Sonogenetische Kontrolle von Transgenexpression durch gasgefüllte Proteinnanostrukturen

• Antragsteller: Dr. Manuel Iburg
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511048568

Eine robuste Methode, die Genexpression modifizierter Zellen in tierischen Modellen und Menschen zu kontrollieren wird eine essentielle Fähigkeit in der Grundlagenforschung und in therapeutischen Anwendungen darstellen. Idealerweise sollte diese Methode räumliche Fokusierung, Anwendung in zentimetertiefem Gewebe und möglicherweise überlagerte Kontrolle mehrerer Gruppen von Zellen gleichzeitig bei minimalen Nebenwirkungen bieten. In diesem Projekt plane ich, eine neuartige sonogenetische Methode der Zellkontrolle zu entwickeln, indem ich die einzigartige Wechselwirkung von Gasvesikeln (GV) und Ultraschall nutzbar mache. GVs sind eine Gruppe gasgefüllter Proteinnanostrukturen mit einzigartigen mechanischen Eigenschaften, die sich in photosynthetischen Mikroben finden. Im Gegensatz zu normalem wässrigen Gewebe ermöglicht die Gas-Wasser Grenzfläche der GV eine starke Wechselwirkung mit Ultraschall. Ultraschallpulse jenseits eines grenzwertigen Drucks führen zum Kollaps der GV, was deren hydrophobe Innenfläche freilegt und zu Proteinaggregation führt. Bemerkenswerterweise reicht ein Millisekundenpuls durch klinischen bildgebenden Ultraschall aus um GV zu kollabieren, was zu keiner Störung und minimaler Erwärmung des umliegenden Gewebes führt. Verschiedene genetische Varianten von GV haben unterschiedliche Kollapsdrücke, was möglicherweise überlagerte Kontrolle erlaubt. Um den Kollaps der GV mit einer zellulären Antwort zu verbinden, werde ich Zellen mit „Sensoren“ für GV Kollaps ausstatten, die entweder auf exogenen Proteinen basieren, die sich an die kollabierten GV anlagern, endogenen Proteinen die in kollabierenden GVs „gefangen“ werden oder der zellulären Stressantwort die durch proteotoxischen Stress nach der Bildung von GV aggregaten ausgelöst wird. Diese Sensoren werden an Auslöser gekoppelt, die eine transkriptionelle Antwort in genetischen Schaltkreisen auslösen und die Expression von Reportergenen bewirken. Zum Abschluss des vorgeschlagenen Projektes werde ich die erste Anwendung der Methode demonstrieren, indem ich durch Ultraschall die Genexpression on Modellbakterien aktiviere. Dies wird die Grundlage für die zukünftige Entwicklung der Methode, in therapeutisch relevanten Bakterien- und Säugerzellen, tierischen Modellen und dem Transfer zu klinischen Anwendungen bieten. Zusammengefasst wird GV-basierte Sonogenetik eine Methode darstellen, die in einer Anwendung mit mehreren überlagerten Zielen, nicht-invasiv, in tiefem Gewebe und bei minimalem Effekt auf umliegende Zellen funktioniert und umfassende Vorteile für die Grundlagenforschung in Neurowissenschaften und Zellbiologie bietet, sowie in der Entwicklung zellbasierter Therapien.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. George Lu