Technische Biologie

Wie entstehen Biomineralien wie Knochen, Zähne, Perlen oder Muschelschalen?

Uns interessieren in diesem Zusammenhang molekulare Maschinen, die an der Grenze zwischen Gewebe und extrazellulärem Raum wie ein 3D-Drucker neues Material so abscheiden, dass es als mechanisches Schutzschild, Werkzeug oder optisches Skelettelement wichtige Funktionen für den Organismus erfüllen kann.

Wir arbeiten beispielsweise an der Strukturaufklärung der Chitinsynthasen wirbelloser Tiere, speziell Muscheln und Schnecken. Fossilien des Tierstamms der Weichtiere (Mollusca) lassen sich annähernd bis zur kambrischen Artenexplosion zurück datieren. Die Biosynthese von Chitin als Templat für die Biomineralisation ist derzeit noch nicht molekular in 3D aufgeklärt. Wir konnten aber bereits zeigen, dass diese Chitinsynthasen über eine spezialisierte Myosin-Motordomäne verfügen. Deshalb forschen wir intensiv daran, wie mechanische Signale und Kräfte in den Zellen wahrgenommen werden und wie die Zellen dafür sorgen, die extrazelluläre Polymer-Matrix nicht nur zu mineralisieren, sondern auch gezielt zu strukturieren. Verschiedene zellbiologische, biophysikalische und zoologische Modellsysteme kommen bei uns zum Einsatz, so auch der Schleimpilz Dictyostelium discoideum wie auch diverse Protisten.

Die Myosin-Chitinsynthasen sind mit einer Länge von ca. 2300 aa und einem Molekulargewicht von > 260 kDa relativ große molekulare Maschinen. Sie sind mit ca. 15 Transmembranhelices in biologischen Membranen verankert und extrudieren das N-Acetyl-Glucosamin-Polymer durch eine Pore oder einen Kanal nach außen. Ob diese Enzyme beim Extrudieren automatisch dafür sorgen, dass die Chitinfasern aktiv ausgerichtet werden, können wir im Moment noch nicht sagen. Diese Ausrichtung ist jedoch entscheidend für z.B. die Orientierung der Kristallachsen im mineralisierten Komposit-Material. Mit modernsten Methoden der molekularen Zellbiologie, Biochemie und Elektronenmikroskopie wollen wir diesen Prozess aufklären. Wir arbeiten eng mit dem Forschungsverbund AMICA der Universität Stuttgart zusammen, und entwickeln gemeinsam mit Materialwissenschaftlern neue Methoden für die strukturelle und funktionelle Analyse von Grenzflächen zwischen Organismen und Materialien aller Art. 

Pflanzen produzieren organische Materie und sind damit die Grundlage für das Leben auf unserem Planeten. Für uns Menschen sind sie außerdem Rohstofflieferanten und Produzenten zahlreicher Medikamente – vom Immunstimulanz bis hin zur Krebstherapie. Als Verbraucher von CO₂ leisten sie einen wichtigen Beitrag zum Klima. Aber was begrenzt das pflanzliche Wachstum?

Neben Krankheitserregern und Fraßfeinden sind es die sogenannten „abiotischen Stressfaktoren“, die den Pflanzen zu schaffen machen: Trockenheit, Hitze, Frost, Nährstoffmangel oder die Versalzung von Böden. Wir erforschen, wie Pflanzen auf eine Veränderung ihrer Umwelt reagieren und versuchen heraus zu finden, wie man Pflanzen fit macht für den Klimawandel: Wetterextreme werden zunehmen – Trockenheit schon im April, warme Winter und plötzliche Temperatureinbrüche stellen Pflanzen vor neue Herausforderungen. Wie reagiert ihr Stoffwechsel? Welche Gene müssen aktiviert werden, um sich auf die neue Situation einzustellen? An der Modellpflanze Arabidopsis thaliana untersuchen wir die Akklimatisierung an niedrige Temperaturen, hohe Lichtintensitäten und steigenden CO₂ Gehalt der Atmosphäre. Wegen der hohen Komplexität des pflanzlichen Metabolismus verwenden wir dafür Computer-Simulationen, die uns zeigen, was eine Pflanze tun kann, um in einer veränderlichen Umwelt das Gleichgewicht zu behalten. Eine wichtige Rolle spielen dabei Zuckermoleküle: die Saccharose, die wir zum Süßen von Tee und Kaffee verwenden, ist für die Pflanze nicht nur das Hauptprodukt der Photosynthese, sondern auch Transportform von Energie und Botenstoff, mit dem die Pflanze sich über den Zustand ihres Stoffwechsels informiert. Darüber hinaus können Zucker auch zelluläre Strukturen stabilisieren, wenn Trockenheit oder Frost den Zellen Wasser entziehen. Dabei reagieren unterschiedliche Zellbestandteile sehr verschieden: die grünen Chloroplasten, die die Photosynthese betreiben, setzen auf einen Dreifachzucker, die Raffinose, als Frostschutzmittel, während das Cytoplasma Glukose und Fruktose verwendet, um Wasserverlust zu begrenzen.

Damit unser Planet auch in Zukunft grün bleibt – und damit Landwirtschaft und Umweltschutz sich miteinander vertragen können, müssen wir verstehen lernen, wie Pflanzen mit ihrer Umwelt wechselwirken und was wir beitragen können zu einer nachhaltigen Pflanzenproduktion.

Im Mittelpunkt unserer Forschungsinteressen steht das Ziel, ein tiefes Verständnis zellulärer Stressantworten und molekularer Zelltodentscheidungen zu erlangen. Unsere Körperzellen sind durchgehend Stressfaktoren ausgesetzt. Hierzu gehören beispielsweise Strahlung, Toxine und Mutagene, Temperaturschwankungen, bakterielle und virale Infektionen.

Unsere Zellen sind in der Lage, diese diversen Stresszustände zu erkennen, sich dagegen zur Wehr zu setzen und sich im Zweifelsfall für das Wohl des Gesamtorganismus gezielt umzubringen, bevor Fehlfunktionen auftreten. Dies geschieht täglich in uns allen, milliardenfach. Molekular organisierte Zelltodprozesse spielen auch während der Entwicklung eine essentielle Rolle in der Ausbildung unserer Körperform und Organentwicklung. Neben Zellteilung und Wachstum nehmen Stressantworten und die Zelltodregulation damit eine ebenso wichtige Rolle für unsere Gesundheit ein.

Tatsächlich finden sich Störungen in diesen zellulären Prozessen in vielen Krankheitsbildern wieder, die uns vor große und forschungsrelevante Aufgaben stellen. Hierzu gehören beispielsweise neurodegenerative Erkrankungen, Diabetes, Autoimmunerkrankungen, Infektionskrankheiten und Entzündungsreaktionen als auch Tumorerkrankungen. Wir bemühen uns, zelluläre Entscheidungsprozesse zwischen Überleben und gezieltem Zelltod auf Ebene der molekularen Schalter und Netzwerke zu verstehen.

Hierbei werden innovativste experimentelle Methoden eingesetzt, die von gezielter genetischer Manipulation über die Echtzeitanalyse der Signalverarbeitung auf Einzelzellebene bis hin zur Analyse von Zelltodprozessen im Patientengewebe reichen. Neben den experimentellen Arbeiten liefert auch die mathematische Modellierung komplexer zellulärer Prozesse einen wichtigen Anteil am Wissensgewinn in unserem Forschungsgebiet und dient der Erstellung prognostischer und prädiktiver Modelle für zukünftige Therapieformen und der Identifizierung neuer molekularer Interventionspunkte.

Die Bioverfahrenstechnik macht sich die Stoffumwandlungsmöglichkeiten biologischer Systeme zunutze. Sie kann entweder auf einzelnen Enzymen oder aber auf ganzen Zellen basieren. Das Anwendungsfeld ist sehr breit und umfasst Fragestellungen in der Abwasser- und Abluftreinigung genauso wie die nachhaltige und umweltschonende Produktion von neuen Materialien, Nahrungsmitteln, Aromastoffen und neuen Wirkstoffen für Medikamente. Die Bioverfahrenstechnik verlangt daher das sehr interdisziplinäre Arbeiten von verschiedenen Experten aus den Bereichen der Molekular- und Mikrobiologie, der Zellbiologie, den Ingenieurwissenschaften, der Informatik und der Chemie, um nur einige zu nennen. Im Rahmen der Ausbildung an der Universität Stuttgart wird ein besonderer Schwerpunkt auf die stoffliche Umwandlung beispielsweise von Zucker als nachhaltigem Rohstoff in Wertstoffe der o. g. Anwendungsfelder gelegt.

Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass zu Beginn neuer Bioprozessentwicklungen zunächst mikrobielle Produzenten (Zellen) hergestellt werden. Bereits dort unterstützt die Bioverfahrenstechnik mit dem Teilbereich Systems Metabolic Engineering die Identifizierung von Genen bzw. Stoffwechselvorgängen, die für die Herstellung der Zielprodukte besonders relevant sind. Stoffwechselreaktionen in den Zellen werden modellgestützt identifiziert und gemessen, um so mit Kolleginnen und Kollegen aus der Molekular- und Zellbiologie die notwendigen Maßnahmen für die Zellentwicklung (das Zellengineering) durchzuführen.

Als nächster Schritt werden solche Zellen zunächst in Biolaboren im Rahmen von Kultivierungen getestet. Verlaufen diese ersten Tests erfolgreich, werden beispielsweise kleinere Bioreaktoren eingesetzt. Dort werden die Zellen unter definierten Kultivierungsbedingungen genau untersucht, um deren Potential aber auch deren Schwächen zu quantifizieren. Die Rückmeldung über die Eignung der Stämme geht dann in die Stamm- und Zellentwicklung, um weitere Runden der Zell- und Stammverbesserung zu starten.