RNase als Bestandteil der induzierbaren Genexpression
Die Kontrolle der Genexpression mit Hilfe spezifischer chemischer Induktoren ist eine beliebte Methode zur Verbesserung der Produktion von Bakterien. Die meisten induzierbaren Genexpressionssysteme werden auf der Ebene der Transkription gesteuert. Die Transkription ist ein Schritt der Genexpression, bei dem die in der DNA kodierte Information in RNA umgewandelt wird. Ein späterer Schritt der Genexpression ist die Translation, bei der die Informationen in der RNA in Proteine umgewandelt werden, das häufigste “ Arbeitstier “ der Zelle. Im Gegensatz zur Transkription war die Translation bisher nur selten über Induktoren steuerbar.
Eines meiner Projekte konzentriert sich auf die Verwendung von RNasen, spezialisierten Proteinen, die RNA schnell schneiden und abbauen. In diesem Projekt wurde eine neuartige RNase gefunden, deren Aktivität durch eine bestimmte Chemikalie gesteuert werden kann. Die ungewöhnliche Fähigkeit dieser RNase, auf die Chemikalie zu reagieren, soll als Methode zur Steuerung der Genexpression genutzt werden. Wenn dies gelingt, wird diese RNase die erste ihrer Art sein. Wenn die Translationskontrolle mit der Transkriptionskontrolle gekoppelt werden kann, wird dies die Türen zu einer Kontrollebene öffnen, die bisher in der Wissenschaft nicht erreicht werden konnte.
Modell eines RNase-Komplexes – © Vasundra Srinivasan
Steigerung der PHB-Akkumulation in Cupriavidus necator durch Erhöhung des Zellvolumens
Cupriavidus necator ist DAS Bakterium, das am häufigsten für die industrielle Produktion von PHB verwendet wird, einem vollständig biologisch abbaubaren Polymer, das einige Formen von Kunststoffen im täglichen Leben ersetzen kann. Unter den geeigneten Bedingungen speichert dieses Bakterium PHB als Energiereserve. Das Bakterium ist so gut im Speichern von PHB, dass bis zu 90 % seines Zellvolumens mit PHB-Granulat gefüllt ist. Das ist bemerkenswert, wenn man bedenkt, dass die Zelle auch Platz für ihre DNA, RNA und Proteine, einschließlich Ribosomen, benötigt. Wie kann C. necator also möglicherweise noch mehr PHB produzieren?
Eines meiner Projekte beschäftigt sich mit der kontrollierten Genexpression, um die Zellen zu zwingen, ihre Länge um bis zu 50 Mal (bis zu 100 µm) zu vergrößern. Würde dies ihre PHB-Produktion erhöhen?
Herstellung von Curdlan aus Abfällen
Curdlan ist ein wertvolles Produkt von Agrobacterium tumefaciens, einem Bakterium, das normalerweise in pflanzlichem Gewebe lebt, gelegentlich auch als Pflanzenpathogen. Meistens wird Curdlan in der Industrie hergestellt, indem Agrobacterium auf Saccharose oder Melasse, welche Pflanzenextrakte sind, wächst. Die Fermentationsbedingungen erfordern das richtige Gleichgewicht der Nährstoffe, insbesondere das optimale Verhältnis von Kohlenstoff/Stickstoff/Phosphat. Das Bakterium produziert nur dann Curdlan, wenn das Nährstoffgleichgewicht stimmt, und diese Feinabstimmung treibt die Kosten der Curdlanproduktion in die Höhe.
Eine Möglichkeit, die Kosten der Curdlanproduktion zu senken, besteht darin, das Bakterium so zu verändern, dass es das Nährstoffgleichgewicht ignorieren kann. Auf diese Weise erfolgt die Curdlanproduktion immer dann, wenn das Bakterium auf ausreichend Kohlenstoff trifft. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass das Bakterium unabhängig von den Nährstoffverhältnissen große Mengen an Curdlan aus landwirtschaftlichen Abfällen produzieren kann. Das Ergebnis ist (viel) preiswerteres Curdlan.
Quorum sensing als Produktionssystem in R. sphaeroides
Quorum sensing ist eine Form der Kommunikation zwischen Bakterien innerhalb einer Population. Die übermittelten Informationen beziehen sich auf die wichtigsten Entscheidungen, mit denen die Bakterien konfrontiert sind, z. B. ob genügend Nahrung vorhanden ist, wie groß die Population ist, ob der aktuelle Status der Nahrungsverfügbarkeit für eine Überlebensstrategie geeignet ist, nämlich zu Hause zu bleiben und einen Biofilm zu bilden, oder ob es besser wäre, Flagellen zu produzieren und sich auf die Suche nach einer besseren Umgebung zu begeben. Mit anderen Worten: Beim Quorum Sensing geht es um das bakterielle Überleben.
Aus menschlicher Sicht ist die Regulierung der Genexpression durch Quorum Sensing sehr interessant, da sie die stärkste Form der Genexpression darstellt. Von allen Genen, die das Bakterium exprimiert, haben die Gene, die mit dem Quorum Sensing zusammenhängen, die höchste Expressionskapazität. Genau diese Fähigkeit ist sehr nützlich, wenn es darum geht, die bakterielle Produktionskapazität zu nutzen. Dieses Projekt konzentriert sich auf die Charakterisierung des Quorum Sensing in Rhodobacter sphaeroides, um seine Leistung für eine maximale Produktion nutzbar zu machen.
Eine Reihe von Fotos (eines pro Stunde) von Bakterienkolonien, die wachsen und beginnen, Quorum Sensing zu betreiben, und sich danach von der Kolonie nach außen bewegen – © Matthew McIntosh
Identifizierung von Meeresbakterien, die PHB effizient abbauen können
PHB kann viele Formen von Plastik ersetzen, das in der modernen Gesellschaft so weit verbreitet ist. Wenn dieser Ersatz erfolgreich ist, können wir davon ausgehen, dass sich PHB-Abfälle in unseren Ozeanen ansammeln werden. Wie wird sich dies auf unsere Meeresumwelt auswirken? Wird dies große Populationen von Bakterien fördern, die auf den Abbau von PHB spezialisiert sind, und wenn ja, stellt dies eine Gefahr für das marine Ökosystem dar?