Entwicklung von temperaturabhängigen Biofilmen zur präzisen und reversiblen Kontrolle von lebenden Biomaterialien

• Antragsteller: Dr. Jan Mathony
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520612620

Biomaterialien, die bestimmte mechanische Eigenschaften mit der Vielseitigkeit lebendiger Systeme verbinden, gewinnen vor dem Hintergrund der ökologischen und technologischen Herausforderungen unserer Zeit zunehmend an Bedeutung. Ein vielversprechender Ausganspunkt für solche „engineered living materials“ (ELMs) sind bakterielle Biofilme, wie beispielsweise das „Curli“ System von Escherichia coli. Solche Biofilme können nachhaltig produziert und zu makroskopischen Materialien, wie Hydrogelen oder Bioplastik verarbeitet werden. Diese Curli-Materialien bestechen durch ihre hohe mechanische Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber harschen chemischen Bedingungen. Curli selbst bestehen aus Fibrillen, die durch Polymerisation des von E. coli sekretierten Proteins CsgA gebildet und anschließend durch dessen Bindepartner CsgB auf der Zelloberfläche verankert werden. Obgleich die Bildung von Biofilmen prinzipiell genetisch induzierbar ist, lassen sich die mechanischen Eigenschaften bestehender Curli Biofilme aufgrund der großen Stabilität der Fibrillen nachträglich kaum verändern. Somit ist eine Adaption des Biofilms an äußere Stimuli bislang quasi nicht möglich. Dieses Projekt hat zum Ziel, molekulare Werkzeuge für die reversible Kontrolle der mechanischen Stabilität von Curli-basierten ELMs zu entwickeln. Mit Hilfe moderner Protein Engineering Verfahren werde ich künstliche, temperatursensitive CsgA Varianten generieren. Diese werde ich anschließend für die Steuerung der biophysikalischen Eigenschaften von Curli Fibrillen mittels Temperaturveränderung einsetzen. Im ersten Projektteil werde ich Fusionsproteine bestehend aus CsgA und verschiedenen Rezeptordomänen erzeugen, die temperaturabhängig homo-dimerisieren und dadurch stabilisierende, reversible Querverbindungen zwischen einzelnen Fibrillen ausbilden können. Dies ermöglicht es die rheologischen Eigenschaften der resultierenden ELMs gezielt zu kontrollieren. In einem zweiten Schritt werde ich schließlich durch Kombination von CsgA-Punktmutationsbibliotheken mit Domäneninsertionsverfahren synthetische CsgA Varianten herstellen, die ausschließlich bei niedrigen Temperaturen (<25°C) oligomerisieren. Diese temperatursensitiven, reversiblen und adaptiven Curli-Biofilme werde ich in Folgeprojekten gemeinsam mit Kollaborationspartnern für den 3D-Biodruck von lebenden Strukturen, sowie für die programmierte Freisetzung probiotischer Bakterien einsetzen. Durch Anwendung von Protein Engineering auf Curli-Biofilme wird dieses Forschungsprojekt eine neue Generation von Biomaterialien erschließen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen