Projektbereich A

Projektbereich A

Implementierung von Schaltkreisen unterschiedlicher Komplexitätsstufen in biologische Modellsysteme

Der Projektbereich A hat als Ziel, robuste genetische Schaltkreise im Labor zu implementieren.

Schaltkreise unterschiedlicher Komplexitätsstufen sollen in vitro sowie in E. coli und S. cerevisiae implementiert und ihr Schaltverhalten kontextabhängig charakterisiert werden.

Ausgehend von einfachen Inverterfunktionen wird es das Ziel sein, die Komplexität stufenweise zu erhöhen und eine Ebene zu erreichen, die es möglich macht, beliebig viele Eingangssignale robust miteinander zu kombinieren. Dafür wird es notwendig sein, Einzelkomponenten zu optimieren oder vollkommen neu zu entwerfen. Der Fokus von CompuGene liegt dabei auf RNA-basierten Regulationselementen. Die Komponenten und Schaltkreise werden zuerst in vitro und dann in vivo in verschiedenen Modellorganismen analysiert, um die Allgemeingültigkeit der entwickelten Systeme zu zeigen. Im Rahmen von CompuGene werden wir jedoch die Ebene der einzelligen Organismen nicht verlassen. Einen wichtigen Stellenwert wird die genaue Analyse der Abhängigkeit genetischer Schaltkreise von ihrer Umgebung haben.

Projekt A-1

Charakterisierung und Optimierung von biologischen Komponenten und einfachen Verknüpfungen zum Schaltkreisdesign

Projektleiterin: Beatrix Süß

Teilprojekt A-1 hat zum Ziel, gut charakterisierte biologische Komponenten und deren logische Verknüpfungen für die Schaltkreissynthese zur Verfügung zu stellen. Diese Regulationseinheiten müssen robust und universell einsetzbar sein und ein selektives Schaltverhalten zeigen. Sie sollten möglichst unabhängig von externen Faktoren, zellulären Bedingungen sowie dem genomischen Kontext funktionieren. Die erhobenen Daten bilden somit die Grundlage sowohl für die Modellbildung in Projektbereich C wie auch für die sich in diesem Projektbereich anschließende Schaltkreissynthese in A-2 bis A-4.

Projekt A-2

Zellfreie Schaltkreisimplementierung, Anpassung zellfreier Systeme an in vivo Bedingungen

Projektleiter: H. Ulrich Göringer

In Teilprojekt A-2 werden einzelne logische Gatter oder Komponenten aus Projektbereich A-1 zu modular angeordneten komplexeren Schaltkreisen zusammengeführt. Die strukturellen Konsequenzen der Zusammenführung der Einzelkomponenten sowie die funktionale performance der Schaltkreise wird anschließend in unterschiedlichen in vitro Messsystemen ermittelt, um eine quantitative Beschreibung der multimodularen Systeme zu erreichen.

Schaltkreisentwürfe, die in CompuGene realisiert werden sollen, sind zum Beispiel Logikschaltungen aus der Kategorien der kombinatorischen und seuquentiellen Schaltungen. Durch Komposition sequentieller Schaltkreise lassen sich leicht Speicherelemente, Zähler oder Addierer aufbauen.

Projekt A-3

Implementierung von Schaltkreisen in E.coli und Archaea

Projektleiterin: Felicitas Pfeifer

E. coli ist das bakterielle Modellsystem, welches derzeit in der Synthetischen Biologie zur Anwendung kommt. Gewonnene Erkenntnisse aus Teilprojekt A-2 sollen deshalb im nächsten Schritt in E. coli validiert werden. Dabei werden bakterienspezifische Schaltkreise unterschiedlicher Komplexität aufgebaut und charakterisiert sowie die Designvorschläge, die von der theoretischen Schalt-kreissynthese des Projektbereiches C erarbeitet werden, aufgegriffen, implementiert und vermessen. Konkret werden folgende Ziele verfolgt: (1) Aufbau und Charakterisierung von linearen und rückgekoppelten Schaltkreisen bestehend aus mehreren logischen Verknüpfungen durch etablierte und neue bakterielle Komponenten. (2) Vergleich von Schaltkreisen, die aus transkriptionellen und/oder translationellen Regulatorelementen aufgebaut sind. (3) Analyse der spezifischen Kontextabhängigkeit in E. coli. (4) Übertragbarkeit der Schaltungsentwürfe auf weitere Modellorganismen (Archaea).

Projekt A-4

Implementierung von Schaltkreisen in Saccharomyces cerevisiae

Projektleiter: Harald Kolmar

Aufgrund der Fokussierung der Synthetischen Biologie auf E.coli wurde am eukaryotischen Modellorganismus S. cerevisiae vergleichsweise wenig geforscht. Dies wird jedoch der enormen biotechnologischen Bedeutung dieses Organismus nicht gerecht. Demzufolge ist die Entwicklung von Routinen zur Schaltkreissynthese hier besonders wichtig. Das Teilprojekt A-4 soll daher Methoden zur Schaltkreisynthese für S. cerevisiae entwickeln und muss dabei Eukaryoten-spezifische Eigenschaften berücksichtigen. Da das Arsenal an zur Verfügung stehenden externen Induktoren begrenzt ist und bei komplexen Schaltkreisen zum limitierenden Faktor wird, sollen Peptidnukleinsäuren (PNAs) auf ihre mögliche Funktion als orthogonale regulatorische Komponente analysiert und in die Schaltkreissynthese integriert werden.

Konkret werden in Teilprojekt A-4 folgende Forschungsfragen bearbeitet:

(1) Sind die Komponenten aus A-1 und die Erkenntnisse hinsichtlich Schaltungssynthese aus A-2 und A-3 auf S. cerevisiae übertragbar?

(2) Welche organismenspezifischen Eigenschaften muss man bei der Schaltkreissynthese beachten und welche Hefe/Eukaryoten-spezifischen Probleme und Kontextabhängigkei-ten sind zu erwarten?

(3) Sind PNAs für die Kontrolle von Schaltkreisen geeignet und wie effizient blockieren sie die Genexpression?

(4) Kann man PNAs zum Aufbau logischer Verknüpfungen her-anziehen, wie ist deren Schaltverhalten und lassen sie sich für den Aufbau komplexer genetischer Schaltkreise einsetzen?