Strategien für räumliche und zeitliche Kontrolle der Genexpression in zellfreien Reaktionen und biomimetischen Systemen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Henrike Niederholtmeyer
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436921284

Lebende Organismen kontrollieren mit höchster Präzision, wann und wo Prozesse in ihrem Inneren ablaufen. Multizelluläre Organismen sind aus spezialisierten Geweben, Organen und Strukturen aufgebaut, die während ihrer Entwicklung aus einer einzelnen Zelle entstanden sind. Selbst einzelnen Zellen beinhalten komplexe Nanomaschinen, Organellen und Reaktionsnetzwerke, die Reaktionen ausführen und bestimmen an welchem Ort und zu welcher Zeit diese stattfinden. Im Vergleich zu menschengemachten Technologien und Maschinen, organisieren sich biologische Systeme selbst, wachsen, reparieren und vermehren sich, und dies auf sehr robuste Weise. In Kombination mit synthetischen Materialien könnten diese Eigenschaften in unseren Technologien große Vorteile haben. Unser Verständnis davon, wie Selbstorganisationsprozesse funktionieren und in lebenden Organsimen koordiniert werden, ist jedoch noch sehr lückenhaft und definitiv nicht so weit fortgeschritten, dass wir diese Mechanismen effizient ausnutzen könnten. Biochemische Experimente an aufgereinigten Enzymen und isolierten molekularen Prozessen haben einen großen Beitrag geleistet die Funktionen von Biomolekülen und von fundamentalen biochemischen Vorgängen in Zellen aufzuklären. Der Vorteil von Experimenten an minimalen, definierten Systemen ist, dass ihre Bestandteile und deren Konzentrationen bekannt sind, und einfach verändert werden können. In diesem Projekt soll eine ähnliche Vorgehensweise angewandt werden um Mechanismen zu untersuchen, die zu räumlicher und zeitlicher Selbstorganisation führen. Selbstorganisationsprozesse sind eine definierende Grundeigenschaft aller Lebewesen. Sie widersprechen jedoch unserer Intuition, weil sie sich fernab von thermodynamischen Gleichgewicht abspielen und weil sie dafür sorgen, dass aus Chaos oder Homogenität Ordnung entsteht. Deshalb ist ein synthetischer „bottom-up“ Ansatz erforderlich. Nur wenn wir Selbstorganisationsprozesse in einem biochemisch vereinfachten, definierten System selbst programmieren, kontrollieren und nachvollziehen können, wird es möglich sie grundlegend zu verstehen. Mein Ansatz verwendet zellfreie Genexpression und künstliche Materialien, die zelluläre Membrane und Organellen nachbilden. Ziel ist es genetische Netzwerke und molekulare Kontrollstrategien zu entwickeln, die zur Bildung von räumlichen und zeitlichen Mustern der Genexpression führen. Ich werde gezielt molekulare Bindungspartner einsetzen um die Verfügbarkeit und die Diffusion von genetischen Regulatoren zu beeinflussen. Zur Durchführung dieses Projekts werde ich mikrofluidische Technologie zur präzisen Kontrolle der Reaktionsbedingungen, sowie synthetische Materialien zur räumlichen Strukturierung der biomimetischen Systeme entwickeln und anwenden. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dazu beitragen die Musterbildung in der Entwicklung von multizellulären Organismen besser zu verstehen und Selbstorganisation in künstlichen, biomimetischen Systemen zu unserem Vorteil zu nutzen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Microscope
• Gerätegruppe: 5000 Labormikroskope