Künstliche bakterielle Koazervate

• Antragsteller: Daniele Di Iorio, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520634207

Dieser Antrag zielt darauf ab, eine neue Art von künstlich hergestelltem lebendem Material (ELM) zu entwickeln, das den Namen „künstliche bakterielle Koazervate" (EBCs) tragen wird. Die Bildung und Charakterisierung solcher neu entwickelten Materialien wird der Schwerpunkt des vorgestellten Projekts sein. EBCs werden aus Koazervaten bestehen, die nach der Flüssig-Flüssig-Phasentrennung lebende Bakterien einkapseln. Die Kombination von Koazervaten mit gentechnisch veränderten Bakterien wird zu einer neuen Klasse vielseitiger „Living-in-Synthetic" führen, die für eine breite Palette von Anwendungen eingesetzt werden kann. Einerseits werden die Koazervate als Käfige für Bakterien fungieren und deren Funktion und Lebensfähigkeit bewahren. Andererseits verleihen die eingekapselten lebenden Bakterien den Protozellen bei Bedarf einzigartige Eigenschaften, die durch gentechnische Methoden präzise entwickelt werden können. Dieser Ansatz bringt mehrere große Vorteile mit sich. Das Vorhandensein gentechnisch veränderter Bakterien ermöglicht die Produktion von Stoffwechselprodukten, für die komplexe enzymatische Wege erforderlich sind, und erhöht damit die Komplexität im Vergleich zu publizierten künstlichen Zellen. Bakteriell produzierte Metabolite können in-situ in Koazervaten durch sekundäre, eingekapselte Enzyme umgewandelt und erfolgreich in die äußere Umgebung freigesetzt werden. Hier werden zwei Ansätze für die Untersuchung von EBCs untersucht, (i) die in situ Bildung von Koazervaten in einer Lösung, die gentechnisch veränderte Bakterien enthält, und (ii) die Verwendung von gentechnisch veränderten Bakterien als Nukleationszentren für die Bildung von Koazervaten. Die Integration von Top-Down Komponenten in Bottom-Up synthetischen Zellen wie Koazervaten stellt einen neuen Weg zur Verbesserung der Komplexität und Funktionalität innovativer Hybridmaterialien dar. Die entwickelten EBCs werden charakterisiert, um die Überlebensbedingungen von Bakterien zu bewerten und ihre Verwendung in unkonventionellen Medien oder Materialien zu untersuchen. Schließlich werden „Proof-of-Principle“-Experimente durchgeführt, um die Aktivität der bakteriellen Koazervate und ihre „On-Demand"-Produktion von Metaboliten, sowie ihre Reaktionsfähigkeit auf externe Stimuli nachzuweisen. Weiterführende Entwicklungen könnten das adaptive und selbstregulierende Verhalten betreffen, indem Koazervate und Bakterien sich gegenseitig als Reaktion auf externe Impulse in ihren Eigenschaften beeinflussen würden. Insgesamt wird die Entwicklung von EBCs mit dieser Arbeit den Grundstein für den Einsatz solcher Materialien in zahlreichen zukünftigen Anwendungen legen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen