Entwicklung von synthetischen, methylierungsbasierten, epigenetischen Genregulationsschaltern

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Albert Jeltsch; Professorin Dr. Nicole Radde
• Fachliche Zuordnung: Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401437149

Im vorherigen Förderzeitraum haben wir künstliche bakterielle Gedächtnissysteme entwickelt und charakterisiert, die bistabile Schalter mit positiver Rückkopplung darstellen und DNA-Methylierung nutzen, um biologische Eingabeinformationen zu speichern. Die potenziellen Anwendungen solcher Systeme sind vielfältig und umfassen die Entwicklung von Bakterien, die als lebende Sensoren Umweltverschmutzung überwachen, oder während einer Passage durch den menschlichen Körper Informationen über Krankheitsmarker und Stoffwechselzustände sammeln. Unser Ziel ist es, grundlegende Eigenschaften dieser epigenetischen Gedächtnissysteme weiterzuentwickeln, um ihre potenzielle Anwendbarkeit zu verbessern. Hierzu werden wir neuartige Eingabesysteme implementieren, die Radioaktivität, Fluorid und Theophyllin erkennen können, und Riboswitche als neue Eingabekomponenten einbinden. Um viele verschiedene Eingangssignale zu sammeln und eine grundlegende Informationsverarbeitung durchzuführen, sollen zusätzliche DNA-Methyltransferasen integriert werden. Dies wird es uns ermöglichen, Input verschiedener Eingangssignale in unterschiedlichen DNA-Methylierungscodes in einer Bakterienzelle zu speichern. Die verschiedenen Eingabekanäle sollen dann als UND- und ODER-Verknüpfungen kombiniert werden. Darüber hinaus wollen wir die quantitative dynamische Modellierung sowohl auf der Gesamtebene als auch auf der Ebene einzelner Zellen als leistungsstarkes Werkzeug nutzen, um das Verständnis der Regulationsprinzipien, der epigenetischen Schaltkreise voranzubringen und den Designzyklus zu unterstützen. Unsere Arbeit wird so den Weg für den Einsatz von Designerbakterien als lebende Biosensoren mit synthetischen, epigenetischen Schaltkreisen zur Erkennung biologischer Signale, Speicherung der Informationen in DNA-Methylierungsmustern und Datenverarbeitung als bakterielle Mikroprozessoren weiter ebnen. Unser Projekt basiert auf der engen Zusammenarbeit der Jeltsch und Radde Gruppen für fortgeschrittene biochemische und Modellierungsstudien, die in der letzten Förderperiode etabliert wurde. Wie im vorherigen Antrag wird die Jeltsch Gruppe hauptsächlich für die experimentellen Teile dieses Antrags verantwortlich sein, und eng mit der Radde Gruppe zusammenarbeiten, indem sie experimentelle Studien auf Vorhersagen aus der Modellierung stützt und experimentelle Daten wie FACS-Daten und absolute Zellkonzentrationen für Modellierungen bereitstellt. Die Radde-Gruppe ist für den Modellierungsteil des Projekts verantwortlich der das detaillierte Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen der epigenetischen Gedächtnissysteme auf molekularer Ebene befördern wird. Die Modellierungsergebnisse werden wertvolle Erkenntnisse für den Entwurf und die Verbesserung dieser Systeme liefern, insbesondere für den Fall der Kombination von Modulen zur Verarbeitung und Speicherung von Informationen als logische Gatter.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen