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Bakterielle Sensoren mit genetisch programmierten Schaltkreisen erkennen Umweltschadstoffe wie Antibiotika mit hoher Selektivität und Sensitivität. Sie eignen sich für die effiziente Überwachung großer Flächen oder abgeschiedener Gebiete, weil die Bakterien keine elektrischen Energiequellen oder Wartung benötigen und ein einfacher Biofilm alle Elemente zur Detektion enthält. Diese hochattraktiven, nachwachsenden Sensoren werden heute oft deshalb nicht genutzt, weil die Auswertung bakterieller Sensor-Antworten aufwändige Infrastruktur erfordert, die im Feld nicht verfügbar ist. Andererseits wurden in den letzten Jahren hybride Sensor-Materialien für die Umweltanalytik auf Basis von Nanoplasmonik und Photolumineszenz (PL) entwickelt. Ihre optischen Eigenschaften hängen von der Konzentration bestimmter Analyten ab. Sie lassen sich effizient mit Laserdioden anregen und mit einfachen CCD-Kameras auswerten. Sensor-Materialien auf Basis anorganischer Materialien und Polymere sind robust und können z.B. von Drohnen ausgelesen werden. Sie reagieren aber weniger spezifisch und empfindlich als etablierte elektrochemische oder chromatographische Verfahren, was ihre Einsatzbereiche beschränkt. In diesem Projekt verbinden wir bakterielle Sensorik mit Plasmonenresonanz und Photonen-Hochkonversion in lebendigen Sensor-Materialien (ELM). Wir koppeln die Empfindlichkeit und Spezifizität der Bakterien mit der Robustheit und Intensität optisch aktiver Partikel. Zentrales Bindeglied ist das Enzym Goldreduktase GoIR, das vor kurzen erstmals in Bakterien beschrieben wurde. In dem Projekt stellen wir E. coli-Zellen her, die nur dann GoIR bilden, wenn die Bakterien Schadstoffe wie Tetrazykline oder Arsen detektieren. Ein Biofilm dieser Bakterien wird dann in einem Mehrschicht-ELM integriert. Wenn der Analyt den Biofilm erreicht, reduziert GoIR einen Gold-Komplex und bildet Nanopartikel mit starker Oberflächenplasmonenresonanz im Bakterium. Durch gezielt eingestellte Entmischung und Agglomeration der Partikel erreichen wir die Bildung resonanter plasmonischer Überstrukturen, welche die optische Dichte des bakteriellen Mikrofilms drastisch erhöhen. Damit wird die Emission eines photolumineszenten Films beim Auslesen moduliert und ein starkes PL-Signal erzeugt, das von der Konzentration des detektierten Analyten abhängt. Durch ratiometrische Auswertung der Emission bei zwei Wellenlängen können wir so die Gegenwart des Analyten schnell und aus Entfernung ermitteln. Der im Projekt verfolgte Ansatz ist modular, weil die für die Detektion verantwortlichen genetischen Schaltkreise unabhängig vom optischen System ausgetauscht werden können. Die Ergebnisse schaffen nicht nur einen Hybrid aus Bio- und plasmonischem Sensor. Sie lassen sich in anderen Projekten des SPP einsetzen, um den Zustand anderer ELM anzuzeigen.
Die pflanzliche Photosynthese ist der zentrale Mechanismus in der Natur, Sonnenenergie in chemische Energie umzuwandeln. Darum wird die mikrobielle Photokatalyse als effiziente und nachhaltige Alternative für derzeitige chemische Prozesse angesehen. Während herkömmliche Photobioreaktoren mit Suspensionkulturen durch geringe Zelldichten begrenzt sind, könnten Biofilme als selbstimmobilisierte Mikroben mit hohe Zelldichte dieses Problem überwinden. Jedoch stellen hohe Zelldichte und Stabilität gegenüber variierenden Umweltbedingungen, wie Strahlung und Temperatur, eine Herausforderung für stabile katalytische Produktionsprozesse dar. Das Projekt zielt darauf, das Prinzip von Pflanzenblättern mit Selbstregulation und stabiler Unterhaltung der Photosynthesemaschinerie zu adaptieren. Mit Hilfe gentechnisch modifizierter phototropher Biofilme, die in einem porösen Zellkulturträger mit hoher Zelldichte wachsen, wobei dieses Material mit einer responsiven Hydrogelschicht an der Gas-Flüssig-Grenzfläche ausgestattet ist, soll eine stabile biokatalytische Aktivität für die chemische Produktion realisiert werden. Die pH- oder Temperatur (T)-responsiven Hydrogelschichten werden auf den Aktivitätszustand der mikrobiellen Konsortien innerhalb des porösen Materials reagieren und so eine Selbstkontrolle der katalytischen Aktivität durch Steuerung der Gaspermeation ermöglichen, ähnlich wie Pflanzenblattoberflächen. Das Konzept eines "mikrobiellen Blatts" wird umgesetzt auf Basis unserer Expertise zu mikrobiellen Konsortien für die chemische Produktion (z.B. Synechocystis, Pseudomonas) und der Entwicklung von Zellkulturträgern, einschließlich der Synthese von pH- und T-responsiven Hydrogelen, um eine selbstkontrollierte Aktivität eines lebenden katalytischen Materials (LCM) zu zeigen. In unserer Fallstudie werden wir die Leistungsfähigkeit von mikrobiellen Biofilmen in porösen Polymermaterialien für die katalytische Umwandlung von Cyclohexan in ?-Caprolacton oder Adipinsäure als Vorstufen der industriellen Polymersynthese untersuchen. Es soll gezeigt werden, dass Schwach- und Starklichtzustände, ähnlich dem Tag-Nacht-Zyklus, die Mikroumgebung der LCM so beeinflussen, dass dies zu gequollenen und kollabierten Zuständen der pH-responsiven Hydrogelschicht führt. Diese responsive Hydrogelschicht wird durch elektronenstrahlinitiierte Polymerisation von N-Isopropylamid- und Acrylsäuremonomeren mit einer Anpassung der Phasenübergangsbereichen synthetisiert. Die unterschiedlichen Quellungszustände und physikochemischen Eigenschaften der Hydrogelschicht, die durch die Aktivität der Biofilme ausgelöst werden, steuern den Zufluss von Cyclohexan für die katalytische Reaktion der adaptiven LCM, wodurch eine optimale Leistungsfähigkeit bei variierenden Lichtverhältnissen ermöglicht wird. In Zukunft werden unsere Erkenntnisse das Potential des Mikrobiellen-Blatt-Konzepts ausschöpfen lassen und selbststabilisierte biotechnologische Prozesse mit breiter Anwendbarkeit ermöglichen.
Stimulus-responsive kolloidale Systeme und elastomere Opalfilme auf Basis reizbarer polymerer Kern-Schale-Architekturen haben im letzten Jahrzehnt bei ForscherInnen ein großes Interesse als optische Sensoren oder schaltbare Membranen geweckt. Das Zusammenspiel der optischen Eigenschaften solcher Materialien mit externen Reizen stand dabei im Mittelpunkt der Aktivitäten. Mögliche Stimuli sind z.B. die Temperatur, die Ionenstärke, Licht, das Anlegen eines elektrischen Feldes oder einer mechanischen Belastung. Die Interaktion solcher interessanten Architekturen wurde bisher nicht in Bezug auf lebende Materie oder Organismen und ihre Veränderungen in der Umgebung untersucht, um diese optischen Eigenschaften (gezielt) zu beeinflussen. Dies würde es ermöglichen, ein direktes optisches und hochempfindliches Antwortsignal für Bakterien zu erzeugen, z.B. in Form von probiotischen Wundfolien, die die Brauchbarkeit der Folie mit den Zellen anzeigen (bspw. durch Erreichen des gewünschten pH-Wertes oder ein Farbänderung aufgrund schlechter Qualität während der Anwendung). Ein Ansatz, der hier im Zuge des Projektes verfolgt werden soll, basiert auf Laktobazillen- oder Glukoseoxidase-induzierte H2O2-Detektion mit redox-responsiven Anteilen von Stimuli-responsiven Polymeren. Im Rahmen dieses Projekts werden wir gemeinsam an der Herstellung von Funktionspolymeren und adaptiven Materialien mit der Formulierung verschiedener Bakterien arbeiten und diese kombinieren, um eine neue Generation von Sensorsystemen auf der Grundlage lebender Materialien zu entwickeln. Stimuli-responsive weiche Partikelarchitekturen mit einer biokompatiblen Hülle werden für die Immobilisierung und Gerüstbildung von Bakterien entwickelt. Die partikelbasierten Materialien können durch Mikroextrusion verarbeitet werden, gefolgt von einer Opalfilmherstellung durch die Anwendung des Schmelz-Scher-Verfahren, einer Heißkantenverarbeitung oder durch den sogenannten Bending-Induced-Oscillatory Shearing-Prozess (BIOS). Auf diese Weise wird ein kolloidales Kristallgitter gebildet, das von einer elastomeren Schalenmatrix umgeben ist, was zu schillernden Reflexionsfarben gemäß dem Braggschen Beugungsgesetz führt. Die Bakterien werden in das Weichschalenmaterial eingebracht und entweder vor der Verarbeitung, während der milden Mikroextrusion, während der Filmbildung oder in einem Nachbearbeitungsschritt hinzugefügt, wodurch ein auf Bakterien reagierender, freistehender Opalfilm entsteht. Die Bakterien oder SporoBeads werden aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, den pH-Wert oder Redox-Potentiale (H2O2-Produktion, Glukose-Oxidase) in ihrer lokalen Umgebung zu verändern, um eine direkte Kommunikation mit der Opalstruktur zu ermöglichen, was unmittelbar zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften führt.
In diesem Projekt bündeln wir das Fachwissen der Gruppen Altintas (Materialwissenschaften, Biosensoren und 3D-Druck), Adrian (Metalloproteomik, Redoxenzyme, Organohalidatmung und Bioremediation) und Budisa (Synthetische Biologie und Xenobiologie). Unser Ziel ist die Entwicklung einer Plattformtechnologie für die Herstellung von "Engineered Living Materials with Adaptive Functions" (ELM) im Bereich der Sensortechnologie und Biokatalyse. Das Hauptziel im Bereich der Materialien ist die Etablierung eines innovativen Laserstrukturierungsverfahrens zur Herstellung von porösen leitfähigen Hydrogelen (PCH), das sowohl schnell als auch biokompatibel ist. Mit diesem Verfahren sollen durch lasergeschriebene Phasentrennung (LSPS) biologisch abbaubare, umweltstabile PCH hergestellt werden, die auch als Elektrodenmaterialien für die Anlagerung von Bakterien dienen und die Effizienz des Elektronentransfers verbessern. Die LSPS wird die Massenproduktion von PCH-basierten Elektrodenmaterialien erleichtern, indem sie mehrere Herstellungsprozesse in eine einzige Elektrodenvorbereitungsphase integriert. Das Hauptziel im Bereich der Biologie ist die Entwicklung von Zellen, die redoxaktive Metalloproteine auf der Zelloberfläche exprimieren und die Verbindung dieser redoxaktiven Metalloproteine über einen leitfähigen Linker mit der Materialoberfläche durch Click-Chemie. Dazu werden wir zuvor generierte E. coli-Zellen verwenden, die in der Lage sind, die nicht-kanonische Aminosäure L Azidohomoalanin zu synthetisieren und diese Aminosäure an der Position eines refunktionierten Stop-Codons einzubauen. Auf diese Weise können wir die Position definieren, an der ein Protein mit einer Oberfläche verbunden ist. In einem gemeinsamen Ansatz werden wir die entwickelten leitfähigen PCH, die Alkinreste für die Click-Chemie enthalten, mit den mikrobiellen Zellen zusammenbringen, die das reaktiven L-Azidohomoalanin an definierten Positionen auf der Oberfläche enthalten. Unser Ziel ist es, eine enge, elektronenleitende Bindung zu erreichen. Auf diese Weise wollen wir ein druckbares 3D-Material mit leitfähigen Adaptern für elektroaktive mikrobielle Zellen entwickeln. Die Zellen werden über das leitfähige Material durch den Elektronenfluss gesteuert und können mit Wachstum und Expression spezifischer Enzyme reagieren. Die Substratkonzentration und der Substratumsatz können gemessen werden. Der Anwendungsbereich ist breit gefächert, wir konzentrieren uns jedoch auf Anwendungen im Bereich der Umweltbiotechnologie.
Dieser Antrag befasst sich mit der Entwicklung künstlicher lebender therapeutischer Materialien (ELTMs), die aus einer Hydrogelmatrix bestehen, in die mikrobielle Biofabriken eingebaut sind, die therapeutische Wirkstoffe produzieren und freisetzen. Ein besonderer Schwerpunkt ist es, diese ELTMs kraftempfindlich zu machen, was es ermöglicht, diese Systeme durch Ultraschall als externen Auslöser mit klinischer Relevanz zu steuern und adaptive Architekturen zu erreichen, bei denen die Wirtsmatrix und die bakteriellen Gäste autonom interagieren, um ihre Funktion zu steuern. Im ersten Teil des Antrags ist es unser Ziel, verschiedene synthetische Systeme zu konstruieren und zu charakterisieren, einschließlich Hydrogelen, Mikrogelen, Mikrotröpfchen und Kombinationen davon mit eingebauten mechano- und sonoresponsiven Einheiten, die aus wohldefinierten kovalenten bzw. nicht-kovalenten Wechselwirkungen aufgebaut sind. Die Spaltung der Disulfid- und Thrombin/Hirudin-Mechanophore innerhalb des Polymernetzwerks führt zu einer Lockerung der Hydrogel-Matrizen bei Anwendung von mechanischer Kraft und Ultraschall und dürfte die eingekapselten Biofabriken einer neuen mechanischen Mikroumgebung aussetzen, wodurch ihr Wachstum und die anschließende Freisetzung von Metaboliten oder Therapeutika beeinflusst werden. Dieser Ansatz ermöglicht die Manipulation der lebenden Komponenten durch kontrolliertes Engineering der nicht lebenden Hydrogel-Matrix. Im zweiten Teil des Antrags sehen wir die Entwicklung von Kaskadensystemen vor, bei denen die Ultraschallexposition und die daraus resultierenden Kräfte die Freisetzung von kleinen Molekülen auslösen. Das freigesetzte Molekül steuert dann die bakterielle Funktion mit Hilfe von in den Bakterien kodierten Riboschaltern. Außerdem wollen wir die Funktionalität von synthetischen Materialien mit lebender Materie verbessern. Um dies zu erreichen, werden Matrizen mit einem Schermodul von 10-20 kPa als Wirt für Bakterien verwendet. Der von den wachsenden Bakterienkolonien auf das Polymernetzwerk ausgeübte Stress (in der Regel ~ 10 kPa) soll die Freisetzung inkorporierter Signalmoleküle bewirken, die wiederum das Verhalten der Bakterien in Bezug auf ihre Zellpopulation sowie die Produktion und Freisetzung von Bioaktivstoffen steuern. Dieser Antrag zielt also darauf ab, grundlegende Konzepte der Mechanobiologie und -chemie zu nutzen, um extern und intern schaltbare Systeme zu generieren, die schließlich die Entwicklung adaptiver ELTMs ermöglichen.
Im SPP 2451 werden Material- und Biotechnikingenieure zusammenarbeiten, um das Potenzial der synergistischen Integration von nicht-lebenden und lebenden Komponenten in neuen Materialien zu erschließen. Durch interdisziplinäre Zusammenarbeit wird diese multidisziplinäre Gemeinschaft dazu beitragen (i) das grundlegende Verständnis bezüglich der Anforderungen für eine funktionale Verbindung von nicht-lebenden Materialien mit lebenden Komponenten zu erlangen und (ii) das Potenzial adaptiver lebender Materialien zur Vereinigung von Technologie- und Nachhaltigkeitsanforderungen in zukünftigen materialbasierten Technologien in Laborprototypen zu demonstrieren. Das Koordinationsprojekt des SPP wird zur Vernetzung, Zusammenarbeit und Sichtbarkeit des SPP-Themas und der Wissenschaftsgemeinschaft beitragen, indem es SPP-Treffen und Konferenzen organisiert. Es wird auch zur Organisation spezialisierter Schulungen und zur beruflichen Entwicklung von 30 Nachwuchswissenschaftlern auf Promotions- und Postdoc-Ebene beitragen und ihr Netzwerk in der Wissenschafts-Community stärken. Das Koordinationsprojekt wird sich auch mit drei ELM-spezifischen Themen von zentraler Bedeutung für die SPP-Gemeinschaft befassen: (i) die Ausarbeitung von Dokumentations-, Berichts- und Datenmanagementstandards, die die Bereitstellung von FAIR-Daten für die Entwicklung von ELMs im SPP erleichtern können; (ii) die Förderung der Diskussion über Umweltsicherheitsaspekte von ELMs; (iii) die Verbreitung von Informationen über ELMs, um Akzeptanz für sichere, auf ELMs basierende Technologien in der Industrie und der Gesellschaft zu gewinnen. Das SPP bietet eine Gelegenheit, diese Fragen bereits in dem sehr frühen Entwicklungsstadium der lebenden Materialien anzugehen. Diese vorteilhafte Position wird dem SPP erhebliche Sichtbarkeit verschaffen und seine Auswirkungen weltweit verstärken.
Strukturierte, multizelluläre Engineered Living Materials (ELMs) sind nicht nur für die Schaffung responsiver und anpassungsfähiger ELMs, sondern auch für die Schaffung multizellulärer Gebilde wie Gewebe von wesentlicher Bedeutung. In solchen ELMs können Polymere als synthetische, maßgeschneiderte extrazelluläre Matrix fungieren, die das zellhaltige Material mechanisch stützt und die Zelladhäsion und verschiedene andere Funktionen initiiert und/oder aufrechterhält. Dabei bieten die Polymere zwischen den Zellen die Möglichkeit, diese ELMs auf Stimuli reagieren zu lassen. Um multizelluläre, responsive, strukturierte und rekonfigurierbare Gebilde zu erreichen, schlagen wir vor, ELMs auf der Grundlage von Zellen zu entwickeln, die synthetische, stimuliresponsive Polymere auf ihrer Oberfläche selbst synthetisieren können. Die Polymere werden von der Zelloberfläche synthetisiert werden und wirken als selektives und reversibles Gerüst, um die Zell-Material-Zell-Adhäsion zu vermitteln. Sie fungieren somit als stimuli-responsives synthetisches Analogon einer extrazellulären Matrix. Damit ermöglich unser Ansatz die Synthese und Abscheidung eines sehr dünnen synthetischen extrazellulären Matrixanalogs auf Einzelzellebene und führt damit eine neue Methode zur Kontrolle der zellulären Selbstorganisation bei der 3D-Gewebebildung ein. Darüber hinaus überwindet unser Ansatz auch die derzeitigen Einschränkungen, die sich während der kontrollierten Anordnung verschiedener menschlicher Zelltypen in unmittelbarer Nähe zueinander ergeben, die sich andernfalls in 3D-Kulturen spontan entmischen würden. Im Gegensatz zu natürlichen extrazellulären Matrizen können die Polymereigenschaften, wie z. B. die Polarität und die Zelladhäsion, durch Temperatur und Licht verändert werden. Beim Wechsel von einem hydrophoben zu einem hydrophileren Polymer werden die Wechselwirkungen zwischen den polymerumhüllten Zellen schwach, so dass sich die Zellen zu jeder neuen multizellulären Form neu anordnen können. Darüber hinaus können die Zellen im Zustand schwacher Polymer-Polymer-Wechselwirkungen in ein Wachstumsmedium resuspendiert werden, was ein weiteres Wachstum der Biomasse unter optimalen Sauerstoff- und Nährstoffbedingungen ermöglicht, ohne durch den Massentransfer in einem ELM eingeschränkt zu werden. Nach dem Zellwachstum folgt ein weiterer Polymerisationsschritt, um die neu gebildeten Zellen in die stimuliresponsiven Polymere einzukapseln. Schließlich wird ein weiterer Aggregations- und Formgebungsschritt die Herstellung eines lebenden Materials mit einer neuen Form und einer höheren Masse als das Ausgangsmaterial ermöglichen. Somit wird das vorgeschlagene Projekt die Tür zu rekonfigurierbaren, selbstsynthetisierenden Zell-Polymer-Hybriden öffnen und damit neue Konzepte für die Gestaltung, das Wachstum und die Herstellung von adaptiven ELMs und Gewebe-Mimetika mit verbessertem zellulärem Überleben und multizellulärer räumlicher Anordnung einführen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 7 |
| Wissenschaft | 2 |
| Type | Count |
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| Förderprogramm | 7 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 7 |
| Language | Count |
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| Deutsch | 7 |
| Englisch | 7 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Webseite | 7 |
| Topic | Count |
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| Lebewesen und Lebensräume | 6 |
| Luft | 2 |
| Mensch und Umwelt | 7 |
| Weitere | 7 |