{"id":73508,"date":"2020-03-31T06:55:27","date_gmt":"2020-03-31T04:55:27","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=73508"},"modified":"2020-03-30T20:49:03","modified_gmt":"2020-03-30T18:49:03","slug":"ein-genetischer-nano-baukasten-fuer-neue-biomaterialien","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/ein-genetischer-nano-baukasten-fuer-neue-biomaterialien\/","title":{"rendered":"Ein genetischer Nano-Baukasten f\u00fcr neue Biomaterialien"},"content":{"rendered":"

Ein Team von Mikrobiologen an der Universit\u00e4t Bayreuth unter der Leitung von Prof. Dr. Dirk Sch\u00fcler hat mit diesem Ziel erstmals ein Baukasten-System entwickelt, das die genetische Umprogrammierung der Bakterien erm\u00f6glicht. Die Bakterien werden dadurch zu Produzenten magnetischer Nanopartikel, die verschiedene n\u00fctzliche Funktionen und Eigenschaften miteinander kombinieren. Erste Studien lassen auf eine gute Biokompatibilit\u00e4t der Partikel schlie\u00dfen. Das Anwendungspotenzial in der Biomedizin und Biotechnologie ist deshalb hoch. In der Zeitschrift \u201eSmall\u201c stellen die Wissenschaftler ihre Erkenntnisse vor.\u00a0\u00a0<\/strong><\/p>\n

Von Magnetosomen zu vielseitig n\u00fctzlichen Nanopartikeln<\/h3>\n
\"Clarissa
Clarissa Lanzloth B.Sc. und Dr. Frank Mickoleit in einem Labor der Bayreuther Mikrobiologie. Zur Analyse werden die auf der Oberfl\u00e4che der Magnetosomen befindlichen Protein-Funktionen abgetrennt und auf ihre Gr\u00f6\u00dfe hin untersucht. Foto: Christian Wi\u00dfler.<\/figcaption><\/figure>\n

Magnetbakterien der Spezies Magnetospirillum gryphiswaldense richten ihre Fortbewegungen am Erdmagnetfeld aus. In ihren Zellen sind magnetische Nanopartikel, die Magnetosomen, kettenf\u00f6rmig angeordnet und bilden damit eine Art Kompass-Nadel. Jedes Magnetosom besteht aus einem magnetischen Eisenoxid-Kern, welcher von einer Membran umgeben ist. Diese enth\u00e4lt neben Lipiden (Fetten) eine Vielzahl von Proteinen (Eiwei\u00dfen).<\/p>\n

Den Bayreuther Mikrobiologen ist es nun gelungen, an diese Proteine biochemisch aktive funktionelle Gruppen anzukoppeln, welche aus verschiedenen Fremdorganismen stammen. Das dabei angewendete Verfahren setzt bei den Genen an, die f\u00fcr die Biosynthese der Membran-Proteine zust\u00e4ndig sind. Diese Gene werden aus dem Genom (Erbgut) der Bakterien herausgel\u00f6st und mit Genen gekoppelt, welche die Herstellung der jeweiligen funktionellen Gruppen steuern. Sobald die Gene wieder in das Genom eingebaut sind, produzieren die umprogrammierten Bakterien Magnetosomen, auf deren Oberfl\u00e4che diese Gruppen fest installiert sind.<\/p>\n

\"Zelle
Zelle des magnetischen Bakteriums Magnetospyrillum gryphiswaldense mit verketteten Magnetosomen. Eine Zelle ist zwischen drei und f\u00fcnf Mikrometern lang. Unten links: Einzelnes Magnetosom mit Eisenoxid-Kern und umgebender Membran. Auf spezifischen Proteinen der Membran werden genetisch verschiedene funktionelle Gruppen aus unterschiedlichen Fremdorganismen installiert. Grafik: Frank Mickoleit \/ Clarissa Lanzloth.<\/figcaption><\/figure>\n

Im Einzelnen wurden vier unterschiedliche funktionelle Gruppen mit Membran-Proteinen gekoppelt. Hierzu geh\u00f6rt das Enzym Glukose-Oxidase aus einem Schimmelpilz, das heute bereits als \u201eZuckersensor\u201c bei Diabetes-Erkrankungen biotechnologisch angewendet wird. Ebenso konnten ein gr\u00fcn-fluoreszierendes Protein aus einer Qualle sowie ein farbstoffbildendes Enzym aus dem Bakterium\u00a0Escherichia coli, dessen Aktivit\u00e4t sich leicht messen l\u00e4sst, auf der Oberfl\u00e4che der Magnetosomen installiert werden. Die vierte funktionelle Gruppe stellt ein Antik\u00f6rper-Fragment aus einem Lama dar.<\/p>\n

\u201eMit dieser genetischen Umprogrammierung haben wir die Bakterien dazu gebracht, Magnetosomen zu produzieren, die bei einer Bestrahlung mit UV-Licht gr\u00fcn leuchten und zugleich biokatalytische Funktionen haben. Auf ihren Oberfl\u00e4chen k\u00f6nnen zielgenau verschiedene biochemische Funktionen installiert werden. So verwandeln sich Magnetosomen, die aus lebenden Bakterien stammen, in multifunktionale Nanopartikel mit faszinierenden Funktionen und Eigenschaften. Die Partikel bleiben unver\u00e4ndert, wenn man sie aus den Bakterien isoliert. Dies ist aufgrund ihrer herausragenden magnetischen Eigenschaften leicht m\u00f6glich\u201c, sagt Professor Dirk Sch\u00fcler, der die Forschungsarbeiten koordiniert hat.<\/p>\n

Ein genetischer Baukasten f\u00fcr Anwendungen in Biomedizin und Biotechnologie<\/h3>\n

Die Funktionen, mit denen die Magnetosomen von den Bayreuther Mikrobiologen ausgestattet wurden, sind nicht die einzigen, die auf der Membran installiert werden k\u00f6nnen. Sie k\u00f6nnen leicht durch andere Funktionen ersetzt werden. Das Verfahren der genetischen Umprogrammierung er\u00f6ffnet daher ein weites Spektrum von Design-M\u00f6glichkeiten. Es stellt die Grundlage f\u00fcr einen \u201egenetischen Baukasten” dar, der die Herstellung ma\u00dfgeschneiderter Magnet-Nanopartikel erlaubt. Ganz unterschiedliche n\u00fctzliche Funktionen und Eigenschaften lassen sich dabei kombinieren. Jeder dieser Partikel hat einen Durchmesser zwischen 30 und 50 Nanometern.<\/p>\n

\"Dr.
Dr. Frank Mickoleit, Prof. Dr. Dirk Sch\u00fcler und Clarissa Lanzloth B.Sc. an einem Ger\u00e4t zur Analyse, Isolation und Reinigung von Proteinen. Foto: Christian Wi\u00dfler.<\/figcaption><\/figure>\n

\u201eUnser gentechnisches Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Selektivit\u00e4t und Kontrollierbarkeit aus. Herk\u00f6mmliche chemische Kopplungsmethoden sind dagegen l\u00e4ngst nicht so leistungsf\u00e4hig\u201c, erkl\u00e4rt der Bayreuther Mikrobiologe Dr. Frank Mickoleit, der Erstautor der Studie. Er verweist auf einen entscheidenden Vorteil der neuen Biomaterialien: \u201eBisherige Studien zeigen, dass die Magnet-Nanopartikel in Zellkulturen keinen Schaden anrichten. Gute Biokompatibilit\u00e4t ist eine wichtige Voraussetzung, um die Partikel zuk\u00fcnftig in der Biomedizin anwenden zu k\u00f6nnen, etwa als Kontrastmittel in Bildgebungsverfahren oder als Sensoren in der Diagnostik. Die Partikel k\u00f6nnten so zum Beispiel helfen, Tumorzellen aufzusp\u00fcren und zu zerst\u00f6ren.\u201c Ein weiteres Anwendungsfeld sind Bioreaktorsysteme. Hierf\u00fcr eignen sich Magnet-Nanopartikel, die mit winzigen Katalysatoren best\u00fcckt sind und komplexe biochemische Prozesse erm\u00f6glichen.<\/p>\n

\u201eF\u00fcr die Kopplung verschiedener funktioneller Gruppen auf der Oberfl\u00e4che von Nanopartikeln gibt es insbesondere in der Biotechnologie und auch in der Biomedizin ein enormes Anwendungspotenzial. Die Magnetbakterien sind die Plattform f\u00fcr einen faszinierenden Nano-Baukasten, der die wissenschaftliche Kreativit\u00e4t auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie befl\u00fcgelt. Er wird weitere interessante Forschungsans\u00e4tze ansto\u00dfen\u201c, erg\u00e4nzt die Mikrobiologin Clarissa Lanzloth B.Sc., die als Mitautorin wesentlich an der neuen Studie beteiligt war und in Bayreuth den Masterstudiengang \u201eBiochemie und Molekulare Biologie\u201c absolviert.\u200b<\/p>\n

Ver\u00f6ffentlichung:<\/h3>\n

Frank Mickoleit, Clarissa Lanzloth, Dirk Sch\u00fcler: A Versatile Toolkit for Controllable and Highly Selective Multifunctionalization of Bacterial Magnetic Nanoparticles. Small (2020), doi: 10.1002\/smll.201906922<\/a><\/p>\n

Die mikrobiologische Forschungsgruppe von Professor Dirk Sch\u00fcler an der Universit\u00e4t Bayreuth tr\u00e4gt schon seit vielen Jahren dazu bei, innere Strukturen, Eigenschaften und Verhaltensweisen von Magnetbakterien aufzukl\u00e4ren. Siehe dazu u.a.:<\/p>\n

Frank Mickoleit, Val\u00e9rie J\u00e9r\u00f4me, Ruth Freitag, Dirk Sch\u00fcler: Bacterial Magnetosomes as Novel Platform for the Presentation of Immunostimulatory, Membrane-bound Ligands in Cellular Biotechnology. Advanced Biosystems (2020), doi: 10.1002\/adbi.201900231<\/a><\/p>\n

\u200bDirk Sch\u00fcler, Ren\u00e9 Uebe: Nanokristalle f\u00fcr die Magnetfeldorientierung \u2013 Biogenese von Magnetosomen. BIOspektrum (2019), doi: 10.1007\/s12268-019-0997-y<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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