Upload
dangthuy
View
226
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Lehrstuhl für MikrobiologieTU München, WZW
Am Hochanger 4, 85354 Freising
Wolfgang Liebl, Tel. 08161-715450, [email protected] g @
Lehrstuhl für MikrobiologieTU München, WZW
Am Hochanger 4, 85354 Freising
Wolfgang Liebl, Tel. 08161-715450, [email protected] g @
Lehrstuhl für Mikrobiologie der TU München6060°°CC
– Arbeitsgebiete –
Prof. Dr. W. Liebl, pH4.6pH0 7Dr. A. Ehrenreich, Dr. W. Ludwig, Dr. W. Schwarz,
Dr. A. Angelov, Dr. N. Lee, Dr. V. ZverlovPicrophilus torridus
pH0.7
Molekulare Mikrobielle Enzymologie, ExtremophileMethoden: (Meta)Genomik, Gentechnologie, FPLC, Biochemie, HPLC, DC
Clostridium thermocellum
Spirochaeta thermophila
1
Diversität und Molekulare PhylogenieMethoden: Metagenomik, rRNA‐Sequenzanalyse, Bioinformatik, FISH/CLSM
2
Mikrobielle Physiologie und Genregulation Bacillus licheniformis
Gluconobacter oxydans
Clostridium acetobutylicum
Corynebacterium glutamicum
3Methoden: Genomic Engineering, DNA‐Microarrays, HPLC, GC/MS, Fermentation
3
Molekulare Enzymatik, Extremophile1Extremophile als Quelle für Gene für
Enzyme für den Lignocellulose‐Abbau können
Extremophile als Quelle für Gene für interessante neue Enzyme
y gfür diverse biotechnologische Anwendungen eingesetzt werden:
• Herstellung von Zuckern aus Holz oder Stroh (als Rohstoff für die Industrie oder als Substrate für Fermentationsverfahren) methyl- Xylan
Cellulose
LigninFermentationsverfahren)
• Produktion von Biokraftstoffen (Methan, Ethanol, Butanol) aus erneuerbaren Rohstoffen
Glucuronsäure
Acetyl-Xylose Xylose
T.maritima Enzyme des Xylanabbaus Size pHopt ‘Topt’ (10-20min assay)
Xylanase XynA 120 kDa 6.2 92°CC
)
• Bleichhilfe in Zellstoff‐/Papierherstellung
• Lebensmittel‐ und Futtermittelindustrie Xylanase XynB 40 kDa 5.4 105°Cβ-Xylosidase BxlA 4 x 88 kDa 6.4 92°Cα-Arabinofuranosidase ArfA ? x 55 kDa 5.5 93°Cα Glucuronidase AguA 76 kDa 6 0 95°C
Lebensmittel und Futtermittelindustrie
• Textilindustrie / Waschmittel
α-Glucuronidase AguA 76 kDa 6.0 95 CAcetylxylanesterase AxeA 6 x 37 kDa 6.5 ~90°C
Extrem robuste
(A.Angelov, W.Schwarz, V.Zverlov, W.Liebl)
Extrem robuste Biokatalysatoren4
Molekulare Enzymatik, Extremophile1Genomanalyse von
extremely small genome for a non parasitic6060°°CC
yPicrophilus torridus
- extremely small genome for a non-parasitic,free-living organism
- highest coding density among thermoacidophilesthermophile
pH 4.6pH 0.7
thermoacidophiles
genome reduction as part of theevolutionary adaptation strategy
t e op e
acidophile
Beispiele laufender Genomprojekte (Koop. G2L):- Bacillus anthracis (Koop. Robert-Koch-Institut)- Spirochaeta thermophila (thermophiler Celluloseabbauer)
CMC- Spirochaeta thermophila (thermophiler Celluloseabbauer)- Lactobacillus spec. (Koop. Prof. Vogel)- Dictyoglomus spec.
Cl t idi h b t li- Clostridium saccharobutylicum
in Vorbereitung:- Caldibacillus cellulovorans
ß-Glucan
- Caldibacillus cellulovorans- Gordonia polyisoprenivorans
Starch (A.Angelov, A. Ehrenreich, W.Liebl)5
Molekulare Enzymatik Diversität1 2
Di ik bi ll G i h f iDie mikrobiellen Gemeinschaften in der Natur sind großteils unerforscht
Fraktion kultiviert: < 0.1 ‐2%. Geschätzte Zahl von Arten: 6 x 105 – 109
4 6 1030 k ti ll
100% Lediglich ein kleiner Anteil der Mikro‐
4-6 x1030 prokaryotic cells(Schätzung, Whitmann et al., 2000)
%
>106-9 organismen kann mit den heute verfügbaren mikrobiologischen Methoden kultiviert werden
0 1% ~8,000
In machen Phyla keine oder nur wenige kultivierte Vertreter
0.1% ,
Bakterien‐Spezieskultiviert nicht kultiviert
immense Diversität von Mikroorganismen
immense Diversität von Genen, Enzymen, kultiviert nicht‐kultiviert
Stoffwechselwegen, Verbindungen
Diese natürliche Diversität der Mikroorganismen und gihrer Gene, Enzyme, Stoffwechselwege und biologischen Verbindungen harrt der Erforschung und Nutzung6
Metagenom-Analyse:
Molekulare Enzymatik Diversität1 2Metagenom-Analyse: Erforschung und Nutzung des Potentials unkultivier-
Lehrstuhl fürMikrobiologie
des Potentials unkultivierbarer mikrobieller Diversität
Environmental Sample z.B. neue Cellulasenund Hemicellulasen
DNA Isolation Biocatalysts
Library Construction ß-Glucan CMC
Transformation in Host Organism Bioactive Compounds
Screening, Sequence Analysis16S rRNA,
Other Markers(A.Angelov, W.Liebl)7
Der Wirtsorganismus für Klonierung und Expression ist ein
Molekulare Enzymatik Diversität1 2
Gen 01Gen 02 Gen 02
Der Wirtsorganismus für Klonierung und Expression ist ein limitierender Faktor für die Detektion von Genen mittels funktionellem Screening von(Meta)Genom‐Genbanken
Gen 02Gen 03Gen 04Gen 05
Gen 02Problem: nur ein Teil der Gene wird
in E. coli exprimiertGen 05Gen 06Gen 07Gen 08
Gen 07Ursache: die Organismen der mikrobiellen Gemein‐
schaften überwiegend unkultivierbar ,unbekannte Physiologie, Genetik
Gen 09Gen 10Gen 11Gen 12
Gen 10
E coliExpression
Gen 12Gen 13Gen 14Gen 15
E. coli??
Gen 15Gen 16Gen 17Gen 18
Etablierung alternativer Wirte für Aktivitäts‐Screening von Genbanken,
Gen 19Gen 20Gen 21 Gen 21
z.B. Thermus thermophilus (extrem thermophil, Tmax= 85°C, kompetent)
….
8
Diversität, Molekularphylogenie2Bioinformatik: ARB Software und Databanken
Ph logenie der konser ierte
Bioinformatik: ARB Software und Databankenhttp://www.arb-home.de
Phylogenie: der konservierte Kern von Genomen
• Small subunit rRNA• Large subunit rRNA• Elongation – initiation factors• Proton translocating ATPase subunitsProton translocating ATPase subunits• Heat shock proteins• recA• RNA polymerases• DNA gyrases• Aminoacyl tRNA sythetases• Ribosomal proteins
A B
Identifizierung: diagnostische PCR und Sonden DC• rRNA targeted PCR and probesg p
(ARB, FISH, DNA chips)• Strain, pathovar specific PCR and probes
(Subtraction hybridisation, MASH)
(W.Ludwig) 9
Diversität, Molekularphylogenie2
Taxon-spezifische Zell-Anreicherung
FISH: oligo - polynuc. probe
Probe mediated cell immobilisation
Gen-Visualisierung (Recog-nition of INdividual Genes:
BA C
RING-FISH)
EnterobacterEnterobacter
aerogenes:
(W.Ludwig, N.Lee)RING-FISH, AmpC- Species-spezifische FISH; Overlay
Resitenz-Gen; 10
Charakteristische Eigenschaften von Gluconobacter oxydans
3 Mikrobielle Physiologie, Regulation
Gram-negative, obligat aerob, mesophil (30 °C), acidotolerantwächst in konz. Zuckerlösungen bei niedr. pH, geringe Biomasseproduktion
Charakteristische Eigenschaften von Gluconobacter oxydans
unvollständige Oxidation von Substraten im Periplasmastereo- and regioselektive Dehydrogenierungsreaktionen
Oxidation von .....Z k
Biotechnologie von Gluconobacter oxydans
ZuckernZuckersäurenPrim. U. sek. AlkoholeAromatische AlkoholeAromatische AlkoholePolyole und –derivative wie zyklische Polyole
Kann genutzt werden für die Produktion von ....EssigsäureVitamin CMiglitol (antidiabetisch)Dihydroxyaceton (Bräunungsmittel)Gluconat (z.B. Metallbindend)5-Ketogluconat (L-Tartrat)Synthese von Aromen/Gewürzen
11
E i C St ff h l
3 Mikrobielle Physiologie, Regulation
Energie- u. C-Stoffwechsel von Gluconobacter oxydans
MicroGrid Microarrayer von BioRobotics
Rolle von löslichen Dehydrogenasen für denC-Stoffwechsel von Gluconobacter oxydans
Suche nach Funktionen für die membrangebundenen Dehydrogenasen unbekannter Funktion
neue Oxidationsprozesse?neue Oxidationsprozesse? Engineering von G. oxidans Ganzzell-Biokatalysatoren
Ganz-Genom-Microarray von G. oxydans 621H mit97 % aller ORFs > 300 bpverfügbar
(A.Ehrenreich, W.Liebl) 12
3 Mikrobielle Physiologie, Regulation
Bacillus licheniformis das Arbeitspferd der EnzymproduktionBacillus licheniformis , das Arbeitspferd der Enzymproduktion
Lactate
ButanediolPEP Acetolactate Acetoin
Genomic deletions can help to
Pyruvate
Acetyl‐CoA
Citrate
Acetate
Acetyl‐P
Oxaloacetate
Genomic deletions can help to- relieve the cell from unneeded
energy-consuming reactions2‐Oxoglutarate
Malate
Fumarate
Succinate
Acetyl‐CoAIsocitrate
Glyoxylate
energy consuming reactions- relieve the protein biosynthesis apparatus- relieve the secretory apparatus
i th ti t bilit
Succinyl‐CoA
Untersuchung der aktiven Stoffwechselwege mit- increase the genetic stability
Examples of possible deletions:
Stoffwechselwege mit DNA-Microarrays
prophages, insertion elements, transposases, restriction systems…
lean genome, optimized for production13
B t l P d kti it Cl t idi t b t li
3 Mikrobielle Physiologie, Regulation
Butanol Produktion mit Clostridium acetobutylicum -eine Antwort auf die schwindenden Ölreserven
Säuren(Essigsäure, Buttersäure)
Schnelles vegetativesWachstum
( g , )
LösungsmittelVerlangsamung des Wachstums durch: Lösungsmittel
(Aceton, Butanol, Ethanol)des Wachstums durch:- Nährstofflimitierung- Niedriger pH- Sporulationp- Zelldichte
Trotz langjähriger Forschung sind wesentliche Details der molekularen Vorgänge beim U h lt Sä Lö itt lbild d d Z h it dUmschalten von Säure- zu Lösungsmittelbildung und der Zusammenhang mit der Sporenbildung noch unverstanden Schlüssel zur Verfahrensverbesserung
Transkriptomanalyse von Clostridium acetobutylicumin kontinuierlicher Kultur
14
Weiße BiotechnologieWeiße Biotechnologie (= Industrielle Biotechnologie)
Definition: Verwendung von Mikroorganismen, Zellen oder deren Bestandteile (Enzyme) für die 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 Industrie
‐ künftige Versorgung mit fossilen Rohstoffen politisch unsicher
‐ Zunahme der globalen CO2‐Emmissionen und damit einher gehende Problematikg 2 g
15
Module Mikrobiologie f. Bsc (5.+6. Sem) u. MSc BiologieLehrstuhl für Mikrobiologie – Lehre im Fortgeschrittenenstudium
g ( ) gV 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,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.
V Mikrobielle Diversität und Entwicklung (M/O) Schr, 60’ ab 5. Sem.2 SWS, SS - 3 Credits , Dozenten: Liebl, Ludwig Phylogenie, Diversität und Evolution der Prokaryoten; Genomik/Metagenomik; Biofilme; Zell-Zellkommunikation, Zelldifferenzierungen; zelluläre Mikrobiologie.
V Angewandte Mikrobiologie – Biosyntheseleistungen (M/O) Schr, 60’ ab 5. Sem.2 SWS SS - 3 Credits Dozenten: Liebl Ehrenreich2 SWS, SS 3 Credits , Dozenten: Liebl, Ehrenreich Aerober und anaerober Energiestoffwechsel, Zuckerstoffwechsel, Stickstoffassimilation, mikrobielle Produktion von Alkoholen, organischen 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 SemS 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, Differenzierung bei Prokaryoten ChemotaxisDifferenzierung bei Prokaryoten, Chemotaxis.
S Proseminar – mikrobielle Wirkstoffe (M/O) S ab 5. Sem.2 SWS, WS - 2 Credits , Dozent: Liebl Bakterielle 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.
M d l Mik bi l i f B (5 6 S ) MS Bi l i
Lehrstuhl für Mikrobiologie – Lehre im Fortgeschrittenenstudium
Module Mikrobiologie f. Bsc (5.+6. Sem) u. MSc BiologieP 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 StudierendeKapazität: 8 Studierende
P 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 Bakteriengenen1 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)Kapazität: 3 Studierende
1
P Forschungspraktikum Diversität und Molekularphylogenie (M) Pr,K ab 1. Sem. MSc10 SWS im WS/SS - 10 Credits , Dozenten: Liebl, Ludwig, Lee Einführung in die experimentelle mikrobiologische Forschung, Klonierung, Genbanken, Metagenomanalyse, Sequenzanalysen, 2Entwurf 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
P Forschungspraktikum Mikrobielle Physiologie u Genregulation (M/O)Pr K ab 1 Sem MScP 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 relevanter Bakterien Klonierung oder Fermentation Herst u Verwendung von DNA-Chips genomweite Transkriptomanalyse
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
M d l Mik bi l i (f BS 5 6 S ) MS Bi l i
Lehrstuhl für Mikrobiologie – Lehre im Fortgeschrittenenstudium
Module Mikrobiologie (f. BSc 5.+6. Sem) u. MSc Biologie
Ergänzende Veranstaltungen in Mykologie:g g y g
V Einführung in die Mykologie (O) ab 5. Sem.1 SWS Blockveranstaltung n V in Ferien (Sept ) - 2 Credits Dozent: Seidl1 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: Seidl5 SWS, Blockveranstaltung n.V. in Ferien (Sept.) 5 Credits , Dozent: Seidl
V 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
18
Vorschlag für Organismische u. Molekulare Mikrobiologie im BSc-Studium:Lehrstuhl für Mikrobiologie – Lehre im Fortgeschrittenenstudium
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, g p ( p p g gTransport und Sekretion), Interaktionen Bakterien-Pflanzen/Tiere, Zell-Zell-Kommunikation, Gentransfer bei Prokaryoten.
V Mikrobielle Diversität und Entwicklung (SS) (M/O) Schr, 60’ ab 5. Sem.dM
yk.
oderV Angewandte Mikrobiologie – Biosyntheseleistungen (SS) (M/O) Schr, 60’ ab 5. Sem.
oderV Angewandte Mikrobiologie Abbauleistungen (WS) (M/O) Schr 60’ ab 5 Semau
s 3
o.M
V Angewandte Mikrobiologie – Abbauleistungen (WS) (M/O) Schr, 60’ ab 5. Sem.
S Proseminar – mikrobielle Vielfalt (O) S ab 5. Sem.2 SWS SS 2 C dit D t Li bl
1 a
2 SWS, SS - 2 Credits , Dozent: Liebl Phototrophe, chemoorganotrophe und chemolithotrophe Prokaryoten, Extremophile Prokaryoten, Vielfalt und Energiegewinn, Differenzierung 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, Genetik19
Lehrstuhl für Mikrobiologie – Lehre im Fortgeschrittenenstudium
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 Lee10 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: 7 Wochen ganztagsg g g
Wann: n.Vb. (vor Beginn des WS, vorauss. ab 1.9.09)
Wo: Lehrstuhl für Mikrobiologie, Am Hochanger 4Wo: Lehrstuhl für Mikrobiologie, Am Hochanger 4
Kapazität: 8 Studierende
Anmeldung: Eintragung in Liste am Lehrstuhl (EG) ab 01 06 bis 15 07 2009;Anmeldung: Eintragung in Liste am Lehrstuhl (EG) ab 01.06. bis 15.07.2009;Bei mehr Interessenten als Plätze Entscheidung über Zulassungbis Ende Juli
20