Konstruktion Synthetischer Protein Interaktions Schalter und Speichermodule

• Antragsteller: Professor Dr. Viktor Stein
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437166030

Die Konstruktion künstlicher Signalverarbeitungssysteme konstituiert ein Schlüsselziel der synthetischen Biologie mit vielfältigen Anwendungen in der Grundlagenforschung und der Biotechnologie. Die systematische Konstruktion künstlicher Signalverarbeitungssysteme, die parallel und unabhängig zu den endogenen Systemen einer Zelle funktionieren, ist derzeit aufgrund mangelnder Komponenten nur bedingt möglich. Hier bergen virale Proteasen, die mit massgeschneiderten Schalt- und Sensor-Funktionen ausgestattet werden können, grosses Potential. Bisher entwickelte Systeme sind jedoch durch langsame Reaktionskinetiken sowie die Art der Signale, die empfangen werden können, stark eingeschränkt. Um diesen Einschränkungen zu begegnen soll zunächst mittels eines modularen Ansatzes ein Satz künstlich-regelbarer Protein-Interaktions Module konstruieren werden. Konkret sollen regelbare Protein-Interaktions-Module als Schnittstellen zwischen proteolytischen Schaltern und ihren Substraten fungieren und in Abhängigkeit eines molekularen Inputs durch allosterische oder kooperative Funktionen eine Signalübertragung initiieren. Regelbare Protein-Interaktions-Module werden dabei nach struktur-gerichteten Prinzipien konstruiert, im Hochdurchsatz empirisch optimiert und im Anschluss biophysikalisch charakterisiert um die zugrunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen mit dem Hauptaugenmerk auf der Rolle von Linker-Elementen. Das zweite Ziel verfolgt die Konstruktion bistabilier Schaltkreise auf Basis von zwei sich gegenseitig regelnden proteolytischen Schaltern. Dabei sollen bistabile Zustände mittels regelbarer Protein-Interaktions-Module post-translational induziert und nach Abnahme des Inputs erhalten werden. Bistabile Schaltkreise werden mittels topologie-gerichteten Design konstruiert und anschliessend bzgl. genetischer und extrazellulärer Parameter empirisch optimiert. Die Robustheit bistabiler Schaltkreise wird grundsätzlich mittels Hysterese quantifiziert um ihr Potential als Speichermodule zur Aufzeichnung post-translationaler Impulse zu evaluieren. Darüber hinaus sollen Proteindegradierungs-Reporter Aufschluss geben, welche physiologischen Prozesse in der Zelle die Funktion bistabiler Schaltkreise einschränken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen