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Mikrobielle Granula und Biofilm-Aggregate als Medien zur Übertragung spezieller metabolischer Eigenschaften in heterogene Mischkulturen

Bakterien mit speziellen strukturbildenden oder metabolischen Fähigkeiten (z.B. Flockenbildner, Nitrifikanten, CKW-Abbauer) werden in Bioaggregaten (Granula, Biofilme) angereichert und dann in Reaktoren zur biologischen Abwasserreinigung eingemischt. Durch Übertragung der neuen Fähigkeiten in die autochtone Lebensgemeinschaft (Bioaugmentation) soll die Einarbeitung des biologischen Systems und dessen Anpassung an geänderte Prozessbedingungn beschleunigt werden. Bedeutungsvoll ist ein solcher steuernder Eingriff dann, wenn die benötigten Bakterienarten sich nur sehr langsam vermehren (z.B. Nitrifikanten; Bio-P Bakterien), beim Anfahren einer Belebungs- oder Biofilmanlage, bei Regeneration der Anlage nach einem Unfall, wenn Abwässer mit ungewöhnlicher Zusammensetzung zu reinigen sind (z.B. spezielle Prozessabwässer aus der Industrie) oder Abwässer mit stark wechselnder Fracht und Zusammensetzung (z.B. Abwasser aus Firmen mit Kampagnenbetrieb, Abwasser aus touristischen Objekten). Es wird zunächst darum gehen, spezielle Anreicherungskulturen in Granula-Form heranzuzüchten. Nach Zudosieren der Granula in eine Modell-Belebungsanlage soll beobachtet werden, wie sich die Granula im System verhalten, ob sich die mit den Granula importierten Arten in der Mischkultur verbreiten, bzw. ob es durch Gentransfer zu einer Verbreitung der speziellen Fähigkeiten kommt.

Bioraffinerien: 'Biotechnologische Synthese von Lignin-Monomeren als Ausgangsmaterialien für formaldehyd-freie Polymere'

Im Rahmen dieses Projektes soll die biotechnologische Synthese von Verbindungen realisiert werden, die formaldehyd-haltige Bindemittel ersetzen können. Zur Umsetzung der Projektziele sollen in einen gut etablierten Produktionsstamm oder alternativ in das genetisch gut zugängliche Bakterium E. coli, pflanzliche Gene eingefügt werden, um aus Vorstufen die Zielprodukte synthetisieren zu können. Die intrazelluläre Konzentration zentraler Metaboliten soll gemessen und Maßnahmen zur Optimierung der Produktausbeute vorgenommen werden (Deletion oder Überexpression von Genen des Zentralmetabolismus). Dadurch sollen die Grundlagen für weitere Arbeiten gelegt werden, in denen die Produktion des Zielprodukts und verwandter Moleküle optimiert wird (etwa mittels Metabolic Engineering).

Modelle für genetische Variabilität und die Evolution von Antibiotikaresistenzen in der aquatischen Umwelt

Der horizontale Gentransfer (HGT) zwischen Bakterien gilt als einer der wesentlichen Mechanismen für die Verbreitung von Antibiotikaresistenzgenen. Das Ziel des Projektes ist es diesen Pfad der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen in Abwassersystemen zu evaluieren. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden auf aquatische Ökosysteme, welche von Abwässern beeinflusst sind extrapoliert. Hierzu werden Mikro- und Mesokosmenversuche durchgeführt, welche Abwassersysteme nachempfinden. Die Experimente werden mit innovativen molekularen Methoden untersucht und durch zwei anspruchsvolle Modellieransätze ergänzt. Der erste Ansatz ist ein Gujer matrix basiertes Belebtschlammmodell. Der Zweite ist ein Individuen basiertes Model, welches den HGT im Biofilm beschreibt. Diese Modelle werden uns helfen ein tieferes Prozessverständnis zu erlangen und erlauben Vorhersagen bezüglich der Dynamiken gefährlicher genetischer Veränderungen in der Umwelt. Insbesondere testen wir die Hypothese, dass genetisch veränderte Bakterien (aus klinischer Herkunft) und Antibiotika den HGT katalysieren und dass bestimmte Umweltfaktoren solche genetischen Modifikationen begünstigen. Weiterhin werden wir testen wie diese Umweltfaktoren den HGT in einfachen Laborkläranlagensystemen reduzieren. Da sich die beteiligten Projektpartner gemeinsam auf diese Hypothesen fokussieren, werden die vorhandenen Kompetenzen hinsichtlich der Prozessanalysen genetischer Veränderungen in der Umwelt vertieft und gestärkt. Daraus wird ein konkurrenzfähiges Konsortium an der Technischen Universität Dresden geformt, welches sich mit einer zweifellos wesentlichen wissenschaftlichen Fragestellung unserer Zukunft beschäftigt.

Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoff-Produktion: von molekularen zu Massenfermentationssystemen^Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoff-Produktion: von molekularen zu Massenfermentationssystemen^Einsatz von Sauerstoff-toleranten Hydrogenasen für die lichtgetriebene Wasserstoffproduktion^Design und Synthese redox-aktiver linker für die effiziente Kopplung von Photosystem und Hydrogenase^Synchrotronspektroskopie zur Optimierung katalytischer Zentren und Funktion/Effizienz im zellulären System, Geometrische und elektronische Struktur von (NiFe)- und (FeFe)-Hydrogenasen: H2-Produktivität und O2-Toleranz

Teilprojekt 2: Numerische und praktische Dosimetrie; Dosimetrie für die interne und externe Bestrahlung von Zellkulturen und Versuchstieren^Schädigungspotential von Radionukliden^Einfluss von EGFR-gerichteten Radionuklid-markierten Substanzen auf die Signaltransduktion nach externer Bestrahlung^Einfluss von EGFR-gerichteten Radionucleotid-markierten Substanzen auf die Signaltransduktion nach externer Bestrahlung^Teilprojekt 3: Zytotoxoizität nach kombinierter interner u. externer Bestrahlung in vitro. Teilprojekt 7 Kombinierte interne u. externe Bestrahlung von Tumoren; PhD Programm. Teilprojekt 8 Wirkung einer internen o. kombinierten internen u. externen Bestrahlungsart auf Normalgewebe, Modifikation der molekularen Umgebung von Radionukliden und Bildgebung der Radionuklid-markierten Substanz - Target Interaktion im Tiermodell

Untersuchung von Einflussfaktoren auf den horizontalen Gentransfer in die bakterielle Endophytenflora von Forstgehölzen im Hinblick auf die Vermeidung des Eintrags replikationsfähiger rekombinanter DNA in die Umwelt

Ziel des Projektes ist es, Bedingungen zu charakterisieren, unter denen sich rekombinante Bakterien in der Endophytenmikroflora etablieren und Transferereignisse stattfinden können. Darüber hinaus richtet sich ein zweiter Schwerpunkt auf die Untersuchung des Austrags replikationsfähiger DNA in die Umwelt. Im Ergebnis der Analysen sowie in Auswertung vorhandener Daten zur Endophytenbesiedlung von in vitro Kulturen sollen schlussfolgernd Empfehlungen zur Minimierung des Endophytenbesatzes und des Risikos eines unerwünschten Gentransfers abgeleitet werden.

Verbrauchs- und Resistenzatlas Deutschland (GERMAP)

Die in den letzten Jahren beobachtete Zunahme erworbener Resistenzen von Bakterien gegen in der Human- und Veterinärmedizin eingesetzte Antibiotika geht auf Mutationen des bakteriellen Erbguts in Verbindung mit einem hohen, durch den Einsatz von Antibiotika verursachten Selektionsdruck sowie der Fähigkeit von Bakterien, Resistenzgene auszutauschen, zurück. Um Zusammenhänge zwischen dem Antibiotikaverbrauch und zur Verbreitung von Antibiotikaresistenzen zu verstehen, ist es notwendig, die verfügbaren Daten aus der Human- sowie der Veterinärmedizin zu erfassen und gegenüberzustellen. Ziel der Forschungsaktivität ist die Erstellung einer aktuellen Version eines Deutschlandatlas, der diese Daten differenziert darstellt und analysiert. Dieser Bericht wird auf Initiative des Bundesamts für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL), der Paul-Ehrlich-Gesellschaft für Chemotherapie e.V. (PEG) und der Infektiologie Freiburg (if) erstellt und soll regelmäßig aktualisiert werden.

Teilprojekt: Modellierung des Genflusses bei Pappel in einer realen Landschaft^Biologische Sicherheit nutzbarer transgener Gehölze^Einfluss von Transgenen auf Pflanzen-assoziierte Mikroorganismen und Nutzung von systemisch erworbenem Silencing zur Verhinderung einer Auskreuzung bei Apfel, Teilprojekt: Untersuchung der Möglichkeit eines horizontalen Gentransfers von zur Transformation benutzten Agrobakterien auf endophytische Bakterien in Pappel

Es soll untersucht werden, ob bei der Erzeugung gentechnisch veränderter Pappeln durch Transformation mit Agrobacterium tumefaciens ein Risiko des horizontalen Gentransfers transgener DNA auf die in den Pflanzen enthaltenen (endophytischen) Bakterien besteht. Daneben soll geprüft werden, ob und wie lange die verwendeten Agrobakterien in den transgenen Pappeln persistieren können. Die in vielen Gehölzen nachgewiesenen endophytischen Bakterien sollen isoliert, morphologisch/physiologisch charakterisiert und mit genetischen Methoden identifiziert werden. Für einzelne Gruppen endophytischer Bakterien wird eine mögliche Übertragung der transgenen DNA von den Agrobakterien über den Prozess der Konjugation in vitro überprüft. Ebenfalls wird die Möglichkeit dieses horizontalen Gentransfers nach der Transformation von Pappeln untersucht. Die Analyse der gentechnisch veränderten Pappeln erfolgt zu unterschiedlichen Zeiten nach der Transformation und in transgenen Pappeln, die bereits vor Jahren transformiert wurden. Im Ergebnis des Projekts soll die Wahrscheinlichkeit eines Gentransfers von transgener DNA auf die endophytische Mikroflora am Modellorganismus Pappel abgeschätzt werden.

Untersuchung des horizontalen Gentransfers in die bakterielle Endophytenmikroflora von Forstgehölzen und Abschätzung einer möglichen Ausbreitung transgener DNA in die Umwelt

Im Projekt soll die ökologische Relevanz eines horizontalen Gentransfers innerhalb der endophytischen Mikroflora von Forstgehölzen untersucht und bewertet werden. Hierzu wird in einem Modellsystem mit Pappel-Stecklingen/Jungpflanzen ein Gentransfer über die bakterielle Konjugation in die Endophytenmikroflora induziert. Der Gentransfer erfolgt durch ein rekombinantes Plasmid mit einem geeigneten Reportergen, das in vitro in einen Agrobakterien- und einen endophytischen Bakterienstamm eingebracht wurde. Es wird geprüft, inwieweit sich das rekombinante Plasmid in der Endophytenmikroflora etablieren kann. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Abschätzung des Entlassens des rekombinanten Plasmids aus der Endophytenmikroflora der Pappel in verschiedene Umweltmedien (Boden und zersetztes Pflanzenmaterial).

Bioaugmentation in Anlagen zur biologischen Abwasserreinigung: Eintrag und Stabilität von neuer genetischer Information durch Konjugation als Mittel zur Bioaugmentation von Bioaggregaten

Ziel des Projekts ist es, die bisher gewonnenen Erkenntnisse über Gentransfer in Modellbiofilmen auf natürliche abwasserbürtige Biofilme auszuweiten. Dabei wird ein Lasermikroskop-gestütztes Verfahren zur automatisierten Auswertung großer Bilddatenmengen eingesetzt, um die beeinflussenden Faktoren auf Einzelzellebene bzw. in Zell-Clustern zu erforschen. Zu diesem Zweck sollen Plasmide genetisch mit fluoreszierenden Proteinen markiert werden, um die mikroskopische Detektion von Gentransfer auf Einzelzellebene zu ermöglichen. Durch Verwendung eines zweifach markierten Donoron, der auch das Gen für ein fluoreszierendes Protein im Chromosom trägt, können Donor- und Rezipientenzellen in lebenden Biofilmen unterschieden werden. Es sollen zeit- und raumaufgelöste Studien durchgeführt werden, um den Einfluss von selektivem Druck in Form von Xenobioica auf die Häufigkeit des Transfers und die Stabilität der veränderten Zellen zu untersuchen. Besonders wichtig ist die Frage, welche Art von Plasmid in welchen Organismen exprimiert und weitervererbt wird. Die gewonnenen Erkenntnisse geben Aufschluss darüber, wie metabolische Fähigkeiten optimal in Reaktoren etabliert werden können, ohne auf die Lebensfähigkeit der eingebrachten Donoren angewiesen zu sein.

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