Autonome Modulation der Translation in einer homeostatischen künstlichen Zelle

• Antragsteller: Dr. Matthaeus Schwarz-Schilling
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biophysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456967983

Grundlegende biologische Fragestellungen, wie zum Beispiel der genetischen Code, wurden mit der Hilfe von zellfreien Genexpressionsystemen aufgeklärt. Zellfreie Genexpressionsysteme bieten eine vereinfachte biochemische Umgebung gegenüber Zellen dar. Seit Kurzem können wir zellfreie Systeme auch für die Rekonstruktion einer Zelle einsetzen. Die wichtigsten Aspekte von Zellen sind die Genexpression und Genregulation. Dies wird verdeutlicht durch die erhebliche Anzahl an Komponenten und Energie die die Zellen in Genexpression und Genregulation investieren. Zum Beispiel, das Reaktionsnetzwerk in Bakterien, welches für Genexpression verantwortlich ist, ist sehr dicht und braucht mehr als die Hälfte der Energie der Zelle. In diesem Projekt werden wir genetische Schaltkreise entwerfen, die durch die Modulation der Genexpressionsrate in synthetischen Zellen Homöostase erzeugen. Die Schaltkreise werden wichtige Komponenten von der Genexpressionsmaschinerie verwenden und dadurch an Kernprozesse wie der Aminoacylierung gekoppelt sein. Auf diese Weise kann ein Steady-State für die Genexpression geschaffen werden, der die synthetischen Zellen autonomer macht. Die synthetischen Zellen basieren auf oberflächengebundenen Genen in mikrofluidischen Kompartimenten, die mit einem Fliesskanal mit zellfreiem Expressionsmix verbunden sind. Der Aufbau ermöglicht die Beobachtung von Genexpression über längere Zeiträume (>12h) mit Einzelmolekülauflösung mittels TIRF-Mikroskopie. Die Integration von Komponenten aus Kernprozessen der Genexpression in genetische Schaltkreise wird uns den Umfang und die Grenzen unseres Verständnisses dieser Prozesse aufzeigen. Wir werden detaillierte Einblicke in die Dynamik der Regulation von Komponenten, die direkt an der Genexpression beteiligt sind, wie z.B. aminosäuregeladene tRNA-Moleküle, gewinnen. Die Hypothese von diesem Projekt ist, das erzeugen von Homöostase anhand von genetischen Schaltkreisen in einer synthetische Form von Zellen, welches ein grundlegendes Arbeitsprinzip von lebendigen Organismen ist.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Israel
• Gastgeber: Professor Dr. Roy Bar-Ziv