Effektive Synchronisation der durch oszillierende Umweltbedingungen induzierten Genexpression von Zellpopulationen

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Grünberger
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516641394

Die Kontrolle der Genexpression in Zellpopulationen findet zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Forschungsgebieten, von der Biotechnologie bis zur Biomedizin. Eine verlässliche Anwendung wird jedoch durch das biologische Rauschen verhindert, das zelluläre Systeme besitzen. Die Möglichkeit die Genexpression von Zellpopulationen zu synchronisieren gewinnt deshalb zunehmend an Interesse und Bedeutung. In unserer bisherigen Arbeit haben wir einen experimentellen Aufbau entwickelt, der es uns ermöglicht, Schwankungen von Umweltbedingungen entsprechend der intrinsischen Schaltrate von zellularen Systemen einzustellen. Dementsprechend wird die Zellpopulation in diesem Aufbau nur Signalen ausgesetzt, deren Amplitude und Frequenz direkt mit der Dynamik der Sensormaschinerie der Zellen und der resultierenden phenotypischen Schaltfrequenz kompatibel sind. Auf dieser Grundlage fanden wir heraus, dass diese definierten Umweltschwankungen zu einem homogeneren und oszillierenderen Genexpressionsprofil führten. Dies basiert auf einer Abnahme der stochastischen Komponente im Umschaltprozess und erfolgt nicht bei allen untersuchten genetischen Schaltkreisen im gleichen Ausmaß. Auch die Frequenz der Oszillation in der Genexpression ist nicht für alle betrachteten Systeme gleich. Dieses Projekt bringt zwei Forschungsgruppen aus Belgien (ULiège) und Deutschland (UBielefeld) zusammen, die sich auf die Analyse von mikrobiellen Populationsdynamiken durch Einzelzelluntersuchungen spezialisiert haben. Beide Partner haben hierfür spezifische Fachkenntnisse und Werkzeuge entwickelt. Der in ULiege entwickelte Segregostat und die in UBielefeld entwickelte Mikrofluidische Einzelzellkultivierung werden kombiniert, mit dem Ziel Protokolle zur Synchronisation von genetischen Elementen von E. coli zu verallgemeinern. Neben dem theoretischen Aspekt, der für ein besseres Verständnis der phänotypischen Plastizität von mikrobiellen Population in natürlichen Ökosystemen von entscheidender Bedeutung ist, könnten unsere Erkenntnisse auch in verschiedenen Anwendungsbereichen vor der Bioverfahrenstechnik bis hin zur Biomedizin genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Frank Delvigne