Derzeitige Projekte (7):

BMBF                                                                                                                                                     

Bmbf

HotAcidFACTORY – “Sulfolobus acidocaldarius as novel thermoacidophilic bio-factory” - Sulfolobus acidocaldarius als neuartige thermoacidophile Biofabrik

 


Hotacidfaktory

BMBF Förderrichtlinie “Mikrobielle Biofabriken für die industrielle Bioökonomie - Neuartige Plattformorganismen für innovative Produkte und nachhaltige Bioprozesse“

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, University Freiburg), Prof. Dr. Jörn Kalinowski, CeBiTec, University of Bielefeld), Dr. Oliver Spadiut, Vienna University of Technology, Wien; AU

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.

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Volkswagen Stiftung

    Vw-stiftung          Life
                                      

LipidDivide - “Resolving the ‘lipid divide’ by unravelling the evolution  and role of fatty acid metabolic pathways in Archaea”




2019 Volkswagen Stiftung Life? A fresh scientific Approach to the Basic Principles of life (Leben? – Ein neuer Blick der Naturwissenschaften auf die grundlegenden Prinzipien des Lebens)

Lipid-divide-pi

Gemeinschaftsantrag von (von links nach rechts) Dr. Sven Meckelmann (Angewandte Analytische Chemie, Chemie, UDE), Prof. Bettina Siebers (MEB, Biofilm Centre, UDE), Dr. Christopher Bräsen (MEB, Biofilm Centre, 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.

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DFG                                                                                                                                                 Dfg-logo

SCyCode “Unraveling the cyanobacterial carbon switch and its regulation using enzyme kinetic analyses and mathematical modelling”

DFG, Joint Research Project (Forschungsgruppe), SCyCode - Switch in Cyanobactria: Coherent decision-making; Coordinator Prof. Dr. Karl Forchhammer, University of Tübingen

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.

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Mercur                                                                                        Merkur

ABPP_FUNGI – „Aktivitäts-basiertes Protein-Profiling (ABPP) zur Identifizierung neuer Hydrolasen in Pilzen"

 

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.

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DFG                                                                                                                                                 Dfg-logo

Explo-Carb – „Erforschung des Kohlenhydratstoffwechsels in hyperthermophilen Archaeen: Neue Ansätze, Enzyme und Stoffwechselwege“

DFG-RSF Cooperation: Joint German-Russian project proposals in life sciences, social sciences and humanities

Prof. Dr. Markus Kaiser (UDE) and Dr. Ilya V. Kublanov (Ferderal Research Center of Biotechnology RAS, Moscow);

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.

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DFG                                                                                                                                                Dfg-logo

ArchaeaEPS - “Archaeelle Biofilme: Zusammensetzung der extrazellulären polymeren Substanzen, Exopolysaccharid-synthese und –transport in Sulfolobus acidocaldarius”,

Koordinatorin

DFG 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.

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BMBF/EU                                                                                                        Bmbf

Euro

“HotSolute - Thermophilic bacterial and archaeal chassis for extremolyte production”



ERA CoBioTech (Horizon 2020, Verbundprojekt)Eracobiotech

 

Kickoff-hotsolute

transnationale Partner, Prof. Dr. Jennifer Littlechild (University of Exeter, UK), Dr. Daniela Moni (ICRM, CNR, Milano, Italy), Dr. Felix Müller (Evonik Industries AG, Essen, DE), Prof. Dr. Elizaveta Bonch-Osmolovskaya (Winogradsky Institute of Microbiology, Russian Academy of Science, Russia), Prof. Jacky Snoep (Stellenbosch University, Stellenbosch, South Africa)

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.

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