Polymer-Inkorporation für das Engineering der Symbiose (PIES)

• Antragsteller: Dr. Andrea Belluati
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544638304

Die Co-Kultivierung von Bakterien und eukaryotischen Zellen ist ein wichtiges biotechnologisches Verfahren, das in der Bioproduktion, beim Abbau von Schadstoffen und bei der Arzneimittelprüfung Anwendung findet. Sie sieht sich Herausforderungen wie unterschiedlichen Wachstumsraten und Ressourcenkonkurrenz gegenüber, die spezifische Optimierungsstrategien erfordern. Mein Projekt befasst sich mit diesen Herausforderungen, indem es neuartige symbiotische Beziehungen zwischen künstlichen und natürlichen Systemen erforscht und darauf abzielt, synergistische Systeme aus lebenden Zellen und synthetischen Polymeren zu schaffen, deren Funktionen über die Fähigkeiten jeder einzelnen Einheit hinausgehen, indem es die natürliche Entwicklung etablierter symbiotischer Beziehungen nachahmt. Dieses Projekt hat zwei Schwerpunkte: die Entwicklung künstlicher symbiotischer Beziehungen mit Insekten-Zellen durch die Konstruktion künstlicher Zellen (Strukturen, die wie vereinfachte reale Zellen funktionieren), ähnlich der Aufrüstung eines Computers mit neuer Hardware, und die Verkapselung ganzer, lebender Bakterien in dünnen Polymerhüllen zur Zellanhaftung oder Internalisierung, wodurch dasselbe Phänomen ausgelöst wird, das ursprünglich zur Evolution von Mitochondrien und Chloroplasten führte. Im Rahmen des Projekts werden große künstliche Zellen als Ektosymbionten (die auf der Oberfläche der Wirtszelle leben) verwendet und die Integration kleiner Vesikel als künstliche Organellen in Insektenzellen für die Endosymbiose (die im Inneren der Wirtszelle leben) untersucht. In einem zweiten Schritt werden lebende prokaryotische Symbionten untersucht: mit Polymeren umhüllte probiotische Bakterien werden Ektosymbionten von Insektenzellen sein; Cyanobakterien werden stattdessen photosynthetische Ektosymbionten bilden. Schließlich werden im Rahmen des Projekts Endosymbionten aus Insekten und Bakterien entwickelt und genomische Veränderungen in diesen neuartigen Beziehungen analysiert. Das Projekt nutzt meine Erfahrungen in Polymerchemie und synthetischer Biologie aus meiner Arbeit mit künstlichen Zellen und enzymatischer Polymerisation. Diese Zellen, die vom Nano- bis zum Mikromaßstab reichen, sollen so konzipiert werden, dass sie mit eukaryotischen Wirtszellen interagieren und einen modularen Ansatz zur Erweiterung der Zellfunktionen bieten. Meine früheren Arbeiten zur Herstellung von Polymerbeschichtungen für E. coli und zur Erforschung ihrer Integration in Säugetierzellen bilden die Grundlage für diese ehrgeizigen Ziele. Dieser umfassende Ansatz, der von meinem etablierten Forschungsnetzwerk und den hochmodernen Einrichtungen der TU Darmstadt unterstützt wird, soll das Cell Engineering revolutionieren und neue biotechnologische Anwendungen erschließen. Diese Initiative soll schließlich die Behandlung von Krankheiten und die Bioproduktion verbessern, indem sie die Präzision der Materialwissenschaft mit der biologischen Komplexität verbindet.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Plate reader with live cell imaging and real-time cytometry
• Gerätegruppe: 5042 Mikroskope für Hochdurchsatz und Screening