Proteinen, sogenannten Hydrophobinen, die die physikalischen Eigenschaften ihre Zelloberfläche je nach Anforderung verändern können. In diesem Projekt wollen wir daher untersuchen, welche biochemischen Eigenschaften der Hydrophobine für welche dieser oben angeführten chemischen, physikalischen und biologischen Anforderungen notwendig sind. Als Untersuchungsobjekt verwenden wir dazu Spezies der Pilzgattung Trichoderma, welche eine ungewöhnlich hohe Anzahl von verschiedenen Hydrophobinen besitzen. Zu diesem Zweck planen wir die Untersuchung sowohl von natürlichen als auch künstlich veränderten Hydrophobinen, sowie die Umweltbedingungen für deren Ausbildung. Unter Verwendung des mittlerweile wohlbekannten CRISPR Systems werden wir schließlich Pilzstämme generieren die ein oder mehrere dieser Hydrophobine nicht ausbilden können, und deren Lebensfähigkeit unter verschiedenen Umweltbedingungen untersuchen. Die Ergebnisse dieses Projekts sollten zu einem umfassenden Verständnis der Biochemie verschiedenster Hydrophobine führen, welches nicht nur wichtige Kenntnisse über die Biologie dieser Organismen liefern wird, sondern auch die Menschen in die Lage versetzen wird diese Information zur positiven (Biotechnologie, Planzenschutz) als auch negativen (Pflanzenschädlinge) Einflußnahme auf Pilze einzusetzen.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2018-01-01 - 2020-12-31

Die Materialien der Zukunft werden nicht länger mit traditionellen Top-Down-Methoden hergestellt. Stattdessen erlauben zukünftige Materialien eine Selbstorganisation ohne eingehende menschliche Intervention. Die Anweisungen für das Assembly ergeben sich aus der Natur der Kräfte, die zwischen den Bausteinen herrschen. Zukünftige selbstorganisierte Materialien könnten in der Photonik (z.B. in optischen Computern), medizinischen Geräten und Sensoren Anwendung finden und werden die Genauigkeit und Zuverlässigkeit biologischer Selbstorganisation benötigen. In den vergangenen Jahren wurden viele neuartige mikroskopische Bausteine, sogenannte Kolloide, entwickelt. Einige dieser Module weisen "Flecken" auf, wodurch sie nicht in alle Richtungen gleich reagieren - vergleichbar mit Lego-Steinen. Diese Art von Modul nennen Wissenschaftler "Patchy Colloids". Die Herausforderung besteht darin herauszufinden, wie diese Bausteine interagieren, um sie so zusammenzufügen, dass der gewünschte Aufbau entsteht. In diesem Projekt werden wir eine alltäglich Art gerichteter Interaktion untersuchen, die bisher wenig Aufmerksamkeit erfahren hat: Das Zusammenspiel heterogen geladener Partikel. Diese Interaktionen führen zu vielfältigem Verhalten, das nicht nur von der Richtung der Anziehung abhängig ist: auch die Abstoßung verhält sich anisotrop. Tatsächlich haben geladene Gebiete auf der Partikeloberfläche anziehende und abstoßende Gegenstücke: eine Besonderheit die dazu führt, dass sich diese Interaktionen als entscheidend für die völlige Kontrolle über den Selbstorganisationsprozess neuartiger Materialien erweisen könnten. Um den Gegensatz zu "normalen" sich anziehenden Patches hervorzuheben, werden heterogen geladene Partikel auch "Inverse Patchy Colloids" (IPC's) genannt. In Computersimulationen hat sich gezeigt, dass diese IPC's ein vielfältiges Assemblyverhalten an den Tag legen, das zu neuartigen Strukturen führt. Diese können entweder flach oder voluminös sein. Dieses Projekt hat einerseits die Produktion von Partikeln mit einer kontrollierten Anzahl von Patches an der Oberfläche zum Ziel und andererseits die theoretischen und experimentellen Untersuchungen ihrer kollektiven Selbstorganisation. Um diese Ziele zu erreichen, arbeiten drei Partner mit komplementärem Fachwissen zusammen und bilden das französisch-österreichische HotCHpot Konsortium. Gemeinsam werden Patchy Colloids in einem weiten Größenbereich produziert, charakterisiert und für experimentelle Interaktionsstudien verwendet. Der weit gestreute Größenbereich erlaubt die Anwendung sehr unterschiedlicher und komplementärer Techniken für die Charakterisierung des Selbstorganisationsverhaltens. Die experimentellen Daten werden mittels Computersimulation verglichen.

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