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.
In diesem Projekt schlagen wir eine experimentelle und theoretische Zusammenarbeit vor, um lebende Aktuatoren aus gleitenden, fädigen Cyanobakterien zu entwickeln. Diese phototrophen Organismen spielen sowohl aktuell als auch historisch eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde, da sie beispielsweise den atmosphärischen Sauerstoff und große Teile unserer fossilen Brennstoffe erzeugten. Filamente bestehen aus vielen linear verketteten Zellen. Sie haben einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern, können aber bis zu einigen Millimetern lang werden. In Kontakt mit festen Oberflächen oder anderen Fäden gleiten sie entlang ihrer Kontur und reagieren auf Lichtgradienten durch Richtungsumkehr. Die zu Grunde liegenden Mechanismen sind noch nicht vollständig geklärt. In natürlichen Lebensräumen führt diese Bewegung zur Aggregation in dichte Kolonien, die sich je nach Umgebungsbedingungen zusammenziehen oder wieder zerstreuen können, was eine kollektive Akklimatisierung ermöglicht. Wir werden diese Eigenschaften nutzen, um anpassungsfähige lebende Aktuatoren zu entwickeln, d. h. ein Material, das durch Stimulation mit Licht seine Form verändern kann. Die Bakterien werden in eine Matrix eingebettet, typischerweise ein gel- oder faserbasiertes Material mit maßgeschneiderten Eigenschaften und Strukturen, die im Projekt entwickelt werden. Indem wir die Bakterien mit Hilfe von Lichtmustern steuern und ausrichten, wollen wir ein aktives Netzwerk im Gerüst aufbauen, das sich bei Stimulation zusammenziehen kann. Die Kräfte aus dem aktiven Netzwerk werden entweder durch Adhäsion oder mechanische Verzahnung zwischen aktiven und passiven Komponenten übertragen. Durch die Abstimmung der gegenseitigen Ausrichtung von aktiven und passiven Netzen und ihrer Anisotropie wollen wir eine Kontrolle der Deformation erreichen. Auf langen Zeitskalen wird das Material adaptiv sein, da langfristige einwirkende Lichtmuster eine topologische Neuordnung des aktiven Netzes bewirken, so dass zwischen verschiedenen Aktuationsmodi gewechselt werden kann. Die Entwicklung von Manipulationsstrategien, die in der Lage sind, mechanische Arbeit zu extrahieren, erfordert Kenntniss der raum-zeitlichen Organisation der Krafterzeugung einzelner Filamente und ihrer Ensembles, welche bisher nicht verfügbar ist und in diesem Projekt gewonnen werden soll. Im Gegensatz zu den meisten bisher untersuchten lebenden Aktuatoren basiert unser System auf langen, flexiblen und beweglichen polymeren Bestandteilen, die äußerst robust und von Natur aus durch Licht stimulierbar sind: Die Fasernatur der lebenden Bestandteile ermöglicht es, stark verflochtene Netzwerke zu schaffen, die in einem breiten Spektrum von Umgebungsbedingungen bestehen können. Ihre Beweglichkeit und Reaktionsfähigkeit ermöglicht es, das Netzwerk selbst zu aktivieren, ohne dass die lebenden Bestandteile aufwendig modifiziert werden müssen.
Heutige biologische und einstellbare Leuchtmittel, die lebende Bausteine integrieren, sind im Wesentlichen auf Zellen beschränkt, die Biochemilumineszenz mit begrenzter Stabilität und Lichtausbeute nutzen (d. h. einige Tage bei Lichtausbeuten <5 lm/W). Tatsächlich gibt es keine Beispiele für lebende Leuchtmittel, die Photonenumwandlungssysteme zur Manipulation von Licht nutzen. Wir haben kürzlich eine neue Methode zur Herstellung lebender Farbfiltern mit Vibrio natriegens entwickelt. Dieses Bakterium weist (I) ein vielversprechendes Potenzial für die Biotechnologie mit einer außerordentlich hohen Wachstums- und Substratverbrauchsrate, (II) einen bereits sehr guten Ertrag bei der Expression hochwertiger fluoreszierender Proteine (FP) und (III) eine vielversprechende Kompatibilität mit Matrizen, die für Leuchtmittel von großem Interesse sind, auf. Tatsächlich haben vorläufige Experimente Leuchtmittel erzeugt die eine bessere Leistung aufweisen als diejenigen die mit denselben FP in Referenzmatrizen hergestellt wurden. Die aktuellen Hindernisse hängen mit dem Mangel an grundlegendem Wissen zusammen, um (I) die Expression beliebiger FP erfolgreich zu optimieren, (II) die Widerstandsfähigkeit und Kompatibilität in den Matrizen zu verbessern, (III) eine Anpassungsfähigkeit an externe Reize einzuführen und (IV) die besten Leuchtmittelarchitekturen und Betriebsarten zur Maximierung der Leuchtmittelleistung zu erstellen. Das ENABLED-Projekt wird all diese offenen Fragen bearbeiten und dabei die Disziplinen Metabolic Engineering, Synthetische Biologie, Materialwissenschaft und Biooptoelektronik miteinander verbinden. ENABLED wird insbesondere grundlegende Konstruktionsregeln für die Entwicklung von V. natriegens-Stämmen mit (I) optimierter flexibler Einzel- und Doppelemission, (II) verbesserter Widerstandsfähigkeit in Farbfiltern, um ihre Wiederverwertbarkeit nach der Verwendung in Leuchtmitteln zu ermöglichen, und (III) einer Anpassungsfähigkeit an die Temperatur in Farbfiltern, um die Zellregeneration nach der Verwendung in den Leuchtmitteln zu ermöglichen. Dies wird es uns ermöglichen, eine neue Familie von Regenbogen- und weißen Bakterien-Hybrid-Leuchtdioden einzuführen, die bislang nicht zur Verfügung stehen.
Die Herausforderungen einer nachhaltigen Entwicklung erfordern Antworten auf komplexe Umweltprobleme wie Klimawandel, Verlust an Biodiversität, Verfügbarkeit von sauberem Wasser und biobasierten Materialien für die Kreislaufwirtschaft. Die jüngsten Fortschritte bei der Entwicklung analytischer Technologien bieten vielfältige Möglichkeiten, sich diesen Problemen erfolgreich zu stellen. Diese Entwicklungen gehen jedoch mit einer hohen Spezialisierung einher und bergen die Gefahr einer starken Fragmentierung der verschiedenen Disziplinen der Umweltwissenschaften. Gleichzeitig steigen die Kosten für den Betrieb der analytischen Instrumente kontinuierlich an. Die Etablierung eines Gerätezentrums (GZ) ‘Umweltanalytik’ an der TU Dresden (TUD) soll diese starke Fragmentierung überwinden und damit die Verfügbarkeit und die Zugänglichkeit zu modernen analytischen Instrumenten für Wissenschaftler der TUD und deren externer Partner verbessern. Das angestrebte GZ umfasst sehr innovative und äußerst komplexe Gerätesysteme für die (i) Analyse stabiler Isotope zur Prozessforschung, die Nutzung (ii) spektroskopischer Verfahren zur Identifizierung molekularer Strukturen organischer Substanzen und die Nutzung (iii) der Rasterelektronenmikroskopie (Environmental Scanning Electron Microscopy) zur Erforschung von Mikro- und Nanostrukturen. Diese Kerntechnologien werden ergänzt durch eine breite Palette an unterstützenden analytischen Verfahren, womit insgesamt ein großes Potential für eine integrative Forschung in den Umweltwissenschaften besteht. Die integrative Datenanalyse wird ein weiterer Bestandteil des angestrebten GZ sein. Es wird ein Managementsystem entwickelt, das einen einfachen Zugang und eine effiziente gemeinsame und kostengünstige Nutzung aller Instrumente ermöglicht. Dies ist Voraussetzung einer tiefgreifenden Integration der Umweltwissenschaften und wird gleichzeitig zu einem fruchtbaren Austausch von Wissenschaftlern unterschiedlicher Disziplinen führen. Der Aufbau des GZ wird zu neuen Qualitätsstandards in der Umweltanalytik beitragen. Das GZ geht weit über das Angebot der Nutzung analytischer Kapazitäten hinaus. Die Nutzer werden bei der Auswahl der am besten geeignetsten Kombination analytischer Verfahren wissenschaftlich fundiert beraten. Außerdem wird eine gemeinsame integrative Auswertung bei komplexen Umweltdaten angeboten. Durch das GZ werden besonders interessierten Studenten und jungen Forschern Qualifizierungskurse angeboten. Damit wird das GZ der interdisziplinären Spitzenforschung in den Umweltwissenschaften an der TUD einen starken Impuls verleihen. Externe Partner erhalten mehr Möglichkeiten zur erfolgreichen Zusammenarbeit mit ihren Partnern an der TUD. Dies wird zur Generierung neuer Forschungsideen und deren Umsetzung in wissenschaftlichen Projekten führen. Damit wird das Gerätezentrum zu wissenschaftlich exzellenten Lösungen der komplexen Umweltprobleme beitragen, mit denen unserer Gesellschaft konfrontiert ist.
Engineered Living Materials (ELMs) werden zunehmend als die am vielversprechendste Lösung für die praktische Anwendbarkeit der synthetischen Biologie angesehen und rücken damit verstärkt in den Fokus der Forschung. Bei diesen Materialsystemen ermöglicht die Verkapselung gentechnisch veränderter Organismen die Herstellung in anwendungsgerechten Formaten, eine einfache Handhabung, die stabile Lagerung sowie den Einsatz in großem Maßstab. Von besonderer Bedeutung ist die sichere Verkapselung beim Einsatz von Bakterien als lebende Komponente, da sich diese Organismen durch hohe Wachstumsraten, geringe Größe und beispiellose Anpassungsfähigkeit auszeichnen. Bisher gibt es nur wenige Studien, die sich konkret mit der Eindämmungsfähigkeit von ELMs befassen. Bei diesen kamen mehrschichtige Materialsysteme zum Einsatz, bei denen das Wachstum der Bakterien durch eine stabile Barrierehülle physikalisch auf das Materialinnere begrenzt wurde. Dieses Konzept ist jedoch äußerst anfällig für Versagen durch Beschädigung der Hülle oder durch Herstellungsfehler, die zur Freisetzung der Bakterien führen. Eine andere Eindämmungsmöglichkeit bieten genetische Methoden, wie Auxotrophie oder Tot-Schalter. Diese Strategie wiederum ist anfällig für Versagen durch Mutationsflucht. Da die jeweiligen Nachteile der beiden Strategien voneinander unabhängig sind, besteht die Erwartung, dass sich durch Kombination die jeweiligen Probleme überwinden lassen. ContainELMs wird diese Möglichkeit systematisch auf synergistische Weise untersuchen. Dabei werden die Bakterien genau an die spezielle Mikroumgebung angepasst, die das Materialinnere bietet. Dies wird durch die Entwicklung von Überlebens-Schaltern erreicht, die das Überleben der Bakterien nur unter bestimmten, von der Umgebung verschiedenen Bedingungen ermöglicht, wie Anwesenheit eines speziellen Reagenzes, Peptids oder bei einem bestimmten pH-Wert. Auf diese Weise ist das Überleben der Bakterien innerhalb des Materials begünstigt, wodurch kein Mutationsdruck aufgebaut wird. Gleichzeitig ist die Abhängigkeit von einer unbeschädigten, physischen Barriere verringert. ContainELMs wird unter Verwendung eines Modellbakteriums, E. coli, sowie eines nicht-modellhaften Lactobacillus-Stamms entwickelt, die jeweils von Interesse für Gesundheits- und Umweltanwendungen sind. Dabei wird das ELM aus Fasern gebildet, die durch Kombination von elektrohydrodynamischem Jetting, zur Herstellung eines für die Bakterien maßgeschneiderten Innenteils, mit chemischer Gasphasenabscheidung, zur Aufbringung einer Barriereschicht, geschaffen werden. Die Leistungsfähigkeit von ContainELMs wird für die Dauer von mindestens einem Monat überprüft werden, während des simulierten Einsatzes zur biologischen Sanierung von Flusswasser. Die durch ContainELMs entwickelten Methoden und Kenntnisse sollen eine breite Verwendung dieser materialzentrierten, aktiven Eindämmungsstrategie in allen Arten von Hybrid-ELMs ermöglichen.