Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Minimalausstattung für den Mikroorganismus

11.08.2015

Bioingenieure identifizieren die Schlüsselgene und -funktionen für das Überleben von Bakterienzellen und eröffnen dadurch eine neue Herangehensweise in der Gentechnik

Bioingenieure von der University of California, San Diego, definieren in Zusammenarbeit mit einem Wissenschaftler der Universität Tübingen in einer neuen Studie die essentielle Menge an Genen und Funktionen, die eine Bakterienzelle zum Leben benötigt.

Diese Arbeit eröffnet neue Ansätze in der Zellingenieurstechnik an Escherichia coli (E. coli) und anderen Mikroorganismen, da sie die grundlegende Frage beantwortet, welche Minimalausstattung bakterielle Zellen zum Überleben brauchen. Die Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) veröffentlicht.

Die Wissenschaftler im Labor von Bernhard O. Palsson, dem Galetti-Professor für Bioingenieurwesen der University of California, San Diego, fanden „den kleinsten gemeinsamen Nenner, den Mikroben benötigen, um funktionieren zu können“, wie Palsson sagt.

„Falls der Zelle eines der Gene von dieser Liste fehlt, so kann sie weder funktionieren noch überleben.“ Gearbeitet wurde mit umfangreichen Rechensimulationen, für die Dr. Andreas Dräger vom Zentrum für Bioinformatik der Universität Tübingen Strategien zur eindeutigen Darstellung der Rechenmodelle entwickelt und die Software-Entwicklung betreut hat.

Nach Angaben der Forscher helfen die neuen Ergebnisse, an gentechnische Arbeiten anders als bisher heranzugehen. Werden Mikroben gentechnisch verändert, um wertvolle Substanzen in größeren Mengen herzustellen, so müssen Wissenschaftler in den genetischen Gesamtaufbau der Zellen eingreifen.

Dabei veränderten sie zuweilen auch essentielle Gene der Zelle und deren Funktionen, was zu einer „kranken“ Zelle mit Defekten führte. Mit dem neuen Wissen haben die Bioingenieure eine Liste der minimalen essentiellen Komponenten, die sie erhalten müssen, und können dann zusätzliche Bauanleitungen für die Produktion weiterer Substanzen hinzufügen.

Die Wissenschaftler nennen die überlebenswichtigen Gene und Funktionen das „Paläom“ – in Anspielung auf die angestammte Ausstattung des minimalen mikrobiellen Lebens. Bei anderen Ansätzen, so berichtet Palsson, haben Forscher versucht, das Paläom zu definieren, indem Genomsequenzen verschiedener Organismen verglichen wurden und dabei der Genbestand herausgefiltert wurde, der überall zu finden ist.

„Dies definiert aber lediglich das minimale Genom. Unsere Definition des Paläoms ist deutlich umfassender“, erklärt er. Es handele sich um eine auf der Systembiologie basierende Definition, die neben der minimalen Genmenge auch die minimale Menge von Funktionen, Reaktionen und Prozessen einbezieht, die für den Aufbau der Zelle benötigt werden.

Diese Definition des Paläoms basiert auf Rechenmodellen des zellulären Wachstums von E.-coli-Bakterien unter verschiedenen Voraussetzungen. Die Forscher simulierten das Wachstum eines gut erforschten E.-coli-Stammes unter 333 verschiedenen Bedingungen, bei denen sie unter anderem die Hauptnahrungsquellen für die von der Bakterienzelle benötigten Stoffe wie Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel virtuell wechselten.

Das Team beobachtete, welche Menge von Genen unter allen verschiedenen Wachstumsbedingungen stets aktiv war, und konstruierte daraus das Paläom. Insgesamt identifizierte die Autorengruppe 356 solcher Gene. Dabei wirkte der Bioinformatiker Andreas Dräger bei der Erstellung eines austauschbaren Rechenmodells mit, das den gängigen Standards entspricht und die Analyse großer Datenmengen ermöglicht.

„Mit diesem Paläom konnten ein weiterer E.-coli-Stamm sowie drei andere Mikroorganismen ebenfalls arbeiten“, sagt der Erstautor der Studie Laurence Yang aus der Arbeitsgruppe von Palsson. „Wir hoffen, dieses Paläom als Anfangswerkzeug nutzen zu können, um Wachstumsmodelle für weitere Organismen zu erstellen.“ Diese könnten wiederum als Basis dienen, wenn die Organismen in der Gentechnik genutzt werden sollen.

Originalpublikation:
Laurence Yang, Justin Tan, Edward J. O’Brien, Jonathan M. Monk, Donghyuk Kim, Howard J. Li, Pep Charusanti, Ali Ebrahim, Colton J. Lloyd, James T. Yurkovich, Bin Du, Alex Thomas, Andreas Dräger und Bernhard O. Palsson: Systems biology definition of the core proteome of metabolism and expression is consistent with high-throughput data. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Online-Veröffentlichung, 10. August 2015, DOI: 10.1073/pnas.1501384112

Kontakt:
Dr. Andreas Dräger
Universität Tübingen
Zentrum für Bioinformatik Tübingen
andreas.draeger[at]uni-tuebingen.de

Dr. Karl Guido Rijkhoek | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-tuebingen.de/

Weitere Berichte zu: Bakterienzelle Bioinformatik Mikroorganismen Mikroorganismus Zelle Zellen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers
28.04.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Forschungsteam entdeckt Mechanismus zur Aktivierung der Reproduktion bei Pflanzen
28.04.2017 | Universität Hamburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie