Genexpression in Mikrogelen: Der Einfluss von Cytosol-Crowding und Cytoplasma-Organisation auf zelluläre Funktionen

• Antragsteller: Professor Dr. Julian Thiele
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 275401251

Kommerzielle biologische Verfahren zur Abbildung zellulärer Funktionen werden in der Regel in verdünnter, homogener Lösung auf makroskopischer Ebene durchgeführt. Dabei bleiben zentrale Eigenschaften einer Zelle unberücksichtigt: das makromolekulare Crowding des Cytosols, die räumliche Anordnung von Reaktanden sowie die Tatsache, dass Zellen nur wenige Mikrometer groß sind. Folglich sind Erkenntnisse zu Diffusionsprozessen und zur Reaktionskinetik wenig präzise.Im Fokus dieses Forschungsvorhabens steht die Entwicklung eines künstlichen, mikroskaligen Cytoplasmas zur Abbildung und Studie biologischer Funktionen in einer zellähnlichen Umgebung. Mittels 2D- und 3D-Fluoreszenzmikroskopie soll die Expression von Proteinen in mikrofluidisch-formulierten Mikrogelen mit maßgeschneiderter Porosität, Funktionalisierung sowie nano- und mikroskaliger Heterogenität untersucht werden. Im Gegensatz zu Studien an lebenden Zellen mit ihrer inhärenten Komplexität werden es die hier vorgeschlagenen Mikrogele ermöglichen, den ungestörten Einfluss von Cytosol-Crowding und Cytoplasma-Heterogenität sowie der räumlichen Organisation von Reaktanden auf die Gentranskription und -translation zu bestimmen. Dank kontrollierter Bottom-up-Modellierung der Komplexität der Mikrogele sollen Diffusionsraten und relative Position von DNA, Polymerase, mRNA sowie Ribosomen gesteuert, Struktur-Eigenschaftsbeziehungen abgeleitet und auf die Situation in vivo übertragen werden.Die angestrebten Ergebnisse werden ferner als Basis dienen, biochemische Reaktionspfade unter Anwendung von Konzepten der makromolekularen und Kolloidchemie zu manipulieren, um herkömmliche biologische Produktionsverfahren unter Anwendung künstlicher Zellen zukünftig zu übertreffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Kooperationspartner: Dr. Hans Heus