Das Ziel des Projektbereiches ist es, eine zuverlässige Messtechnik und Datenerhebung für die quantitative Charakterisierung von Schaltkreisen zu etablieren. Während Populationsmessungen und Durchflusszytometrie wichtige und etablierte Referenzmessungen darstellen und im Bereich A zur Anwendung kommen, sollen im Projektbereich B neuartige mikrofluidische Systeme zur Vermessung von Komponenten und Schaltkreisen entwickelt werden. In Kombination mit Fluoreszenzmikroskopie ermöglichen sie, Einzelzellmessungen mit großer Genauigkeit und hohem Durchsatz durchzuführen. Für zellfreie Systeme bieten mikrofluidische Systeme die Möglichkeit hinsichtlich Reaktionsvolumina und Stationarität sich den in vivo-Bedingungen anzunähern. Bereich B generiert somit die nötige technologische Infrastruktur, um die Schaltkreise aus Bereich A im Hochdurchsatzverfahren vermessen zu können. Das Ziel der neuen Technologie ist, Daten in enormer Menge und Genauigkeit für den Bereich C zur Verfügung zu stellen.
Projekt B-1
Mikrofluidiksysteme für die in vitro-Charakterisierung von genetischen Schaltkreisen
Projektleiter: Steffen Hardt
Das Ziel dieses Teilprojekts besteht darin, ein mikrofluidisches System bereitzustellen, mit dem die Schaltkreise aus Bereich A in vitro unter Bedingungen untersucht werden können, die den Bedingungen im Zellinneren möglichst nahe kommen. Insbesondere sollen Stoffaustauschprozesse ermöglicht werden, die den Stoffwechsel in einer Zelle imitieren. Das Projekt ist damit komplementär zu A-2 wo diese Schaltkreise in vitro ohne Stoffaustausch implementiert werden. Das mikrofluidi-sche System soll es erlauben, quantitative, statistische signifikante Daten zur Charakterisierung spezifischer genetischer Schaltkreise zu gewinnen. Aus den Zielen des Teilprojekts B-1 leiten sich die folgenden konkreten Fragestellungen ab:
(1) Wie ist es möglich, einem Reaktionsraum der Größe von ca. 1 pl kontrolliert noch kleinere Teilvolumina zuzuführen und daraus Teilvolumina zu entfernen?
(2) Wie können Reaktionsparameter (z.B. Konzentrationen) in systematischer Weise variiert werden?
(3) Welche Systemarchitekturen besitzen das Potential zur Parallelisierung?
Projekt B-2
Mikrofluidiksysteme für die in vivo-Charakterisierung von genetischen Schaltkreisen
Projektleiter: Heinz Köppl
Analog zur in vitro-Charakterisierung in B-1 soll B-2 die technologische Infrastruktur zur Verfügung stellen, um die in vivo Implementierung von Schaltkreisen aus Projekten A-3 und A-4 auf Einzelzellebene im Hochdurchsatzverfahren charakterisieren zu können. Basierend auf den Vorarbeiten der AG Köppl werden dafür Flussbasierte Mikrofluidiksysteme entwickelt, die den Randbedingungen der beiden Modellorganismen S. cerevisiae und E. coli aus A-3 und A-4 angepasst sind. Die Daten dieser Charakterisierung bieten die Grundlage für die Modellierungsmethoden aus Bereich C. Im Speziellen ergeben sich aus den Algorithmen von C-2 neue Anforderungen an das Chipdesign, wie z.B. massive Parallelität. Die enge Einbindung der Modellbildung in den Experimententwurf ist ein Alleinstellungsmerkmal von CompuGene.
Teilprojekt B-2 hat das Ziel, die Messinfrastruktur zu schaffen, die es erlaubt, das in vivo-Schalkreisverhalten auf Einzelzellebene unter genau definierten Bedingungen zu studieren und Daten zu erheben, die den Anforderungen der Modellbildung entsprechen. Es ergeben sich folgende konkrete Forschungsfragen:
(1) Kann E.coli mechanisch fixiert werden und können stationäre Wachstumsbedingungen in der Zellkammer erreicht werden?
(2) Wie können mehrdimensionale Induktorenprofile in der Zellkammer generiert werden, um einen Logikschaltkreis mit mehreren Eingangssignalen zu charakterisieren?
(3) Wie können mehrere Zellkammern parallel angesteuert und betrieben werden, um das schnelle screening von verschiedenen Schaltkreisvarianten zu ermöglichen?
(4) Kann technologisch ein closed-loop realisiert werden, der es ermöglicht, basierend auf der letzten Messung in Echtzeit das Stimulationsprofil zu adaptieren?
