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Willkommen bei CompuGene

Der Schwerpunkt CompuGene hat das Ziel, in einem interdisziplinären Ansatz computergestützte Verfahren zu entwickeln, um die Realisierung komplexer genetischer Schaltkreise in biologischen Systemen zu ermöglichen. Die daraus resultierende Implementierung neuer molekularbiologischer Funktionen in Zellen und deren gezielte biotechnologische Nutzung beinhaltet wissenschaftlich und wirtschaftlich ein enormes Potential. Um genetische Schaltkreise höherer Komplexität realisierbar zu machen, wird jedoch eine neue wissenschaftliche Herangehensweise benötigt, welche die heutigen trial-and-error Verfahren der Synthetischen Biologie ablöst.

CompuGene verfolgt den Ansatz, basierend auf einer genauen quantitativen Charakterisierung von genetischen Logikverknüpfungen und einfachen Schaltkreisen mathematische Modelle zu entwickeln, um mit deren Hilfe komplexe genetische Schaltkreise zu entwerfen und robust implementierbar zu machen. Die zentralen wissenschaftlichen Herausforderungen für einen solchen Ansatz sind, (1) die Abhängigkeit des Verhaltens des Schaltkreises vom jeweiligen molekularen Kontext zu verstehen und dieses Verständnis in mathematische Modelle zu überführen und (2) neue Komponenten und Schaltkreise zu entwickeln, die robust in verschiedenen Kontexten funktionieren und einfach miteinander kombinierbar sind.

Hierfür werden die Schaltkreise in unterschiedlichen Systemen analysiert. Als Referenz dienen zellfreie Implementierungen durch in vitro Transkriptions-/Translationssysteme, während sich CompuGene für in vivo Implementierungen bewusst auf die beiden etablierten Modellorganismen Escherichia coli und Saccharomyces cerevisiae beschränkt. Bei der Klasse von Schaltkreisen konzentriert sich CompuGene auf sequentielle und kombinatorische Logikschaltungen unterschiedlicher Komplexität. Als konkrete Anwendungen soll die logischen Verknüpfungen mehrerer Stresssignale in S. cerevisae über exogene Stimuli realisiert werden.

Eine weitere Anwendung erfolgt im Rahmen einer Kooperation mit der in der Region ansässigen Firma BRAIN AG. Hier soll die Regulation des Genclusters der 1,2-Propandiol-Biosynthese analysiert und durch die Implementierung einer Regulationslogik optimiert werden.

Dieser ingenieurwissenschaftliche Ansatz erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen den Natur- und Ingenieurwissenschaften und ist damit an der TU Darmstadt hervorragend umsetzbar. Mit drei neuberufenen Professoren (Süß, Hamacher, Köppl) in diesem interdisziplinären Bereich hat die TU Darmstadt eine hervorragende strukturelle Basis für dieses Vorhaben geschaffen. Das Projekt kombiniert auf einzigartige Weise biologische, messtechnische und mathematische Methoden und ordnet diese dem Ziel der Entwicklung eines allgemeinen computergestützten Verfahrens zur Generierung genetischer Schaltkreise unter.

Wissenschaftliche Leitidee

Die wissenschaftliche Leitidee von CompuGene ist die Entwicklung konstruktiver Methoden zum Design komplexer genetischer Schaltkreise, um diese für die robuste und breite Anwendung in der Synthetischen Biologie, wie der Biosensorik, des biocomputings oder des metabolic engineering nutzbar zu machen.