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Biologische Systeme:
Einzeller & multizelluläre Organismen (Pro- und eukaryotische Mikroorganismen bis zu Höheren Pflanzen)
Zelluläre Ebene – Organellen & Zellkompartimente
Molekülverbände & Einzelmoleküle Bioanalytik – Nukleinsäure- und Proteinanalysen
Nutzung von Experimentalsystemen der Pflanzenwissenschaften, um komplexe organismische und zelluläre Leistungen zu verstehen. Stichworte: Komplexität der Genregulation, Signaltransduktionswege, Struktur & Funktion von Proteinkomplexen, Molekulare Physiologie, ´Metabolic Engineering´, Einsatz molekulargenetischer Erkenntnisse in biotechnologischen Verfahren
SP Molekulare Biologie & Biotechnologie der Pflanzen & Mikroorganismen
Beteiligte Lehrstühle:
LS Allgemeine und Molekulare Botanik
LS Pflanzenphysiologie
LS Biologie der Mikroorganismen
LS Biochemie der Pflanzen
Medizinisches Proteomcenter
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
Methodisch-technische Grundlagen:
• Transgene Mikroorganismen und Pflanzen
• Molekulargenetische Verfahren (´Genetic engineering´)
• Synthese rekombinanter Proteine - Struktur und Funktionsanalysen
• HPLC, MALDI-TOF, Massenspektrometrie, CD-Spektroskopie, SPR
• Massenfermentation
• Real-Time PCR, Array-Systeme, Bioinformatik (Transcriptomics, Proteomics, Lipidomics)
• Fluoreszenzmikroskopie
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
Mit dem Schwerpunkt assoziiert : Christian Doppler Labor für "Biotechnologie der Pilze"
Protein Research Department
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (Grünalgen in modularen Lebenserhaltungssystemen)
EU-Projekt "CyanoFactory" (Solar biofuel production with (photo)synthetic cell factories)
Mehrere nationale Verbundvorhaben (Membranproteomics; Biowasserstoffproduktion; Mitochondriale Netzwerke von Signalwegen bei der Alterung & der Lebensspannenkontrolle)
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
Methoden: • Experimentalsysteme:
Bakterien, Algen, Hefen & Hyphenpilze
• Mikrobiologische Grundtechniken: Steriles Arbeiten, Optimierung von Anzuchtmedien
• Molekulargenetische Techniken: Herstellung und Analyse transgener Algen und Pilze à Funktionsanalyse von Genen
• Biochemische Techniken: Isolation und Charakterisierung von Multiproteinkomplexen
• à Kenntnis von zellulären Signaltransduktionsnetzwerken
• „Functional Genomics“: Genomics, Transcriptomics, Proteomics à Parallelanalyse der Genexpression
• Zellbiologische Techniken: Fluoreszenzmikroskopie à Kenntnis zelldynamischer Prozesse
Lehrstuhl für Allgemeine & Molekulare Botanik Prof. Dr. Ulrich Kück http://www.ruhr-uni-bochum.de/allgbotanik/ Projekte : Molekulare Entwicklungsbiologie von Algen und Pilzen
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
Christian Doppler Labor für "Biotechnologie der Pilze" http://www.ruhr-uni-bochum.de/cd-labor/
• Projekte: Molekulargenetik biotechnologisch relevanter Pilze
• Frage: Was sind die genetischen Grundlagen bei mikrobiellen Hochproduzenten? Wie werden Biosynthesen von Sekundärmetaboliten genetisch reguliert?
• Ziel: Gerichtete Änderung der Genexpression (und Proteinbiosynthese) durch "genetic engineering"
• Organismen: Pilze die Pharmaprodukte produzieren,
wie z.B. Penicillin (ß-Lactamantibiotikum), Cyclosporin A (Immunosuppressivum), Statine (Cholesterinsenker, z.B. Lovastatin), usw.
• Methoden: „Functional Genomics“, Veränderung von Genom,
Transcriptom und Proteom von biotechnologisch relevanten Hyphenpilzen
Lehrstuhl für Allgemeine & Molekulare Botanik
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
www.rub.de/ngkourist/index.html.de CH3
Ar CO2HCO2H
CH3
Ar CO2HH
CO2
Hochdurchsatz-Screens
Aktives Zentrum einer Decarboxylase
Nachwuchsgruppe Mikrobielle Biotechnologie: Jun.-Prof.Dr. Robert Kourist
Fragestellungen:
• Optimierung von Enzymen zur Herstellung hochwertiger Pharmastoffe
• Entwicklung umweltschonender Verfahren zur stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe
Methoden:
• Gerichtete Evolution – zufallsbasierte Mutagenese kombiniert mit Hochdurchsatz-Screens
• Rationales Protein Design – zielgerichtete Optimierung von Enzymen auf Basis von Computer-Simulationen
Zentrale Fragestellung : Evolutionäre Anpassung: Wie sind molekulare Prozesse verändert?
Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie (www.rub.de/pflaphy) Ökologische Funktionelle Genomik, Prof. Dr. Ute Krämer
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
Cd, Zn
Arabidopsis halleri
Modell: Schwermetalltoleranz und Schwermetall-Hyperakkumulation
Millionen Jahre her
Arabidopsis thaliana
Vergleich Methodik: Ø „Next-generation sequencing“ (RNA-Seq, gDNA) Ø Quantitative PCR
(Transkriptmengen und Genkopienzahlen) Ø RNA-Interferenz („Silencing“ von Kandidatengenen) Ø Hydrokultur Ø Multi-Elementanalytik Ø Arbeiten am natürlichen Standort
(z.B. Siegerland, Harz)
Zentrale Fragestellung : Wie passen Pflanzen sich an die Verfügbarkeit von Nährstoffen an?
Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie Pflanzliche Metall-Homöostase-Netzwerke, Prof. Dr. Ute Krämer
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
Modell: Nährstoffe Eisen, Zink, Kupfer (oft limitierend); „analoge“ Toxine z.B. Cadmium
Methodik: Ø Vorwärts und reverse Genetik Ø Molekularbiologie (transgene Pflanzen) Ø Zellbiologie Ø Quantitative RT-PCR Ø Pflanzenphysiologische Assays Ø Multi-Elementanalytik Ø Heterologe Expression/Funktionelle
Komplementation
Vom Modellorganismus…
Gerste
… zur menschlichen Ernährung:
Arabidopsis
• Steuerung Proteintransport zu den versch. Kompartimenten des Chloroplasten (beteiligte Proteine, Energieversorgung, Regulation?) • Transport eines Makromoleküls durch eine "undurchlässige" Membran?
Zentrale Fragestellung : Proteintransport-Mechanismen in Chloroplasten höherer Pflanzen
Methoden: • Molekularbiologische Techniken: PCR, Klonierungen, Southern & Northern Blots etc. • Proteinchemische Techniken: Proteinüberexpression in Bakterien, in vitro Translation von Proteinen; Protein-Protein-Interaktionen • Pflanzenspezifische Techniken: Chloroplastenisolation und Fraktionierung, in vitro Import Assays, Arabidopsis-Mutanten
Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie (www.rub.de/Danja Schuenemann/) AG Molekularbiologie pflanzlicher Organellen, Prof. Dr. Schünemann
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
Lehrstuhl für Biologie der Mikroorganismen Prof. Dr. Franz Narberhaus (www.rub.de/mikrobiologie)
• Temperaturmessung durch RNA-Thermometer (Kontrolle der Translation durch Aufschmelzen der Ribosomenbindestelle)
• Kleine regulatorische RNAs in Agrobacterium tumefaciens • Regulierte Proteolyse in E. coli • Phosphatidylcholin bei der symbiontischen & pathogenen
Bakterien-Pflanzen-Interaktion • N2-Fixierung und Molybdän-Stoffwechel im phototrophen
Bakterium Rhodobacter capsulatus (Dr. Bernd Masepohl)
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
Methoden: Genetik (Mutationen, Reportergen-Fusionen) Biochemie/Strukturbiologie (RNA-Strukturkartierung) Bioinformatik (Suche nach neuen regulatorischen RNAs) Proteomics (Einfluss von Antibiotika)
Biochemie / Molekularbiologie Mutanten, Reportergenfusionen Enzym-Aktivitätstests Abs.- & Fluoreszenz-Spektroskopie Mikroskopie
Globale Ansätze Proteomik (2D-Gele, Massenspektrometrie) Lipidomik Mutanten-Screening
Wie wirken Antibiotika und technische Plasmen? Charakterisierung von Angriffsorten und Wirkmechanismen, physiologische Auswirkungen, Reaktion der Bakterienzelle
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
Lehrstuhl für Biologie der Mikroorganismen AG Mikrobielle Antibiotikaforschung, Prof. Dr. Julia Bandow
Methoden :
AG Redox Proteomics Prof. Dr. Lars Leichert (www.medizinisches-proteom-center.de)
Funktionelle Metagenomik • Entdeckung neuartiger Enzyme & Biokatalysatoren für die Biotechnologie • Erschliessung der mikrobiologischen Vielfalt
Methoden:
• Synthetische Biologie • Massenspektrometrie • Protein-Biochemie • Genetik • Mikrobiologie • Bioinformatik • Metagenomik
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
Stammbaum Thioredoxine im
marinen Metagenom
wildty
pe
Δdsb
A
Δdsb
A +
GOS_269
9315
from
plas
mid
Redox- Biochemie
0
20
40
60
80
100
0.001 0.01 0.1 1 10 100
∆E°= -107 mV
% o
xidi
zed
mM oxidized Glutathion
OxRed
Phenotypische Assays
Phylo- Genetik
Lehrstuhl für Biochemie der Pflanzen: Prof. Dr. Matthias Rögner (www.bpf.rub.de)
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
Fragestellungen: 1) Bioenergetik der Photosynthese
• Struktur, Funktion, Biogenese und Regulation von Komponenten der photosynthetischen und respiratorischen Elektronentransportkette der Cyanobakterien (3D Kristallisation; NMR – Coop. Prof. R. Stoll)
• Dynamik energietransduzierender Membransysteme in Cyanobakterien (Spektroskopie coop. MPI MH; Membranproteomics & Lipidomics)
2) Biotechnologie der Photosynthese : Designzelle für Biowasserstoffproduktion
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
Modellorganismus (Cyanobacterium)
Design- proteine
Semiartifizielles System
Zelluläres System
Methoden: • Isolierung & Charakt.
Membranprotein-mutanten • Elektrochemie der
"Biobatterie" (RESOLV & Koop. Prof. Schuhmann)
• Design & Entwicklung neuer Photobioreaktoren; kont. Reaktorsysteme
Lehrstuhl für Biochemie der Pflanzen: AG Photobiotechnologie – Prof. Dr. Thomas Happe
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
Fragestellungen: • Biogenese, Struktur & Funktion von Hydrogenasen u.a. O2-empfindlichen
Redoxenzymen in Mikroalgen • Proteindesign von Hydrogenasen für biotechnologische Anwendungen • Anaerobe, NO-abhängige Signaltransduktionswege
Methoden:
• Molekularbiologie • Transcriptomics • Anaerobes Arbeiten • Spektroskopie • Elektrochemie • Biochemie • Strukturchemie • Directed Evolution
SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie
Lipidstoffwechsel Hefe
Nachwuchsgruppe Biotechnologie & Proteomik PD Dr. Ansgar Poetsch (www.bpf.rub.de)
Fragestellungen:
• Entwicklung von Methoden zur Bestimmung des Protein- & Metabolitprofils (u.a. für Altersforschung)
• Analyse und Veränderung des Stoffwechsels von Mikroorganismen zur Herstellung von Feinchemikalien
Methoden:
• Massenspektrometrie: Lipidomik & Proteomik
• Mikrobiologie: Kultivierung, Klonierung, Mutagenese
• Biochemie: Enzym-/Protein-Assays
• Bioinformatik: Datenprozessierung/-analyse, Stoffwechselmodellierung
L-Lysin Produzent Corynebacterium
glutamicum