Entwicklung von temperaturabhängigen Biofilmen zur präzisen und reversiblen Kontrolle von lebenden Biomaterialien
Zellbiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bakterielle Biofilme eignen sich hervorragend für die Herstellung innovativer Materialien und als potenzieller biologischer Ersatz für chemische Hydrogele und petrochemische Kunststoffe. Um jedoch das volle Potenzial dieser lebenden Materialien auszuschöpfen, müssen ihre physikalischen Eigenschaften programmierbar und dynamisch regulierbar sein. Ziel dieses Einjahresprojekts war die Entwicklung thermoreaktiver Biofilme auf Grundlage des Curli-Systems in Escherichia coli durch Optimiering und Anwendung thermisch schaltbarer Proteindomänen. Curli Biofilme werden durch extrazelluläre Oligomerisierung eines einzigen Proteinbausteins, CsgA, gebildet. Im Rahmen des Projekts, planten wir daher CsgA so zu verändern, dass es dynamisch auf Temperaturänderungen reagiert, indem wir seine Fähigkeit zur Oligomerisierung mittels Mutagenese oder durch die Insertion thermosensitiver Proteindomänen beeinflussen. Nach der erfolgreichen Etablierung mehrerer Assays zur Untersuchung und Charakterisierung von Curli-Biofilmen beobachteten wir während der Curli-Expression unerwartete Wachstumsdefekte bei Induktion des Systems sowie die starke gegenseitige Abhängigkeit zweier Schlüsselkomponenten, die früheren Publikationen zum Teil widersprachen und unsere ursprüngliche Screening-Strategie verhinderten. In Anbetracht dieser Erkenntnisse entkoppelten wir die Entwicklung thermisch reagierender Proteinmodule von der Optimierung des Biofilm-Systems. Wir untersuchten daraufhin verschiedene Modifikationen des Curli-Operons, um die Belastung des Zellwachstums zu verringern, und die Expressionsniveaus einzelner Proteinkomponenten zu optimieren, wodurch wir wertvolle Einblicke in die Dynamik des Biofilmsystems gewinnen sowie Induktion und Regulierbarkeit erfolgreich verbessern konnten. Auf Grundlage dieser Ergebnisse erheben wir aktuell Daten für ein Manuskript zu optimierten refaktorisierten Curli-Operons, welche auch für alle zukünftigen Arbeiten an diesem Thema von großem Nutzen sein werden. Um parallel dazu das zweite Projektziel zu erreichen, haben wir temperaturabhängige Proteinmodule in E. coli gescreent und optimiert. Unser Ansatz resultierte in leistungsfähigen Proteinmodulen, die besonders stark auf geringe Temperaturveränderungen reagieren. Die sorgfältige Charakterisierung dieser Varianten und ihre Verwendung für die bedingte Induktion der Curli- Expression werden zu einer zweiten Veröffentlichung über das Engineering von thermoreaktiven Proteinen in Bakterien führen, die für Anfang nächsten Jahres geplant ist. Zusammengenommen hat unsere Arbeit zu vielversprechenden neuen Erkenntnissen über induzierbare Curli-Systeme geführt und wir konnten die temperaturabhängige Regulierung von Proteinen erheblich verbessern. Obwohl es sich um ein Einjahresprojekt gehandelt hat, werden die Ergebnisse zeitnah in zwei Veröffentlichungen über zentrale Aspekte des Themas münden. Darüber hinaus werden die Implikationen unserer Arbeit zu thermosensitiven Proteinen weit über das Engineering von Curli-Biofilmen hinausgehen und für das Design von thermosensitiven Proteinen im Allgemeinen von großem Nutzen sein.
