Lehrstuhl für Mikrobiologie - Molekulare Biotechnologiembt.wzw.tum.de/fileadmin/Dokumente/BIO/FachvorstArchiv2010/MikroBio_2010.pdf · Lehrstuhl für Mikrobiologie TU München, WZW

Lehrstuhl für MikrobiologieTU München WZWTU München, WZW

Am Hochanger 4, 85354 Freising

Wolfgang Liebl Tel 08161-715450 wliebl@wzw tum deWolfgang Liebl, Tel. 08161-715450, [email protected]




Lehrstuhl für Mikrobiologie der TU München6060°°CC

– Arbeitsgebiete –

Prof. Dr. W. Liebl, Dr. A. Ehrenreich, Dr. W. Ludwig, Dr. W. Schwarz,

Pi hil t id

pH4.6pH0.7

Dr. A. Angelov, Dr. N. Lee, Dr. V. Zverlov

Molekulare Mikrobielle Enzymologie, Extremophile

Picrophilus torridus

Spirochaeta th hil

1 Molekulare Mikrobielle Enzymologie, ExtremophileMethoden: (Meta)Genomik, Gentechnologie, FPLC, Biochemie, HPLC, DC

Clostridium thermocellum

thermophila

Diversität und Molekulare Phylogenie/

2Methoden: Metagenomik, rRNA‐Sequenzanalyse, Bioinformatik, FISH/CLSM

Mikrobielle Physiologie und GenregulationBacillus licheniformis

Gluconobacter oxydans

Clostridium acetobutylicum

Corynebacterium glutamicum

3 Mikrobielle Physiologie und GenregulationMethoden: Genomic Engineering, DNA‐Microarrays, HPLC, GC/MS, Fermentation

Li ll l i k l

Molekulare Enzymatik, Extremophile1

Lignocellulose: ein komplexes, schwer abbaubares Substrat

Enzyme für den Lignocellulose‐Abbau können für diverse biotechnologische Anwendungen Cellulose

eingesetzt werden:

• Herstellung von Zuckern aus Holz oder Stroh (als Rohstoff für die Industrie oder als Substrate für

methyl-Glucuronsäure

XylanLignin

Rohstoff für die Industrie oder als Substrate für Fermentationsverfahren)

• Produktion von Biokraftstoffen (Methan, Ethanol,

Acetyl-Xylose Xylose

Butanol) aus erneuerbaren Rohstoffen

• Bleichhilfe in Zellstoff‐/Papierherstellung

• Lebensmittel‐ und Futtermittelindustrie

• Textilindustrie / Waschmittel

Molekulare Enzymatik, Extremophile1

Extremophile als Quelle für Gene für

mGU Araα1,3α1,2

α-Glucuronidase

an

…Clostridium thermocellum

Extremophile als Quelle für Gene für interessante neue Enzyme

ß1,4X ß1,4X ß1,4X ß1,4X ß1,4X ß1,4X ß1,4X ß1,4X

Ac

3

Ac

2

Ac

3

ß1,4

Endo-Xylanase

Xyl

a

Acetylesteraseß1,4X X

Size pHopt ‘Topt’

ß-Xylosidase

Enzyme von Thermotoga maritima … T. maritima Topt = 80°C

Cellulosomen(10-20min assay)

Xylanase XynA 120 kDa 6.2 92°C

Xylanase XynB 40 kDa 5.4 105°C

β X l id B lA 4 88 kD 6 4 92°C1

Cellulose

Cellulosomen

β-Xylosidase BxlA 4 x 88 kDa 6.4 92°C

α-Arabinofuranosidase ArfA ? x 55 kDa 5.5 93°C

α-Glucuronidase AguA 76 kDa 6.0 95°C

Acet l lanesterase A eA 6 37 kDa 6 5 90°C

bacterial cell

OlpA

SdbA

1

1

1

CipA

2 4 5 6 931x

CipA

87

Kontrolle 75 °C

Acetylxylanesterase AxeA 6 x 37 kDa 6.5 ~90°CExtrem robuste

Biokatalysatoren(A.Angelov, W.Schwarz,

…und Anreiche-k lt

(A.Angelov, W.Schwarz, V.Zverlov, W.Liebl)

unbeimpft beimpft90% Abbau

Ziel: Produktion von Zuckern aus Holz (mit Bakterien-Cellulasen)

rungskulturen

Molekulare Enzymatik, Extremophile1Genomanalyse von

- extremely small genome for a non-parasitic,

6060°°CC

Picrophilus torridus

free-living organism- highest coding density among

thermoacidophilesthermophile

pH 4.6pH 0.7

genome reduction as part of theevolutionary adaptation strategy

acidophile

Beispiele laufender Genomprojekte (Koop. G2L):- Bacillus anthracis (Koop Robert-Koch-Institut) CMC- Bacillus anthracis (Koop. Robert-Koch-Institut)- Spirochaeta thermophila (thermophiler Celluloseabbauer)- Lactobacillus spec. (Koop. Prof. Vogel)- Dictyoglomus spec

CMC

Dictyoglomus spec.- Clostridium saccharobutylicum- Clostridium saccharoperbutylacetonicum- Gordonia polyisoprenivorans

ß-Glucan

Gordonia polyisoprenivorans

in Vorbereitung: - Clostridium stercorarium-

Starch (A.Angelov, W.Liebl)

Molekulare Enzymatik Diversität1 2

Die mikrobiellen Gemeinschaften inDie mikrobiellen Gemeinschaften in der Natur sind großteils unerforscht

Fraktion kultiviert: < 0.1 ‐2%. Geschätzte Zahl von Arten: 6 x 105 – 109

4-6 x1030 prokaryotic cells(Schätzung Whitmann et al 2000)

100%

>106-9

Lediglich ein kleiner Anteil der Mikro‐organismen kann mit den heute verfügbaren

(Schätzung, Whitmann et al., 2000)

>106-9 mikrobiologischen Methoden kultiviert werden

In machen Phyla keine oder nur wenige kultivierte Vertreter

0.1% ~ 104

Bakterien‐Spezies

kultivierte Vertreter

immense Diversität von Mikroorganismen

i Di ität G EBakterien Spezieskultiviert nicht‐kultiviert

immense Diversität von Genen, Enzymen, Stoffwechselwegen, Verbindungen

Große Spielwiese für Erforschung und Nutzung

Metagenom-Analyse:


g yErforschung und Nutzung des Potentials unkultivierter

Lehrstuhl fürMikrobiologie

Environmental Sample

mikrobieller Diversitätz.B. neue Cellulasenund HemicellulasenEnvironmental Sample

DNA Isolation

und Hemicellulasen

DNA Isolation

Library Construction

Biocatalysts

ß-Glucan CMCLibrary Construction

Transformation in Host Organism Bioactive Compounds

Temperaturinaktivierungs‐KinetikVon Xyl1015 aus einer Kamchatka‐Metagenom‐Library;Restaktivität bei 96°Cg

Screening, Sequence Analysis

16S rRNA, Other Markers

(A.Angelov, W.Liebl)

Der Wirtsorganismus für Klonierung und Expression ist ein


Gen 01Gen 02Gen 03

g g plimitierender Faktor für die Detektion von Genen mittels funktionellem Screening von(Meta)Genom‐Genbanken Gen 02

Gen 04Gen 05Gen 06Gen 07 Gen 07Gen 07Gen 08Gen 09Gen 10Gen 11 Expression

Ge 0

Gen 10Gen 11Gen 12Gen 13Gen 14G 15

E. coliExpression

??Problem: nur ein Teil der Gene wird

Gen 15Gen 16Gen 17Gen 18

in E. coli exprimiertUrsache: die Organismen der mikrobiellen Gemein‐

schaften überwiegend unkultivierbar ,ihre Physiologie und Genetik ist unbekannt

Gen 19Gen 20Gen 21….

ihre Physiologie und Genetik ist unbekannt

Projekt:Etablierung von Thermus thermophilus [extrem thermophiles

Gen 20

…. Etablierung von Thermus thermophilus [extrem thermophiles Bakterium (Tmax = 85°C), kompetent] als alternativer Wirt für Aktivitäts-Screening von Genbanken

Diversität, Molekularphylogenie2

Nukleinsäure-basierte Phylogenie und IdentifikationNukleinsäure-basierte Phylogenie und Identifikation

• Bioinformatik: ARB Software und Datenbanken• Bioinformatik: ARB Software und Datenbanken• Phylogenie: der konservierte Kern von Genomen• Identifikation: diagnostische PCR und Sondeng• Taxon-spezifische Zellanreicherung • Gen-Visualisierung

[email protected]

(W.Ludwig)

Bioinformatik: ARB Software und Databanken


Bioinformatik: ARB Software und Databanken

http://www.arb-home.de(W.Ludwig)


Identifizierung: diagnostische PCR und SondenA B

• rRNA targeted PCR and probes (ARB, FISH, DNA chips)

DC DC

G Vi li i• Gen-Visualisierung (Recognition of INdividual Genes: RING-FISH)

BA C

Enterobacter aerogenes :

RING-FISH, AmpC- Species-spezi- Overlay Resistenz-Gen; fische FISH(W.Ludwig, N.Lee)

Charakteristische Eigenschaften von Gluconobacter oxydans

3 Mikrobielle Physiologie, Regulation

Gram-negative, obligat aerob, mesophil (30 °C), acidotolerant

wächst in konz. Zuckerlösungen bei niedr. pH, geringe Biomasseproduktion

unvollständige Oxidation von Substraten im Periplasmaunvollständige Oxidation von Substraten im Periplasma

stereo- and regioselektive Dehydrogenierungsreaktionen

Biotechnologie von Gluconobacter oxydansOxidation von .....

ZuckernZuckersäurenP i U k Alk h l

Kann genutzt werden für die Produktion von ....EssigsäureVitamin CMiglitol (antidiabetisch)Prim. U. sek. Alkohole

Aromatische AlkoholePolyole und –derivative

Miglitol (antidiabetisch)Dihydroxyaceton (Bräunungsmittel)Gluconat (z.B. Metallbindend)5-Ketogluconat (L-Tartrat)g ( )Synthese von Aromen/Gewürzen

Laufende Projekte:

Suche nach neuen membrangebundenen Dehydro-genasen in Metagenomen von Essigsäurebakterien

neue Oxidationsprozesse?p

Engineering von G. oxidans Ganzzell-Biokatalysatoren (A.Ehrenreich, W.Liebl)


Bacillus licheniformis das Arbeitspferd der EnzymproduktionBacillus licheniformis , das Arbeitspferd der Enzymproduktion

Ganz-Genom-Microarray verfügbarverfügbar

Genomic deletions can help to

- relieve the cell from unneeded energy-consuming reactions- relieve the protein biosynthesis apparatusrelieve the protein biosynthesis apparatusrelieve the secretory apparatus - increase the genetic stability

Examples of possible deletions:prophages, insertion elements, transposases, restriction systems…

flean genome, optimized for production(A.Ehrenreich, W.Liebl)


Butanol Produktion mit Clostridium acetobutylicum -eine Antwort auf die schwindenden Ölreserven

Schnelles vegetativesWachstum

Verlangsamung des Wachstums durch:- Nährstofflimitierung- Niedriger pH

Sporulation

Säuren Lösungsmittel

Wachstum - Sporulation- Zelldichte

(Essigsäure, Buttersäure) (Aceton, Butanol, Ethanol)

Trotz langjähriger Forschung sind wesentliche Details der molekularen Vorgänge beim Umschalten von Säure‐ zu Lösungsmittelbildung und der Zusammenhang mit derUmschalten von Säure zu Lösungsmittelbildung und der Zusammenhang mit der Sporenbildung noch unverstanden Schlüssel zur Verfahrensverbesserung

(A.Ehrenreich, W.Liebl)

Transkriptomanalyse von Clostridium acetobutylicum in


p y ykontinuierlicher Kultur

Genes upregulated during acidogenic

Genes upregulated during

Genes not significantlyg g

phaseduring

solventogenic phasesignificantly

regulated

(A.Ehrenreich, W.Liebl)

Weiße BiotechnologieWeiße Biotechnologie (= Industrielle Biotechnologie)

Definition: Verwendung von Mikroorganismen, Zellen oder deren Bestandteile (Enzyme) für die

Biotechnologie wird als Innovationsmotor für die chemische Industrie

industrielle Produktion

Biotechnologie wird als Innovationsmotor für die chemische Industrie immer wichtiger

Vorteile der biotechnologischen Herstellung von Bulk‐Chemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen durch Weiße Biotechnologie, da:

‐ Schwindende Reserven (bei steigendem Bedarf) fossiler Rohstoffe für Petrochemie basierte IndustriePetrochemie‐basierte Industrie

‐ künftige Versorgung mit fossilen Rohstoffen politisch unsicher

Zunahme der globalen CO Emmissionen und damit einher gehende Problematik‐ Zunahme der globalen CO2‐Emmissionen und damit einher gehende Problematik




Module Mikrobiologie f. Bsc (5.+6. Sem) u. MSc Biologie

Lehrstuhl für Mikrobiologie – Lehre im Fortgeschrittenenstudium

V Allgemeine Mikrobiologie 2 (Mikrobielle Genetik ) (M) Schr, 60’ ab 5. Sem.3 SWS, WS - 5 Credits , Dozent: Liebl Molekulare Abläufe bei der Genexpression in Bakterien und Archaeen (Transkription, Translation, posttranslationale Vorgänge, Transport und Sekretion), Interaktionen Bakterien-Pflanzen/Tiere, Zell-Zell-Kommunikation, Gentransfer bei Prokaryoten.Transport und Sekretion), Interaktionen Bakterien Pflanzen/Tiere, Zell Zell Kommunikation, Gentransfer bei Prokaryoten.

V Mikrobielle Diversität und Entwicklung (M/O) Schr, 60’ ab 5. Sem.2 SWS, SS - 3 Credits , Dozenten: Liebl, Ludwig, Lee, Ehrenreich Phylogenie, Diversität und Evolution der Prokaryoten; Genomik/Metagenomik; Biofilme; Zell-Zellkommunikation, Zelldifferenzierungen; zelluläre MikrobiologieZelldifferenzierungen; zelluläre Mikrobiologie.

V Angewandte Mikrobiologie – Biosyntheseleistungen (M/O) Schr, 60’ ab 5. Sem.2 SWS, SS - 3 Credits , Dozenten: Liebl, Ehrenreich Aerober und anaerober Energiestoffwechsel, Zuckerstoffwechsel, Stickstoffassimilation, mikrobielle Produktion von Alkoholen,

i h Sä A i ä A tibi tik Bi lorganischen Säuren, Aminosäuren, Antibiotika, Biopolymeren.

V Angewandte Mikrobiologie – Abbauleistungen (M/O) Schr, 60’ ab 5. Sem.2 SWS, WS - 3 Credits , Dozenten: Liebl, Schwarz Mikrobiologie, Physiologie und Enzymatik des Abbaus von Naturstoffen (Zucker, Polysaccharide, Proteine, Aromaten, Xenobiotika).

S Proseminar – mikrobielle Vielfalt (O) S ab 5. Sem.2 SWS, SS - 2 Credits , Dozent: Liebl Phototrophe, chemoorganotrophe und chemolithotrophe Prokaryoten, Extremophile Prokaryoten, Vielfalt und Energiegewinn,Phototrophe, chemoorganotrophe und chemolithotrophe Prokaryoten, Extremophile Prokaryoten, Vielfalt und Energiegewinn, Differenzierung bei Prokaryoten, Chemotaxis.

S Proseminar – mikrobielle Wirkstoffe (M/O) S ab 5. Sem.2 SWS, WS - 2 Credits , Dozent: Liebl Bakterielle Toxine Sekundärstoffwechsel AntibiotikaBakterielle Toxine, Sekundärstoffwechsel, Antibiotika.

E Exkursion zur Angewandten Mikrobiologie (M/O) Pr ab 5. Sem.Zwei1-tägige Exkursionen im SS oder WS - 2 Credits, Dozenten: Liebl, Seidl, Ehrenreich Besichtigung von Firmen, die mit Mikroorganismen Produkte herstellen oder mikrobiologische Qualitätskontrolle machen.

Module Mikrobiologie f Bsc (5 +6 Sem) u MSc Biologie


Module Mikrobiologie f. Bsc (5.+6. Sem) u. MSc Biologie

P Organismische und Molekulare Mikrobiologie (M/O) Pr,K ab 5. Sem.10 SWS, Blockpraktikum n.Vb. im WS - 10 Credits , Liebl, Schwarz, Ludwig, Ehrenreich, Lee Mikrobielle Vielfalt, Physiologie und Genetik: Anreicherungs- und Screeningtechniken, Isolierung und Charakterisierung , y g g g , g gvon Bakterien aus verschiedenen Habitaten, anaerobe Kultivierung, molekulare Identifizierungsmethoden, DNA-Isolierung, genetische Charakterisierung, Wachstumsphysiologie. Begleitend dazu: Seminar Methoden der Mikrobiologie. Kapazität: 8 Studierende

P Forschungspraktikum Molekulare Mikrobielle Enzymatik (M) Pr,K ab 1. Sem. MScP Forschungspraktikum Molekulare Mikrobielle Enzymatik (M) Pr,K ab 1. Sem. MSc10 SWS im WS/SS - 10 Credits , Dozenten: Liebl, Schwarz Einführung in die experimentelle mikrobiologische Forschung, Klonierung und Sequenzanalysen von Bakteriengenen, Genbanken, Metagenomgenbanken, Enzymreinigung und biochemische Charakterisierung. Voraussetzung: Praktikum Organismische und Molekulare Mikrobiologie (oder vergleichbare Vorkenntnisse)

1Voraussetzung: Praktikum Organismische und Molekulare Mikrobiologie (oder vergleichbare Vorkenntnisse)Kapazität: 3 Studierende

P Forschungspraktikum Diversität und Molekularphylogenie (M) Pr,K ab 1. Sem. MSc10 SWS im WS/SS - 10 Credits , Dozenten: Liebl, Ludwig, Lee 2 gEinführung in die experimentelle mikrobiologische Forschung, Klonierung, Genbanken, Metagenomanalyse, Sequenzanalysen, Entwurf von Oligo-und Ploynukleotidsonden, Fluoreszenz in situ Hybridisierungen, Herst. u. Verwendung von DNA-Chips. Voraussetzung: Praktikum Organismische und Molekulare Mikrobiologie (oder vergleichbare Vorkenntnisse) Kapazität: 3 Studierende

2

p

P Forschungspraktikum Mikrobielle Physiologie u. Genregulation (M/O)Pr,K ab 1. Sem. MSc10 SWS im WS/SS - 10 Credits Dozenten: Liebl, Ehrenreich Einführung in die experimentelle mikrobiologische Forschung, Physiologie und gentechnische Modifizierung biotechnologisch

l B k i Kl i d F i H V d DNA Chi i T k i l

3relevanter Bakterien, Klonierung oder Fermentation, Herst. u. Verwendung von DNA-Chips, genomweite Transkriptomanalyse. Voraussetzung: Praktikum Organismische und Molekulare Mikrobiologie (oder vergleichbare Vorkenntnisse) Kapazität: 3 Studierende

Module Mikrobiologie (f BSc 5 +6 Sem) u MSc Biologie


Module Mikrobiologie (f. BSc 5.+6. Sem) u. MSc Biologie

Ergänzende Veranstaltungen in Mykologie:

V Einführung in die Mykologie (O) ab 5. Sem.1 SWS, Blockveranstaltung n.V. in Ferien (Sept.) - 2 Credits , Dozent: Seidl

in Kombination mitP Mikrobiologisches Praktikum 2 (O) ab 5. Sem.

5 SWS, Blockveranstaltung n.V. in Ferien (Sept.) - 5 Credits , Dozent: Seidl

V Moderne Methoden mikrobiologischer Diagnostik (M/O) ab 5 SemV Moderne Methoden mikrobiologischer Diagnostik (M/O) ab 5. Sem.2 SWS, SS - 3 Credits , Dozent: Seidl

V Einführung in die Mykopathologie (O) 2 SWS, WS - 3 Credits , Dozent: Seidl

Vorschlag für Organismische u. Molekulare Mikrobiologie im BSc-Studium:


V Allgemeine Mikrobiologie 2 (Mikrobielle Genetik ) (WS) (M) Schr, 60’ ab 5. Sem.3 SWS, WS - 5 Credits , Dozent: Liebl Genomik, Molekularbiologie der Genexpression in Bakterien und Archaeen (Transkription, Translation, posttransl. Vorgänge, Transport und Sekretion), Interaktionen Bakterien-Pflanzen/Tiere, Zell-Zell-Kommunikation, Gentransfer bei Prokaryoten. p ) y

V Mikrobielle Diversität und Entwicklung (SS) (M/O) Schr, 60’ ab 5. Sem.oder

V Angewandte Mikrobiologie Biosyntheseleistungen (SS) (M/O) Schr 60’ ab 5 Semo.M

yk.

V Angewandte Mikrobiologie – Biosyntheseleistungen (SS) (M/O) Schr, 60 ab 5. Sem.oder

V Angewandte Mikrobiologie – Abbauleistungen (WS) (M/O) Schr, 60’ ab 5. Sem.

1 au

s 3

S Proseminar – mikrobielle Vielfalt (O) S ab 5. Sem.2 SWS, SS - 2 Credits , Dozent: Liebl Phototrophe, chemoorganotrophe und chemolithotrophe Prokaryoten, Extremophile Prokaryoten, Vielfalt und Energiegewinn, Diff i b i P k t Ch t iDifferenzierung bei Prokaryoten, Chemotaxis.

P Organismische und Molekulare Mikrobiologie (M/O) Pr,K ab 5. Sem.10 SWS, Blockpraktikum n.Vb. im WS - 10 Credits , Liebl, Schwarz, Ludwig, Ehrenreich, Lee Mikrobielle Vielfalt, Physiologie und Genetik: Anreicherungs- und Screeningtechniken, Isolierung und Charakterisierung von Bakterien aus verschiedenen Habitaten, anaerobe Kultivierung, molekulare Identifizierungsmethoden, DNA-Isolierung, genetische Charakterisierung, Wachstumsphysiologie. Begleitend dazu: Seminar Methoden der Mikrobiologie. Kapazität: 8 Studierende

Kombinieren z.B. mit Fächern aus Richtung Biochemie, Genetik


P Organismische und Molekulare Mikrobiologie (M/O) Pr,K ab 5. Sem.10 SWS, Blockpraktikum n.Vb. im WS - 10 Credits , Liebl, Schwarz, Ludwig, Ehrenreich, Lee Mikrobielle Vielfalt, Physiologie und Genetik: Anreicherungs- und Screeningtechniken, Isolierung und Charakterisierung von Bakterien aus verschiedenen Habitaten, anaerobe Kultivierung, molekulare Identifizierungsmethoden, DNA-Isolierung, genetische Charakterisierung, Wachstumsphysiologie. Begleitend dazu: Seminar Methoden der Mikrobiologie. Kapazität: 8 Studierende

Art: Forschungsnahes Blockpraktikum in 2er-Gruppen

Umfang: 6 Wochen ganztags

Wann: n.Vb. (vor Beginn des WS, vorauss. ab 06.09.2010)

Wo: Lehrstuhl für Mikrobiologie, Emil-Ramann-Str. 4

Kapazität: 8 Studierende

Anmeldung: Eintragung in Liste am Lehrstuhl (EG) ab 18.06. bis 16.07.2009;Bei mehr Interessenten als Plätze Entscheidung über Zulassungbis Ende Juli

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