LABORWELT 06/2011

laborwelt Nr. 6 / 2011 – 12. Jahrgang

Synbio & Systembiologie Der virtuelle Patient – Modellierung als neuer Weg in der Krebsforschung

Paper des Monats: Aptamerkonstrukt reguliert Expression von Säugergenen

Quantitative Physiologie: Basis für die Entwicklung von Produktionsstämmen

l Expertenpane BIO-IT 01_LW6_11_Titel_tg.indd 1

16.11.2011 17:10:24 Uhr

Bilder: Fotolia/remar, XYZproject

Umweltinstitut Offenbach Frankfurter Straße 48, 63065 Offenbach Tel: (069) 81 06 79, Fax: (069) 82 34 93 mail@umweltinstitut.de

www.umweltinstitut.de

Sicherheit bei Arbeiten in gentechnischen Anlagen Bundesweit staatlich anerkannte 2-tägige Ausbildung zum Projektleiter und Beauftragten für die Biologische Sicherheit gem. § 15 Abs. 4 GenTSV.

Termine: 19. – 20.3.12, 6. – 7.9.12 In immer mehr Produktionsverfahren finden gentechnisch veränderte Organismen Anwendung. Somit nimmt auch die Anzahl der Anlagen zu, in denen mit solchen Organismen umgegangen wird.

Deshalb ist es für alle Personen, die mit gentechnischen Anlagen zu tun haben, wichtig, das erforderliche Wissen und die entsprechende Sachkunde zu besitzen, um ■ gentechnische Anlagen errichten und sicher betreiben zu können ■ die Aufgaben als Projektleiter oder Beauftragter für die Biologische

Sicherheit wahrnehmen zu können oder ■ als Mitarbeiter oder Führungskraft die Gefahren zu kennen, damit sicher

umgehen und fundierte Entscheidungen treffen zu können.

Leitung:

ehmerzahl. n.

Begrenzte Teiln ch rechtzeitig a si ie S en d el m Bitte

Dipl. Biol. Christine Jansen, Umweltinstitu Offenbach Referenten: Dr. Astrid Brandt, Hessisches Ministerium für Umwelt; Dr. Halil Gültekin, Beauftragter für die Biologische Sicherheit, Abbott GmbH & Co. KG, Wiesbaden; Matthias Mann, Rechtsanwalt, Egelsbach; Dr. Jürgen Mertsching, Beauftragter für die Biologische Sicherheit, Medizinische Hochschule Hannover; Dr. Tobias Jacobi, Ministerium für Umwelt und Forsten Rheinland-Pfalz;

Der Fortbildungslehrgang ist bundesweit staatlich anerkannt. Sie erhalten aktuell und praxisnah in 2 Tagen die erforderlichen Kenntnisse zur Erlangung der Sachkunde für Projektleiter und Beauftragte für die Biologische Sicherheit nach § 15 Abs. 4 der Gentechniksicherheitsverordnung (GenTSV).

Unterrichtszeiten: erster Tag: 9.00 – 18.00 Uhr zweiter Tag: 9.00 – 17.00 Uhr

Sie profitieren von der klaren Erläuterung der Inhalte aktueller Regelungen im Gentechnikrecht , den Tipps für die Umsetzung und dem Erfahrungsaustausch mit Referenten und Fachkollegen.

Nach Anmeldung erhalten Sie eine Anmeldebestätigung und eine Rechnung. In der Teilnahmegebühr sind ausführliche Seminarunterlagen sowie Kaffee, Pausengetränke, Gebäck, Obst und Mittagessen enthalten.

Zielgruppen:

S-Bahn-Haltestelle: „Offenbach-Marktplatz“, S1, S2, S8 und S9, 10 Min. ab Frankfurt am Main-Hauptbahnhof.

■ Biologen, Chemiker, Mediziner, Ingenieure, die als Projektleiter oder

Beauftragte für die Biologische Sicherheit bestellt werden sollen

inkl. Kaffeepausen und gemeinsames Mittagessen Lehrgangsgebühr EUR 680,– (mehrwertsteuerfrei)

Hotelverzeichnis und Anfahrtsplan werden der Anmeldebestätigung beigelegt.

■ Fach- und Führungskräfte, die Wissen auf dem Gebiet des Gentechnik-

rechts benötigen, um fundierte Entscheidungen zu treffen

Inhalt: ■ Rechtsvorschriften für gentechnische Anlagen und Freisetzungen und

zum Arbeitsschutz ■ Gefährdungspotentiale von Organismen in gentechnischen Anlagen und

bei Freisetzungen

❏ Anmeldung

per FAX (069) 82 34 93

Termine: ❏ 19. – 20.3.12 ❏ 6. – 7.9.12 Absender:

■ Sicherheitsaspekte im Umgang mit Organismen in der Gentechnik

Risikobewertung und Sicherheitseinstufung ■ Sicherheitsmaßnahmen ■ Sterilisation, Desinfektion, Inaktivierung ■ Organisatorische Maßnahmen ■ Praktische Beispiele und Übungen, Erfahrungsberichte

02_LW6_11_Umweltinstitut-Offenbach.indd 1

16.11.2011 17:10:43 Uhr

Editorial | Inhalt

Lernen von der Natur Sowohl die Systembiologie als auch die Synthetische Biologie verwirren konventionelle Biologen. Ging es jahrzehntelang darum, die komplexen biologischen Systeme bis auf wenige zu untersuchende Parameter zu reduzieren, haben die beiden Disziplinen gerade das Gegenteil zum Ziel – eine Gesamtbeschreibung der sich zeitlich ständig ändernden Komplexität zellulären Geschehens. Wie die Beiträge in dieser Themenausgabe „Systembiologie und Synthetische Biologie“ zeigen, geht es dabei zunächst um die quantitative Erfassung biologischer Parameter wie des Mutanoms, Proteoms, (Epi-)Genoms etc., die Integration der Daten in Modellen, die den Prozess möglichst gut beschreiben, und den Abgleich mit der Realität.

Die Synthetische Biologie geht dabei noch einen Schritt weiter und nutzt die erkannten Prinzipien zur Konstruktion neuartiger Systeme.

In der Mikrobiologie sollen auf diese Weise neue Chassis-Organismen entstehen, die sich zur heterologen Produktion synthetisch schwer zugänglicher Chemikalien eignen (vgl. Seite 10, 16). In der Medizin warten Forscher bereits mit synthetischen Zellprothesen auf, die Stoffwechseldefekte wie Gicht reparieren (vgl. Seite 6, 8). Auch die mathematischen Modellierungsansätze zur Simulation biologischer Vorgänge werden immer ambitionierter: Sie reichen von der Beschreibung von osmotischem Stress (vgl. S. 26) über die Interaktionen des Hepatitis C-Virus mit Leberzellen (vgl. S. 13) bis hin zu individualisierten Krebsmodellen (vgl. S. 19).

Zukunftspfade beschreitet im nächsten Jahr auch LABORWELT. Statt einem Thema präsentieren wir Ihnen gleich drei pro Heft, die vorab auf einer neuen Online-Plattform zusammen mit aktuellen Nachrichten, Publikationen, Jobangeboten und allen relevanten Informationen rund ums Labor monatlich erscheinen. Einen Eindruck der ausgebauten Online-Plattform können Sie sich unter www.laborwelt.de verschaffen.

Thomas Gabrielczyk

Inhalt 4

Paperwelt Highlight des Monats Artifizieller Aptamer-Schalter reguliert Säuger-Genexpression David Ausländer et al., ETH Zürich, DBSE, Basel

6

Report Synthetische Netzwerke Synthetische genetische Schalter in medizinischen Anwendungen Wilfried Weber, Fakultät für Biologie, Universität Freiburg Titel: SynBio & Systembiologie Einen virtuellen Patienten wollen Forscher im EU-FlagshipProjekt IT Future of Medicine auf Basis von Omics-Daten im Computer entstehen lassen. Mehr dazu ab Seite 19.

Bild: Tonis Pan at http://ClipartOf.com/20405

10

Blitzlicht Mikrobiologie Quantitative Physiologie als Basis für rationale Stammentwicklung Jan Förster und Lars Blank, RWTH Aachen

13

Blitzlicht Virus-Wirt-Interaktion Systembiologie der Hepatitis C-Virus-Wirts-Interaktionen Lars Kaderali et al., Universität Heidelberg

16

Blitzlicht Synthetische Biologie Hefe – eine universelle chemische Mikrofabrik Jutta Heim et al., Evolva SA, Reinach, Schweiz

19

21

Blitzlicht Medizinische Biotechnologie Biopeptide: synthetische Biologie zur Produktion von Peptiden Alexander Craig et al., ATG:biosynthetics GmbH, Merzhausen

24

Wissenschaft Epidemiologie Sequencing offenbart Reservoir für Ebola-ähnliche Viren in Europa Burkhard Ziebolz, Roche Applied Science, Penzberg

26

Blitzlicht Systembiologie Zellprozesse: zwischen Modell und gezieltem Experiment Edda Klipp, Theoretische Biophysik, Humboldt-Universität zu Berlin

29

Wissenschaft Landesexzellenzinitiative Fundamentals for synthetic biological systems – SynBio An-Ping Zeng, Technische Universität Hamburg-Harburg,

32

Blitzlicht Maschinelles Lernen Vorhersage der Interaktion von Zielgenen mit Proteinen Tobias Bauer und Rainer König, DKFZ und Universität Heidelberg

35

Blitzlicht Bioinformatik Neues Tool zur Vorhersage des Alzheimer-Risikos Thomas Willnow et al., Max Delbrück Centrum für Molekulare Medizin, Berlin

40

Blitzlicht Mikrobiologie SYNMIKRO: Synthetische Mikrobiologie in Marburg Bruno Eckhardt, Universität Marburg, MPI für terrestrische Mikrobiologie

42 45 49 50

Stellenmarkt Verbände/Produktwelt Termine Ausblick / Impressum

In diesem Heft

Expertenpanel: BIO-IT Mit dem immer schnelleren und immer billigeren Next-GenerationSequencing wächst auch der Berg zu analysierender Daten – derzeit doppelt so schnell wie die Rechnerkapazität. Die Zeichen der Zeit haben auch die IT-Firmen erkannt. Sie bereiten sich auf die Ära des Exa-Scale-Computings, die Speicherung in sicheren Clouds und die Datenintegration in Multicore-Prozessoren vor. Vor welchen Anforderungen das Feld Bio-IT durch die Stratifizierung der Medizin und die Modellierung ganzer individueller Patienten steht, beleuchtet das LABORWELT-Expertenpanel ab Seite 38.

LABORWELT

03_LW6_11_Intro.indd 3

Blitzlicht Modellierung Der virtuelle Patient – neue Wege in der Krebsforschung Alexander Kühn und Christoph Wierling, Max-Planck-Institut für molekulare Genetik, Berlin

12. Jahrgang | Nr. 6/2011 | 3

18.11.2011 10:43:59 Uhr

Paperwelt Highlight des Monats

Artifizieller AptamerSchalter reguliert Säuger-Genexpression David Ausländer, Markus Wieland, Simon Ausländer, Marcel Tigges und Martin Fussenegger, ETH Zürich, Department of Biosystems Science and Engineering , Basel: Rational design of a small molecule-responsive intramer controlling transgene expression in mammalian cells, Nucl. Acids Res. (2011) doi: 10.1093/nar/gkr829 Aptamere erkennen mit hoher Affinität verschiedenste Liganden in und auf Zellen und sind als sogenannte Riboswitches in der Lage, durch Liganden-Bindung deren Funktion zu modulieren. Ein neues, im Oktober vorgestelltes Aptamerkonstrukt reguliert in Säugerzellen die Genexpression abhängig von der Dosis extern zugegebenen Theophyllins. Um dies zu erreichen, schleusten Ausländer et al. das sogenannte Tet-OFF-System in Säugerzellen ein und konstruierten ein bispezifisches RNA-Molekül, das ein Theophyllin-bindendes Sensor-Aptamer mit einem Tet-Repressor-Aptamer (TetR-Aptamer) vereint, welches in Anwesenheit von Theophyllin das Tet-Transaktivator (tTA)Protein bindet. Durch die Bindung dissoziiert das DNA-bindende tTA-Protein von dem Tet-Promotor und verhindert damit die Expression des Gens, das unter Kontrolle des Tet-Promotors steht.

LABORWELT: Was sind Ihre wichtigsten Ergebnisse?

Erweiterung um weitere Liganden-spezifische Sensoraptamere ist in der Zukunft denkbar.

Ausländer: Wir konnten mit unserer Arbeit zeigen, dass das zuvor in Bakterien verwendete TetR-Aptamer auch in höheren Organismen aktiv ist und dadurch die in Säugerzellen weitverbreiteten Tet-Systeme regulieren kann. In einem nächsten Schritt konnten wir die Aktivität des TetR-Aptamers unter die Kontrolle eines weiteren Aptamers setzen, welches das Medikament Theophyllin bindet. Dieses neuartige, bispezifische RNA-Konstrukt wies sowohl in Säugerzellen als auch im Reagenzglas vergleichbare Eigenschaften auf. Die neue Regulationsmöglichkeit der Genexpression in Säugerzellen stellt einen weiteren, wichtigen Baustein für synthetische Netzwerke dar.

LABORWELT: Wie sind Sie experimentell vorgegangen?

LABORWELT: Was hat Sie motiviert, einen Theophyllinabhängigen artifiziellen Genschalter zu konstruieren?

Ausländer: In den letzten Jahrzehnten wurde eine Vielzahl an unterschiedlichen Tet-Systemen in Säugerzellen entwickelt, welche meist auf der Proteinebene unterschieden werden können – zum Beispiel ob ein Gen an- oder ausgeschaltet wird. Bisher war die Regulation des Tet-OFFSystems auf eine Molekülklasse beschränkt und konnte nur mit den Tetracyclin-Antibiotika reguliert werden. Wir wollten die Regulationsmöglichkeiten um ein anderes kleines Molekül erweitern und haben dafür auf RNA-Ebene die Aptamer-Technologie genutzt und das bekannte Theophyllin-Aptamer verwendet. Eine 4 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

04_LW6_11_Paperwelt_Ausländer.indd 4

Ausländer: Ein wichtiger Aspekt in der Synthetischen Biologie ist das rationale Design. Durch die logische Zusammensetzung von zwei bekannten RNA-Bausteinen konnten wir ein modulares, bispezifisches RNA-Molekül konstruieren. Dieses Konstrukt besteht aus drei verschiedenen Modulen: Das Sensor-Modul stellt das TheophyllinAptamer dar, welches nach Bindung seines Liganden seine Struktur ändert. Dabei wird das über ein Verbindungsmodul verknüpfte EffektorModul, das TetR-Aptamer, in einer Weise beeinflusst, dass es seinen Liganden, das tTA-Protein, ebenfalls binden kann. Interessanterweise hat sich herausgestellt, dass die Länge und der Aufbau der Verbindungssequenz das Verhalten des Konstruktes in Säugerzellen signifikant verändert.

LABORWELT: Wo liegen die konkreten Anwendungsfelder solcher Schalter?

Ausländer: Die Konstruktion von komplexen genetischen Netzwerken in Säugerzellen ist eine Zukunftstechnologie, mit der man therapeutische oder biotechnologische Probleme lösen möchte. In diesen synthetischen Netzwerken werden eine Vielzahl an Regulatoren in Reihe oder parallel geschaltet. Deshalb ist man auf die Entwicklung neuartiger Schalter angewiesen, um eine höhere Komplexität zu erreichen. Ein Beispiel

David Ausländer M.Sc., Jahrgang 1985, ist seit November 2010 Doktorand im Department Biosystems, Science and Engineering der ETH Zürich in Basel. Sein Studium der Biochemie absolvierte er an der TU München, das mit dem JürgenManchot-Studienpreis gewürdigt wurde.

Während seines Masterstudiums forschte er im Rahmen eines Auslandssemesters in England am Cancer Research Institute in Cambridge. In der Gruppe von Professor Martin Fussenegger an der ETHZ fertigte der formal an der TU München studierte Biochemiker von Mai bis Oktober 2010 extern seine Masterarbeit an.

ist ein Schalter, der nach Einstrahlung blauen Lichtes ein Peptidhormon aktiviert, das die Insulinproduktion in Typ2-Diabetes-Mäusen anregt.

Wir nennen diese Schaltkreise, die den Ausfall bestimmter Funktionen kompensieren, Prothesenetzwerke. Im vergangenen Jahr haben wir erstmals solch ein Netzwerk vorgestellt, das die Blutharnsäure-Konzentration in gichtkranken Mäusen reguliert.

LABORWELT: Welche weiteren Anwendungen solcher Riboswitches haben Sie noch im Sinn und wie gehen Ihre Arbeiten jetzt weiter?

Ausländer: Aptamere können eine Vielfalt verschiedenster Molekülklassen binden und werden deshalb auch als chemische Antikörper bezeichnet. Je nach Funktion des Liganden können Genexpression, Protein-Protein-Interaktionen oder andere wichtige biochemische Prozesse einer Zelle moduliert werden. Ich glaube, dass das mit unserem RNA-Schalter gezeigte Prinzip beispielhaft sein kann für eine Vielzahl an neuartigen Schaltern. Der modulare Aufbau erlaubt es theoretisch, nahezu jedes erdenkliche Aptamer als Effektor- oder Sensor-Modul zu verwenden.

In Zukunft möchten wir diese Art RNA-Schalter in synthetische Netzwerke implementieren, wo es zum Beispiel ein Krankheit-relevantes Molekül erkennt und dadurch als Antwort ein therapeutisches Protein aktiviert.

LABORWELT

17.11.2011 10:27:51 Uhr

Molecular Biology

Thermal Cyclers

Liquid Handling

Analytik Jena is a leading system provider for bioanalysis, from DNA purification through robotics, PCR products, and detection to complex kits for molecular diagnostics in the areas of life science and biotechnology.

Biometra develops, manufactures and offers a complete range of innovative instruments that meet the requirements of all applications. With more than 20 years of expertise in Peltier technology Biometra thermal cyclers represent the highest quality. The TRobot is specially designed for automized High Troughput environments.

CyBio is a worldwide established manufacturer of high quality liquid handling and automation technologies with the highest reputation for precision, reliability and simplicity.

CyBio sets standards in fast and accurate pipetting in 96, 384 and 1536 well formats.

lifescience@analytik-jena.com www.bio.analytik-jena.com

info@cybio-ag.com www.cybio-ag.com

info@biometra.com www.biometra.com

High performance overall solutions

Analytik Jena AG Life Science Konrad-Zuse-Strasse 1 07745 Jena / Germany Phone +49 (0) 36 41 77 - 94 00 Fax +49 (0) 36 41 77 - 76 77 76

05_LW6_11_Analytic-Jena.indd 1

lifescience@analytik-jena.com www.bio.analytik-jena.com

16.11.2011 17:23:49 Uhr

Report Synthetische Regelkreise

Synthetische genetische Schalter in medizinischen Anwendungen Sabrina Wend1,2, Kathrin Jakobus1 und Wilfried Weber 1,2,3, 1 Fakultät für Biologie, Universität Freiburg, 2Spemann Graduate School of Biology and Medicine SGBM, Universität Freiburg, 3BIOSS Centre for Biological Signalling Studies, Universität Freiburg Das Ziel der Synthetischen Biologie ist der rationale Entwurf und die Konstruktion von biologischen Verfahren und Systemen mit gewünschten Eigenschaften. Die Basis hierfür ist eine ständig wachsende Anzahl von gut charakterisierten Biomolekülen, die modular zu den gewünschten Systemen zusammengesetzt werden können. In diesem Übersichtsartikel soll dargestellt werden, wie einzelne biologische Komponenten zu genetischen Schaltern und Regelkreisen in tierischen Zellen kombiniert werden können, um damit neue Anwendungen in der medizinischen Forschung zu eröffnen. Im zweiten Teil wird dargestellt, wie die genetischen Schalter aus der Synthetischen Biologie in die Materialwissenschaften übertragen werden können, um dort neuartige Biomaterialien für zukünftige biomedizinische Anwendungen zu synthetisieren.

Die Grundlage komplexer synthetischer GenNetzwerke in tierischen Zellen sind molekulare Schalter, die es ermöglichen, die Aktivität eines Gens über einen externen Stimulus zu steuern. Ein prominentes Beispiel eines solchen Schalters ist das sogenannte TET-System, mit dem einzelne Gene über die Gabe des Antibiotikums Tetrazyklin an- oder abgeschaltet werden können. Das TET-System basiert auf dem Tetrazyklin-Repressor TetR sowie seiner spezifischen Operator-Binde-Sequenz tetO.

In Gegenwart steigender Tetrazyklin-Konzentrationen wird diese Protein-DNA-Interaktion dosisabhängig geschwächt. Solche Ligandenabhängigen Protein-DNA-Paare können verwendet werden, um die Genexpression in tierischen Zellen durch verschiedene Prinzipien zu steuern: In einer Repressions-basierten Konfiguration verhindert die Bindung des Repressors an seinen Operator die Aktivität eines konstitutiven Promoters (Abb. 1A), wogegen die Zugabe des externen Stimulus

Abb. 1: Konstruktion und Anwendung synthetischer biologischer Schalter. (A) Repressionsgesteuerter Schalter zur Kontrolle der Genexpression. Die Bindung des TetrazyklinRepressors TetR an seine DNA Operatorsequenz (tetO) reprimiert die Expression des Zielgens ZG (rotes Kreuz). Nach Zugabe von Tetrazyklin (rote Raute) löst sich TetR von tetO und der konstitutive Promotor (Pconst) wird de-reprimiert (grüner Pfeil).

(B) Aktivierungs-gesteuerter Schalter zur Kontrolle der Genexpression. Der Tetrazyklin-Repressor TetR wird an eine Aktivierungsdomaine A fusioniert. Die Bindung dieses chimären Transkriptionsfaktors an den Operator tetO führt zur Aktivierung des Minimalpromoters Pmin und zur Induktion der Genexpression. Durch Zugabe von Tetrazyklin wird die TetR-tetO-Interaktion gehemmt, und die Genexpression wird ausgeschaltet.

6 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

06-09_LW6_11_Weber_tg.indd 6

die Protein-DNA-Bindung aufhebt und somit die Genexpression wiederhergestellt wird.

In der sogenannten Aktivierungs-basierten Konfiguration wird der Repressor an eine Aktivierungsdomäne fusioniert. Dieses chimäre Protein kann nun dazu verwendet werden, um einen Minimalpromoter zu aktivieren, der an eine entsprechende Operatorsequenz fusioniert wurde. In dieser Konfiguration führt die Zugabe des externen Stimulus zu einer Abschwächung der Genexpression, da das aktivierende Protein von dem Zielpromoter abgelöst wird (Abb. 1B).

Anwendungen biologischer Schalter im Gesundheitsbereich Entdeckung neuer Wirkstoffe gegen Antibiotika-resistente Bakterien: In diesem Beispiel soll dargestellt werden, wie ein genetischer Schalter in menschlichen Zellen dazu verwendet werden kann, um neue Wirkstoffe gegen Antibiotika-resistente Bakterien zu entdecken. Die Verwendung tierischer Zellen hat zum Vorteil, dass schon im ersten ScreeningSchritt Substanzen ausgeschlossen werden können, die entweder toxisch auf menschliche Zellen wirken oder die nicht in der Lage sind, in menschliche Zellen einzudringen, was besonders für die Bekämpfung intrazellulärer Krankheitserreger, wie zum Beispiel von Tuberkulosebakterien, notwendig ist.

In einer kürzlich veröf fentlichten Studie1 wurde ein genetischer Schalter verwendet, um neue Wirkstoffe zu entdecken, die in der Lage sind, die intrinsische Resistenz von Tuberkulosebakterien gegen das Antibiotikum Ethionamid auszuschalten. In Tuberkulosebakterien führt die Interaktion des RepresRepres sorproteins EthR mit seiner Operatorsequenz OEthR zur Ethionamid-Resistenz. Daher wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine niedernieder molekulare Verbindung, die die EthR-OEthRInteraktion hemmt, zu einer Abschwächung der Medikamentenresistenz führen sollte. Um solche Wirkstoffe zu entdecken, wurde analog zu dem Tetrazyklin-basierten System (Abb. 1B) ein genetischer Schalter konstruiert, der auf dem Repressorprotein EthR aus Mycobacterium tuberculosis und seiner Operatorsequenz OEthR beruht (Abb. 2). Dieser Schalter wurde in menschlichen Zellen implementiert und zum Screening einer chemischen WirkstoffbiWirkstoffbi bliothek verwendet. In diesem Prozess wurde der niedermolekulare Ester 2-Phenylethylbutyrat als Wirkstoff charakterisiert. Er ist in der Lage ist, in menschliche Zellen einzudringen, hat keine offensichtlichen Nebenwirkungen auf Zellen und ist in der Lage, die Bindung von EthR an seine Operatorsequenz zu inhibieren.

Nachfolgende Untersuchungen an Tuberku-

www.laborwelt.de LABORWELT

16.11.2011 17:24:16 Uhr

FL_SureSelect_210x290:Layout 1 8/2/11 9:18 AM Page 1

Timely Service Quality Results Unmatched Expertise

Bringing High Performance to Target Capture Fully automated Agilent SureSelect* target capture services for next generation sequencing Beckman Coulter Genomics has developed a fully automated target capture pipeline using the research-proven Agilent SureSelect system.

• Process hundreds to thousands of samples • LIMS sample tracking • Enhanced sample to sample reproducibility • Flexible multiplexing options By utilizing Beckman Coulter’s innovative SPRIworks Fragment Library System and the Biomek laboratory automation platform, the conventional manual tasks associated with target capture have been eliminated.

To learn more about automated target capture please visit www.beckmangenomics.com

* All trademarks are property of their respective owners. Beckman Coulter, the stylized logo, Biomek and SPRIworks are registered trademarks of Beckman Coulter, Inc.

Sequencing

07_LW6_11_Beckman-Coulter.indd 1

Gene Expression

Genotyping

Biologics Testing

16.11.2011 17:25:23 Uhr

Report Synthetische Regelkreise

Abb. 2: Genetischer Schalter zur Entdeckung von pharmazeutischen Wirkstoffen. Analog zu dem Tetrazyklin-abhängigen genetischen Schalter (Abb. 1B) wurde der Repressor EthR aus Mycobacterium tuberculosis sowie die dazugehörige Operatorsequenz OEthR verwendet, um die Expression des Zielgens sekretierte alkalische Phosphatase (SEAP) zu kontrollieren. Dieses System kann verwendet werden, um in einer chemischen Bibliothek Substanzen zu identifizieren, die in der Lage sind, EthR von OEthR abzulösen, was durch eine erniedrigte SEAP-Expression angezeigt wird. Gleichzeitig können bei dieser Suche Substanzen ausgeschlossen werden, die zytotoxisch sind oder die nicht in der Lage sind, in Zellen einzudringen. losebakterien zeigten, dass die Kombination von Ethionamid und 2-Phenylethylbutyrat zu einer effizienten Abtötung der Krankheitserreger führte, wogegen gleiche Konzentrationen der individuellen Wirkstoffe keinen abtötenden Effekt zeigten1.

Ein genetischer Regler zur Kontrolle der Harnsäurekonzentration bei Gicht Etwa 1,4% der westlichen Bevölkerung leidet an Gicht, welche durch eine zu hohe Konzentration an Harnsäure im Blutserum verursacht wird. Die daraus resultierende Kristallisation von Harnsäure in Gelenken führt zu schmerz-

vollen Entzündungsreaktionen und Gewebeschäden. Auf der anderen Seite jedoch stellt Harnsäure einen effizienten Schutz gegen reaktive Sauerstoffradikale dar. In einer kürzlich erschienenen Studie wurde ein genetischer Regelkreis entwickelt, der zum Abbau erhöhter Harnsäurekonzentrationen führt, jedoch physiologische Harnsäurekonzentrationen nicht beeinflusst 2. Dieser Regelkreis basier t auf dem Deinococcus radiodurans-Repressorprotein HucR und seiner spezifischen Operatorsequenz hucO. Diese Protein-DNA-Interaktion wird durch pathologische Harnsäurekonzentrationen geschwächt. Analog zu dem Tetrazyklinabhängigen Schalter (Abb. 1A) wurde ein

Abb. 3: Regelkreis zur Kontrolle der Harnsäure-Homöostase bei der Gicht-Erkrankung. Analog zu dem Tetrazyklin-abhängigen Kontrollsystem (Abb. 1A) wurde basierend auf dem HucR-Repressor und seinem oktameren Operator hucO8 ein Harnsäure-induzierbarer genetischer Schalter implementiert. Der Harnsäure-sensitive Repressor HucR wird als Fusionsprotein mit dem transkriptionellen Silencer KRAB exprimiert. Dieser chimäre Transkriptionsfaktor kann an seine Operatorsequenz (hucO8) binden und die Expression der Harnsäureoxidase (UOX) reprimieren. Bei erhöhter Harnsäurekonzentration im Medium steigt die intrazelluläre Harnsäurekonzentration, die durch das Transportprotein URAT1 vermittelt wird (grüner Pfeil). Mit steigender intrazellulärer Harnsäurekonzentration sinkt die Affinität von HucR zu hucO8, und die Uratoxidase wird exprimiert (Schema rechts oben) wodurch eine Absenkung der Harnsäurekonzentration erfolgt.

Sobald physiologische Konzentrationen dieses Metaboliten erreicht werden, bindet HucR-KRAB wieder an hucO8 woraufhin die Neuproduktion der Harnsäureoxidase wieder reprimiert wird. Somit stellt dieses Netzwerk einen Regelkreis zur autonomen Kontrolle der Harnsäurekonzentration dar.

8 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

06-09_LW6_11_Weber_tg.indd 8

genetisches Kontrollsystem konstruiert, so dass das Ziel-Gen nur bei erhöhten Harnsäurekonzentrationen angeschaltet wird (Abb. 3).

Dieser Schalter wurde nun zur Konstruktion eines genetischen Regelkreises verwendet, indem als Zielgen eine Harnsäureoxidase eingefügt wurde. In dieser Konfiguration führen erhöhte Harnsäurekonzentrationen zur Produktion der Harnsäureoxidase, die wiederum zum Abbau der Harnsäure führt.

Bei physiologischen Harnsäurekonzentrationen hingegen ist der genetische Schalter inaktiv, und es wird keine Harnsäureoxidase produziert (Abb. 3, rechts). Dieser Regelkreis wurde in menschlichen HeLa-Zellen implementiert, die anschließend in Alginatkapseln eingebettet und in ein Gicht-Mausmodell appliziert wurden. Es konnte gezeigt werden, dass dieses System zur Absenkung pathologischer Harnsäurekonzentrationen sowie zu einer Reduktion der Gicht-assoziierten Entzündungen führt2.

Verwendung genetischer Schalter zur Synthese interaktiver Biomaterialien Die oben aufgeführten Beispiele (für weitere Beispiele siehe Referenzen [3] sowie [4]) zeigen das Anwendungspotential genetischer Schalter in der Synthetischen Biologie. In einer kürzlich erschienenen Studie5 wurde jedoch auch eindrücklich gezeigt, dass diese molekularen Schaltprinzipien nicht auf die Biologie beschränkt sind, sondern ebenso ein großes Anwendungspotential in den Materialwissenschaften besitzen, zum Beispiel um Materialien mit extern steuerbaren Eigenschaften herzustellen3.

Dieser Transfer eines genetischen Schalters aus der Synthetischen Biologie in die Materialwissenschaften wurde exemplarisch anhand des Tetrazyklin-Repressors TetR (Abb. 1A) gezeigt. Zur Synthese eines Tetrazyklinsensitiven Materials wurde sowohl TetR als auch die Operatorsequenz tetO an lineares Polyacrylamid gekoppelt. Durch Bindung von TetR und tetO erfolgte somit eine Quervernetzung der Polymerketten, was zur Ausbildung eines stabilen Hydrogels führte (Abb. 4).

Durch Zugabe von Tetrazyklin konnte dieses Hydrogel dosisabhängig wieder aufgelöst werden. Es wurde gezeigt, dass sich dieses Material als extern steuerbares Depot für Wachstumsfaktoren oder therapeutische Protein verwenden lässt. Hierzu wurde als Modelprotein Interleukin-4 eingebaut, und es konnte gezeigt werden, dass die Freisetzung dieses Proteins graduell über die Zugabe steigender Tetrazyklin-Konzentrationen gesteuert werden konnte (Abb. 4). Basierend auf diesem ersten Prototyp eines interaktiven Materials das auf einem genetischen Schalter aus der Synthetischen Biologie beruht, sollte es nun möglich sein, Biomaterialien herzustellen, die auf verschiedenste Stimuli reLABORWELT

17.11.2011 10:28:58 Uhr

Report Synthetische Regelkreise

Abb. 4: Konstruktion eines Tetrazyklin-sensitiven Hydrogels zur induzierbaren Freisetzung eines Zielproteins. Das Hydrogel besteht aus linearem Polyacrylamid das entweder mit dem Tetrazyklinrepressor TetR oder seiner Operatorsequenz tetO funktionalisiert wurde. Durch die spezifische Affinität zueinander vernetzen TetR und tetO die Polymerstränge zu einem Hydrogel, das durch die anschließende Zugabe von Tetrazyklin dosisabhängig wieder aufgelöst werden kann. Dieses induzierbare Auflösen kann dazu verwendet werden, um ein therapeutisches Zielprotein auf Kommando aus diesem Hydrogel-Depot freizusetzen. agieren, indem TetR/tetO durch ein anderes Repressor/Operator-Paar mit gewünschter Stimulus-Spezifizität (z.B. für diverse Metaboliten, Medikamente oder Ionen) ersetzt wird. Dies würde die Entwicklung von Materialien für verschiedenste biomedizinische und analytische Anwendungen ermöglichen.

Porvair hairdryer ad qtr pg Laborwelt DE:Layout 1

10/3/10

Ausblick Der rasante Wissensanstieg über biologische Komponenten ermöglicht das rationale Design und die Konstruktion synthetischer biologischer Systeme mit gewünschten Eigenschaften. Im Laufe des vergangenen Jahrzehnts gelang es, grundlegende Designprinzipien für synthetische biologische Systeme zu erarbeiten, mit denen nun erste Anwendungen der Synthetischen Biologie in der Gesundheitsforschung realisiert werden konnten. Diese Anwendungen sowie die Expansion der Synthetischen Biologie in andere Bereiche wie die Materialwissenschaften zeigen eindrücklich das große Potential dieser neuen Disziplin zur Entwicklung neuartiger Lösungsansätze für unerfüllte Herausforderungen.

Literatur [1] [2] [3] [4] [5]

Weber et al. 2008. Proceedings of the National Academy of Sciences 29: 9994–9998 Kemmer et al. 2010. Nature Biotechnology 4: 355–360 Jakobus et al. 2012. Chemical Society Reviews. doi: 10.1039/C1CS15176B Ruder and Collins 2011. Science 333: 1248-1252 Christen et al. 2011. Advanced Functional Materials 21: 2861-2867

Korrespondenzadresse Prof. Dr. Wilfried Weber Fakultät für Biologie Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Tel: +49-(0)761-203-97654 Fax: +49-(0)761-203-97660 wilfried.weber@biologie.uni-freiburg.de LABORWELT

06-09_LW6_11_Weber_tg.indd 9

Die Vorzüge eines MiniVap™ Selbstverständlich würden Sie keinen Haartrockner verwenden, um chromatographische Proben in einer einzelnen Mikrotestplatte zu verdampfen. Sie haben wahrscheinlich aber auch keine Lust Schlange zu stehen, um einen großen Evaporator in Ihrer Abteilung für denselben Zweck zu benutzen. In diesem Fall brauchen Sie einen Porvair MiniVap. Das Gerät ist klein, schnell, flexibel und beeinträchtigt Ihre Proben nicht. Weitere Information finden Sie unter www.microplates.com/downloads.php

Telephone: 0 26 83 / 4 30 94 Email: info@dunnlab.de www.microplates.com 12. Jahrgang | Nr. 6/2011 | 9

16.11.2011 17:25:04 Uhr

Blitzlicht Mikrobiologie

Quantitative Physiologie als Basis für die rationale Stammentwicklung Dipl.-Biol. Jan Förster, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lars M. Blank, Institut für Angewandte Mikrobiologie, Aachener Biologie und Biotechnologie, RWTH Aachen Ein Ziel der Synthetischen Biologie, deren Grundgerüst ein Ingenieursansatz aus Analyse, Design und Synthese ist, ist die rationale Entwicklung von Hochleistungsstämmen als Biokatalysatoren für den Einsatz in der industriellen Biotechnologie (Abb. 1). Dazu werden sogenannte Chassiszellen mit den für die katalytische Aufgabe notwendigen Funktionen ausgerüstet. Ein Teil der Analyse und das Design finden dabei in silico statt, die Synthese erfolgt anschließend in vivo. Für das in diesem Beitrag vorgeschlagene rationale Vorgehen der Stammentwicklung werden quantitative Daten benötigt, die vermehrt durch neueste Analytikmethoden gewonnen werden können. Hier wurde am Beispiel des Bakteriums Escherichia coli und der Hefe Pichia pastoris der Frage nachgegangen, ob der mikrobielle Metabolismus die Produktion von rekombinanten Proteinen limitiert.

Um dies zu untersuchen, wurden quantitative Physiologie-Experimente durchgeführt. Hierbei wurden die Substrataufnahmerate und Produktbildungsraten bestimmt und mittels stabiler Isotopen-Flussanalyse intrazelluläre Reaktionsraten berechnet. Die Daten zeigen, dass während der rekombinanten Proteinproduktion weniger Nebenprodukte entstehen und mehr Energie über den TCA-Zyklus gebildet wird, um die Last aus der Proteinproduktion auf den Metabolismus auszugleichen. Durch eine Zugabe von Co-Substraten ließ sich eine Steigerung der Proteinproduktion erzielen. All dies deutet auf eine metabolische Limitation hin. Aus den aufgezeigten Ergebnissen wird deutlich, wie wichtig ein quantitatives Verständnis für die Auslegung von Chassiszellen ist.

Die mikrobielle Proteinproduktion gewinnt in der Pharma- und Chemie- Industrie immer mehr Bedeutung. Einer der ersten hierfür verwendeten Organismen ist das Bakterium Escherichia coli. Als einfacher Eukaryot wird immer häufiger die Hefe Pichia pastoris genutzt, wobei ihre Verwendung als Produktionswirt sich in der Pharma-Industrie erst in den Anfängen befindet. Es gibt für beide Organismen viele Techniken zur molekularen Manipulation. Somit können die Chassiszellen durch das Einbringen von rekombinanten Genen (sogenannten Modulen) für eine spezielle Syntheseleistung, wie die Produktion von rekombinanten Proteinen, ausgerüstet werden. Beide Organismen eignen sich für die Untersuchung der Interaktion des

mikrobiellen Metabolismus des Wirtes (der Chassiszellen) und der erwünschten Syntheseleistung (des Moduls)1.

Seit vielen Jahren ist bekannt, dass Zellen, wenn sie rekombinante Proteine produzieren, schlechter wachsen, mehr Energie benötigen und zum Teil eine molekulare Stressantwort zeigen. Dieser Stress wird in der Literatur auch als metabolische Last („metabolic burden“) bezeichnet 2. Um die Proteinproduktion so erfolgreich wie möglich zu gestalten, gilt es, diese Last auf den Metabolismus so gering wie möglich zu halten. Wird der Metabolismus durch Faktoren wie eine niedrigere Temperatur, optimalen pH oder osmotische Bedingungen entlastet, lässt sich eine verbesserte Protein-

produktion feststellen2,3. Wenn nicht optimal angepasst, belasten diese Faktoren den Metabolismus. Aus diesem Grund könnte die rekombinante Proteinproduktion durch den Metabolismus selbst limitiert sein. Dies wäre für die Optimierung des Produktionswirtes bzw. der Chassiszellen von großer Bedeutung, da bis jetzt andere Optimierungskriterien im Vordergrund standen, wie zum Beispiel die Transkriptionsleistung (Verwendung von starken Promotoren), die Produktstabilität (Entfernung von Proteasen) oder die die Produktlöslichkeit (Verwendung von Tags). Unter Einsatz moderner Analytik wurde in quantitativen Physiologie-Experimenten die Auswirkung der rekombinanten Proteinproduktion auf den Wirtsmetabolismus ermittelt. Erste Optimierungsvorschläge und die Produktion des Zielproteins in Hochzelldichtefermentationen wurden erarbeitet. Sie bilden die Basis für die weitere Optimierung der Chassiszellen.

Intrazelluläre Stoffflussverteilung bei E. coli Um die Belastung des Metabolismus durch die heterologe Proteinproduktion zu untersuchen wurden rekombinante E. coli, die DmpA aus Ochrobactrum anthropi produzieren, in quantitativen Physiologie-Experimenten untersucht. DmpA gehört zu einer neuen Klasse von b-Aminopeptidasen, die den Abbau und die Synthese von b-Peptiden auf einzigartige Weise katalysieren4. Für die Bestimmung der intrazellulären Stoffflussverteilung in unterschiedlich stark mit IPTG induzierten Zellen wurden 13C-basierte Flussanalysen durchgeführt. Das produzierte Protein fungierte dabei als „flux probe“, wobei das Markierungsmuster des rekombinanten Proteins als Hinweis für die Stoffflussverteilung benutzt wurde, da sich mit der Induktion die Wachstumsrate veränderte.

Messungen ergaben, dass mit zunehmender Proteinproduktionsrate die Wachstumsrate abnimmt. Interessanterweise blieb der Fluss durch den Citrat-Zyklus unter den getesteten Bedingungen konstant bei 2,5± 0,1 mmolgCDW-1h-1.

E. coli reduzierte seine Biomassebildung um fast 40%, um den durch die rekombinante Proteinsynthese zusätzlichen Energiebedarf zu kompensieren. Die metabolische Ausbeute wurde in dieser Arbeit als Biomasse pro ATP gemessen. Sie nahm konstant ab – vom Referenzstamm mit 11,7 gCDWmmolATP-1 auf 4,9 gCDWmmolATP-1 beim Stamm mit der höchsten Proteinausbeute (höchsten Induktion)5. Diese Ergebnisse lassen auf eine hohe metabolische Last durch die rekombinante Proteinproduktion schließen.

Glukose als C-Quelle für P. pastoris Abb. 1: Rationale Stammentwicklung mittels eines Ingenieursansatzes von Analyse, Design und Synthese.

10 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

10-12_LW6_11_Förster_tg.indd 10

Die Vorteile der Hefe P. pastoris als Produktionsorganismus liegen in der Möglichkeit zur HochLABORWELT

18.11.2011 10:44:52 Uhr

Neu: www.laborwelt.de

www.laborwelt.de

Die nächste Generation digitaler Labor-Nachrichten: Komplett neues Design, viele zusätzliche Funktionen – die ideale Kombination aus Spaß und Information für die kurzen Pausen im Laboralltag! Nachrichten, Journal Club und Presseschau.

Dazu Themendossiers zu neuesten Methoden, Techniken und Geräten. Erweitern Sie Schritt für Schritt das eigene Knowhow und lernen Sie die Szene von Ihrer unterhaltsamen Seite kennen – mit Videos und Fundstücken aus dem Netz.

LBW_Web_Eigenanzeige.indd 1

Kostenloser eNewsletter

Regelmäßig alle Neuigkeiten im Überblick

Aktuelle Nachrichten

Neuigkeiten aus dem Labor und der Welt

Top Produktvideos

Innovative Firmen und neueste Produkte

Presseschau

Unterhaltsame Lesetipps zum Stöbern im Netz

Journal-Club

Internationale Fachartikel im Überblick

Themendossiers

Die informativen Themenschwerpunkte aus unserer Fachzeitschrift

Mehrere Videokanäle

Etwas für jeden - unterhaltsam und informativ

Jobangebote

Topaktuelle Stellenanzeigen aus den Bereichen Biotechnologie und Forschung

Firmen im Focus

Die wichtigsten Player, ihre Strategien und Geschäfte im Labormarkt

Blogs

Einblick in die Welt der Wissenschaftsblogger mit Ranking

Terminkalender

Aktuelle Veranstaltungen und Konferenzen zum Thema Life Sciences

18.11.2011 10:57:27 Uhr

Blitzlicht Synthetische Biologie

zelldichtefermentation sowie im sehr gut durch Methanol induzierbaren und starken AOX1-Promotor. Mit Hilfe dieses Promotors ist die Proteinproduktion auf Methanol oder auf Methanol-/Glyceringemischen möglich und in der Industrie etabliert. Jedoch bringt Methanol als Induktor und C-Quelle Limitationen mit sich. Es kann bei der Verwendung von Methanol nicht nur zur Zelllyse kommen, die Zellen wachsen auch langsam und produzieren signifikante Mengen an Abwärme, die kostspielig abgeführt werden muss. Die Installationskosten für einen Fermenter mit einem hohen Methanolanteil sind durch die erforderlichen Maßnahmen zur Vermeidung von Explosionsgefahr erheblich. Aufgrund dieser Limitationen werden alternative CQuellen (Glycerin oder Glukose) und – damit verbunden – andere, zum Beispiel synthetische6 Promotoren immer attraktiver.

Die Auswirkung der rekombinanten Proteinproduktion auf den Metabolismus bei P. pastoris auf Glukose als C-Quelle wurde betrachtet. Dazu wurden Stämme erstellt, die unterschiedlich viele Expressionskassetten für die Produktion der b-Aminopeptidase BapA aus Sphingosinicella xenopeptidilytica tragen und somit verschieden große Mengen an Protein produzieren4 . Die Auswirkung der unterschiedlich starken BapA-Produktion auf die Physiologie der Zelle wurde mit Hilfe der 13 C-Flussanalyse und moderner Abgasanalytik (CO2-, O2-, Ethanol-Sensoren von BlueSens) quantifiziert. Die spezifische Wachstumsrate nahm von 0,28 h-1 für den Referenzstamm auf 0,16 h-1 für den am besten produzierenden Stamm (BapAhigh) ab. Obwohl mit dem Rückgang der Wachstumsrate auch eine Abnahme der Glukoseaufnahmerate einherging, war der Fluss durch den Citrat-Zyklus mit 2,1 ± 0,1 mmolg-1h -1 konstant. Dies kann auf die veränderte Produktion von Nebenprodukten während der rekombinanten Proteinsynthese zurückgeführt werden. Die Ethanolproduktion nahm von 1,7 ± 0,4 mmolgCDW-1h-1 für den Referenzstamm auf null für den BapAhigh-Stamm ab. Betrachtet man die Biomasseausbeute pro ATP, lässt sich feststellen, dass es zu einer Abnahme vom Referenzstamm mit 13,2 gCDWmolATP-1 auf 9,9gCDWmolATP-1 für den am höchsten exprimierenden Stamm kommt. Dessen geringere Ausbeute deutet erneut auf die metabolische Last durch die rekombinante Proteinproduktion hin. Um diese auszugleichen, kommt es zu einer Änderung in der Flussverteilung in Richtung einer besseren ATP pro GlukoseAusbeute. Der Referenzstamm hat eine Ausbeute von 4,2 molATPmolGlukose-1. Der BapAhighStamm liefert dagegen eine Ausbeute von 6,5 mol ATPmol Glukose-1. Die zugleich beobachtete geringe Wachstumsrate zeigt, dass die Zellen nicht in der Lage sind, genügend Kohlenstoff

www.laborwelt.de 12 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

10-12_LW6_11_Förster_tg.indd 12

Abb. 2: Einfluss der Medienzusammensetzung auf die BapA-Produktion. Es wurde ein Minimalmedium (Verduyn), ein mit Aminosäuren komplementiertes Minimalmedium (VerduynAA) und ein Komplexmedium (YPD) verwendet7. über den TCA-Zyklus zu katabolisieren, um den erhöhten Energiebedar f zu decken.

Außerdem deuten die Ergebnisse auf eine begrenzte Kapazität des Energiemetabolismus der Zelle hin, die somit limitierend für die rekombinante Proteinproduktion sein könnte7.

Erhöhte Proteinproduktion durch Entlastung des Metabolismus In einem ersten Ansatz wurde dieser metabolischen Limitation durch Co -Substrat-Zugabe entgegengewirk t. Die Versuchsbedingungen waren wie folgt: Entweder wurde Minimalmedium mit supplementierten Aminosäuren (Verduyn A A ) bzw. ohne Aminosäuren (Verduyn) oder ein Komplexmedium (YPD) verwendet. Da Aminosäuren sowohl als Energie- als auch als C-Quelle dienen können, war davon auszugehen, dass sie die metabolische Last auf die Zellen in der Proteinproduktion verringern.

Die in Abbildung 2 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass sowohl das Medium mit Aminosäuren als auch das Komplexmedium erhöhte BapA-Produktionsraten ermöglichen.

Weiterhin bestätigen die Ergebnisse die Richtigkeit der Annahme, dass unter diesen Bedingungen die Produktion von BapA nicht durch die Transkription oder Translation limitiert ist, sondern durch metabolische Faktoren, wie zum Beispiel die Verfügbarkeit von Vorläufermolekülen oder Energie. Wird nur der am besten produzierende Stamm betrachtet, zeigt sich eine Zunahme der Wachstumsrate von 0,16 h-1 auf Verduyn, 0,18 h-1 auf VerduynAA bis auf 0,24 h-1 auf YPD und damit verbunden eine ca. 70%ige Steigerung der BapA-Produktion7.

Diese metabolische Quantifizierung wurde anschließend unter Produktionsbedingungen in einem Zulaufverfahren, unter Verwendung

des höchstproduzierenden Stammes BapAhigh, durchgeführt. Das Protein wurde mit Glukose als C-Quelle in sehr hohem Maße gebildet (Biomassekonzentrationen von über 200 gCDWL-1 und ein Produkttiter von 6,5 gL-1 BapA).

Betrachtet man die Biomasseausbeute pro Glukose, ergeben sich sowohl in Batch-Kultur (0,35 g CDWg Glukose -1) als auch in Fed BatchKultur (0,50 gCDWgGlukose-1) signifikant höhere Werte als in der Methanolkultivierung (0,71 gCWWgMethanol-1 entspricht ca. 0,20 gCDWgMethanol-1 für Batch-Kulturen und 0,15 gCDWgMethanol-1 für Fed Batch-Kulturen)8. Somit ist Glukose für P. pastoris eine interessante alternative C-Quelle zu Methanol.

Fazit All diese Ergebnisse zeigen, dass der mikrobielle Metabolismus einen Einfluss auf die rekombinante Proteinproduktion hat.

Die grundlegende Idee der Synthetischen Biologie, einen ingenieurwissenschaftlichen Ansatz aus Analyse, Design und Synthese in die Biologie zu übertragen, wurde hier am Beispiel der rekombinanten Proteinproduktion mit E. coli und P. pastoris demonstriert.

Aus einem quantitativen Verständnis heraus können neue Strategien der Prozess- und Stammoptimierung erarbeitet werden.

Literatur [1] [2] [3] [4] [5] [6]

[7] [8]

Vickers, C.E., Blank, L.M., Krömer, J.O., Nat. Chem. Biol. 6 (2010), 875-877.

Glick,B.R., Biotechnol Adv. 13 (1995), 247-261.

Mattanovich, D., Gasser, B., Hohenblum, H., Sauer, M., J. Biotechnol. 113 (2004), 121-135.

Heck, T., Kohler, H.P., Limbach, M., Flögel, O., Seebach, D., Geueke, B., Chem Biodivers. 4 (2007) 2016-2030.

Heyland, J., Blank, L.M., Schmid, A., J. Biotechnol. 155 (2011), 178-184.

Hartner, F.S., Ruth, C., Langenegger, D., Johnson, S.N., Hyka, P., Lin-Cereghino, G.P., Lin-Cereghino, J., Kovar, K., Cregg, J.M., Glieder, A., Nucleic Acids Res. 36 (2008), e76.

Heyland, J., Fu, J., Blank, L.M., Schmid, A., Biotechnol.

Bioeng. 108 (2011), 1942-1953.

Heyland, J., Fu, J., Blank, L.M., Schmid, A., Biotechnol.

Bioeng. 107 (2010), 357-368.

Die Originalarbeiten sind am Lehrstuhl Biotechnik von Herrn Prof. Dr. Andreas Schmid an der TU Dortmund durchgeführt worden. Wir danken für die Unterstützung von Herrn Dr. Holger Müller von der Firma BlueSens gas sensor GmbH bei der Abgasanalytik. Die Originalarbeiten entstanden in einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekt. Allen Projektpartnern wird für die gute Zusammenarbeit gedankt.

Korrespondenzadresse Univ. Prof. Dr.-Ing. Lars M. Blank RWTH Aachen Institut für Angewandte Mikrobiologie Worringerweg 1 52074 Aachen Tel.: +49-(0)241-80-26600 Fax: +49- (0)241-80-22180 lars.blank@rwth-aachen.de LABORWELT

16.11.2011 17:25:55 Uhr

Blitzlicht Virus-Wirt-Interaktion

Systembiologie der Hepatitis C-VirusWirts-Interaktionen Diana Clausznitzer*1,2, Nurgazy Sulaimanov*1,2, Marco Binder3, Volker Lohmann3, Ralf Bartenschlager3 und Lars Kaderali1,2; 1BioQuant, Universität Heidelberg, 2 Institut für Medizinische Informatik und Biometrie (IMB), Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus, Technische Universität Dresden, 3Department für Infektiologie, Molekulare Virologie, Medizinische Fakultät, Universität Heidelberg Hepatitis C ist eine Viruserkrankung, die global verbreitet ist. Der meist chronische Verlauf der Infektion führt bei vielen Patienten zu schweren Lebererkrankungen bis hin zum Leberkrebs. Derzeit gibt es keinen Impfstoff gegen Hepatitis C. Darüber hinaus schlägt die Standardbehandlung mit Ribavirin und pegyliertem Interferon bei vielen Patienten nicht an oder muss wegen schwerer Nebenwirkungen abgebrochen werden. Wir stellen hier einen systembiologischen Ansatz vor, um die intrazelluläre Replikationsdynamik des Hepatitis C-Virus (HCV) und seine Interaktionen mit der Wirtzelle besser zu verstehen. Basierend auf zeitaufgelösten, quantitativen experimentellen Daten, Life Cell Imaging, genomweiten RNAi-Screens zur Identifizierung neuer Wirtsfaktoren, Yeast-Two-Hybrid-Screens zur Charakterisierung von Protein-Interaktionen sowie unter Verwendung von Textmining- und Bioinformatik-Verfahren entwickeln wir ein mathematisches Modell, welches die entscheidenden Schritte der Virusreplikation in Zellen beschreibt. Schrittweise werden hierbei die angeborene Immunantwort und weitere pro- und antivirale Wirtsprozesse integriert.

Unser langfristiges Ziel ist es, eine virtuelle, infizierte Leber im Computer zu entwickeln, um so die Dynamik der Hepatitis-C-Virusreplikation und Effekte von potentiellen Inhibitoren simulieren zu können. Dies erlaubt es, im Computer die sensitivsten Angriffspunkte für neue Medikamente zu identifizieren und so die Entwicklung auf die vielversprechendsten Kandidaten zu fokussieren. Im Rahmen des von der EU geförderten Projektes „SysPatho“ arbeiten neun akademische und zwei industrielle Partner zusammen, um mit einem systembiologischen Ansatz neue Erkenntnisse über die Interaktionen zwischen HCV und seinem Wirt zu gewinnen.

Hepatitis C betrifft mit mehr als 170 Millionen infizierten Menschen weltweit ca. 3% der Weltbevölkerung. Die Infektionskrankheit wird vom Hepatitis C-Virus (HCV) verursacht, welches die Zellen der Leber infiziert. Die Infektion verläuft zu Beginn meist asymptomatisch, nimmt aber in den meisten Patienten einen chronischen Verlauf, welcher zu Leberzirrhose und letzendlich zu Leberkrebs führen kann1-3.

Derzeit gibt es keinen wirksamen Impfstoff gegen HCV, und die Standardbehandlung mit pegyliertem Interferon und Ribavirin schlägt nur in einem Teil der Patienten an (abhängig unter anderem vom Genotyp des Virus und der Ethnie des Patienten) und hat zahlreiche Nebenwirkungen4,5. Deshalb ist ein detailliertes Verständnis der Infektionsdynamik dringend notwendig, um die Möglichkeiten der medizinischen Behandlung zu verbessern.

Virusinfektionen sind komplexe biologische Prozesse, die eine Vielzahl von Interaktionen zwischen Virus und Wirtszelle erfordern. Zum einen benötigt das Virus Zellproteine: um in die Zelle einzutreten, sich zu replizieren, und die Zelle zu verlassen, um dann weitere Zellen infizieren zu können und die Infektion im Organismus auszubreiten. Zum anderen erkennt das Immunsystem – sowohl mittels spezialisierter

Immunzellen als auch zellulärer Signalwege – das Pathogen und schaltet Abwehrmechanismen an, um das Virus zu eliminieren. Der dynamische Wettkampf zwischen Virus und Immunsystem entscheidet darüber, ob es zu einer erfolgreichen Infektion kommt.

Wegen der großen Komplexität der Interaktionen zwischen Virus und Wirtszelle, die sich zudem räumlich und zeitlich über den viralen Lebenszyklus verändern, ist ein systembiologischer Ansatz erforderlich. Dieser beinhaltet, dass möglichst viele Determinanten des Infektionsprozesses – zum Beispiel die zellulären Konzentrationen genomischer RNA und viraler Proteinkomponenten – quantitativ und zeitaufgelöst gemessen werden. Darauf aufbauend wird dann ein mathematisches Modell entwickelt, das das Wechselspiel aller Komponenten in seiner vollen Komplexität beschreibt.

Mit einem solchen Modell ist es möglich, im Computer mittels Sensitivitätsanalysen kritische Teilprozesse im viralen Lebenszyklus zu identifizieren und so mögliche neue Ziele für antivirale Medikamente zu finden sowie deren Effekte zu simulieren.

RNA-Viren wie HCV weisen hohe Mutationsraten auf und entwickeln dadurch schneller Resistenzen gegen Medikamente. Deshalb

Are you taking

risks?

Is your assay traceable?

Are you IVD compliant?

Can you trust your results?

ASTRA BIOTECH

the no risk option For advice on quality assays www.astrabiotech.de

LABORWELT

13-15_LW6_11_Kaderali_tg.indd 13

18.11.2011 10:45:45 Uhr

Blitzlicht Virus-Wirt-Interaktion

Abb. 1: Wechselwirkungen zwischen Hepatitis C-Virus und Wirtszelle während (A) Virusreplikation und (B) zellulärer RIG-I-Immunantwort. (A) In die Zelle eingetretene Plusstrang-HCVRNA wird an Ribosomen in Polyprotein übersetzt. Das Polyprotein wird in funktionelle Virusproteine gespalten, unter anderem die Polymerase. Virale Proteine und zelleigene Faktoren führen gemeinsam zur Bildung von Replikationsvesikeln, in denen die eigentliche Replikation des viralen Genoms in geschützter Umgebung stattfindet. Innerhalb des Vesikels produziert die Polymerase den komplementären Minusstrang unter Bildung eines intermediären Doppelstrangs. Der Minusstrang dient als Matrize zur Bildung von Plusstrang-RNA. Diese wird mit einer gewissen Rate aus dem Vesikel exportiert und kann dann entweder verwendet werden, um neue Viruspartikel zusammenzusetzen, die anschließend andere Zellen infizieren oder aber wieder als Matrize zur Produktion neuer viraler Proteine dienen. (B) RIG-I bindet zytoplasmatische, doppelsträngige Virus-RNA. Das so aktivierte RIG-I bindet MAVS, welches in der äußeren Mitochondrienmembran sitzt.

Diese Bindung aktiviert weitere Proteine und führt schließlich zur Transkription von antiviralen Genen. HCV interagiert auf vielfältige Weise mit diesem Signalweg, um die zelluläre Immunantwort zu behindern. So produziert HCV zum Beispiel eine Protease (NS3/4A), welche MAVS spaltet und damit die Immunantwort des RIG-I Signalwegs abschwächt. erscheint die Hemmung von Wirtsfaktoren, die für die effiziente Virusvermehrung benötigt werden, als attraktive Alternative zur direkten Hemmung viraler Faktoren. Gelingt es, dem Virus wichtige zelluläre Prozesse zu entziehen, die es für seine Vermehrung braucht, dürfte die Resistenzentwicklung wesentlich länger dauern. Denn dazu müsste das Virus den entsprechenden Wirtsfaktor ersetzen. Allerdings ist für diese Strategie ein genaues Verständnis der komplexen Interaktionen von Virus und Wirt erforderlich, und selbstverständlich darf das Inhibieren der Wirtsfaktoren nicht zu einer dauerhaften Schädigung der Wirtszelle führen.

Mathematisches Modell der HCV-Replikation Als ersten Schritt zur Entwicklung eines umfassenden Models des intrazellulären HCV-Lebenszyklus haben wir ein Computermodell der Translation und Replikation des HCV-RNA-Genoms entwickelt, das in weiterer Arbeit sukzessive auf den gesamten viralen Lebenszyklus sowie um Wirtsfaktoren, die zelluläre Immunantwort und Effekte von Medikamenten erweitert wird.

Grundlage dafür sind zeitaufgelöste Messungen der viralen RNA- und Proteinkonzentration über 72 Stunden in verschiedenen Leberzelllinien (Huh7)6, die die Replikationsdynamik abbilden (Abb. 1A).

14 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

13-15_LW6_11_Kaderali_tg.indd 14

Nach Eintritt in die Zelle wird das HCV-Plusstrang-RNA-Genom an den Ribosomen der Zelle zur Synthese eines sogenannten Polyproteins genutzt. Dieses wird in mehrere Proteine gespalten, die an der Replikation des Virus beteiligt sind – so auch die Viruspolymerase. Die Virusreplikation findet an sogenannten Replikationsvesikeln statt – intrazellulären Membranstrukturen, die vom Virus erzeugt werden und die die virale Replikationsmaschine vor Degradierung durch zelluläre Proteasen und Nukleasen und vermutlich auch vor der zellulären Immunantwort schützen7. Während der Replikation wird zunächst ein zum RNA-Plusstrang komplementärer Minusstrang synthetisiert, welcher dann als Matrize für die Herstellung weiterer Plusstränge dient und so zur Amplifikation des Virus in der Zelle führt. Der RIG-I-Immunsignalweg, der grundsätzlich für die Erkennung von HCV-RNA in Zellen verantwortlich ist (Abb. 1B), ist in der Huh-7-Zelllinie zu vernachlässigen8. Damit kann die Replikationsdynamik von HCV als Teilsystem und unabhängig von der Immunantwort untersucht werden.

Diese Prozesse wurden in ein mathematisches Modell übersetzt, das auf chemischen Reaktionskinetiken und dem Massenwirkungsgesetz basiert. Es hat Parameter, wie ewa Ratenkon-

www.laborwelt.de

stanten der verschiedenen Prozesse und die Gesamtkonzentrationen an RNA und Protein, die möglichst akkurat bestimmt werden müssen, um das Modell prädiktiv zu machen .

Einige Parameter werden durch unabhängige Messungen direkt bestimmt. Die übrigen müssen durch Optimierungsalgorithmen („model fitting“) bestimmt werden, die Computersimulationen des Modells mit den zeitaufgelösten Daten vergleichen. Die Raten für einzelne Prozesse innerhalb des Modells können biologisch interpretiert werden. So kann damit die Frage beantwortet werden, welche Prozesse schnell oder langsam ablaufen oder welche Schritte die virale Replikation limitieren („Bottlenecks“).

Abbildung 2 zeigt beispielhaft gemessene Konzentrationen für virale RNA und Proteine in einer Zelllinie, zusammen mit Modellvorhersagen. Bei der Adaptierung des Modells an die experimentellen Daten verschiedener Zelllinien zeigte sich schnell, dass, um die Dynamik für verschiedene Zelllinien korrekt beschreiben zu können, die Modellierung eines zelleigenen Faktors notwendig ist, der an der Bildung der Replikationsvesikel beteiligt ist. Dieser zelleigene Faktor ist eine entscheidende Hypothese, die aus dem Modell resultiert. Mit diesem Wirtsfaktor kann das Modell die experimentell gemessene Dynamik von RNA und Polyprotein in verschiedenen Huh7-Subtypen unterschiedlicher HCVReplikationseffizienz akkurat beschreiben (Abb. 2). Entscheidend für die Unterschiede in der Replikationseffizienz ist die Konzentration des zelleigenen Faktors, der an der Vesikelbildung beteiligt ist und der in höherer Konzentration in der Zelllinie vorkommt, in der HCV besser repliziert. Mittels Genexpressionsexperimenten konnte dieser Faktor weiter eingegrenzt werden, eine Publikation ist derzeit in Vorbereitung.

Wirtsfaktoren und Immunantwort Um weitere Wirtsfaktoren zu identifizieren und näher zu charakterisieren wurde darüber hinaus ein genomweiter RNAi-Screen durchgeführt.

Die Idee hierbei ist, Gene der Wirtszelle mittels RNA-Interferenz einzeln auszuschalten und die so behandelten Zellen anschließend mit HCV zu infizieren. Ist die Infektion nicht erfolgreich, hat man ein potentielles Kandidatengen gefunden, das das Virus für seine Vermehrung benötigt.

Mittels weiterer biochemischer Experimente muss dieser Befund nun bestätigt werden.

Hierbei spielen Bioinformatik-Verfahren eine wesentliche Rolle, um entsprechende Kandidaten in ihren funktionellen Kontext zu stellen.

In gemeinsamer Arbeit konnten wir in einem genomweiten Screen das Phosphatidyl-InositolSystem als wichtigen Wirtsprozess identifizieren9. Insbesondere die Kinase PI4KIIIa konnte dabei als kritischer Faktor identifiziert werden, der essentiell für den HCV-Replikationskomplex ist – in guter Übereinstimmung mit dem durch das mathematische Modell vorhergesagten Wirtsfaktor.

LABORWELT

17.11.2011 10:30:59 Uhr

Unsere Studie zur Replikationsdynamik von HCV ist ein erster Schritt zum detaillierten Verständnis von HCV-Infektionen. Die Virusreplikation in Zellen, in denen die zelluläre Immunantwort ausbleibt, ermöglichte eine von der Abwehrreaktion unbeeinflusste Charakterisierung seiner Replikation. Künftig müssen diese Ergebnisse mit der Dynamik der Immunantwort kombiniert werden. Dazu haben wir erste Arbeiten zur Modellierung des Rig-I-Pfades des angeborenen Immunsystems begonnen, um die Aktivierung der Signaltransduktion durch virale RNA zu modellieren10. Desweiteren wurden bisher die Bildung von Viruspartikeln und deren Export aus der Zelle sowie die Infektion benachbarter Zellen nicht berücksichtigt. Mit Hilfe des systembiologischen Ansatzes können Teilsysteme zunächst akkurat charakterisiert und entwickelten quantitativen Modelle dann zu einem Gesamtmodell kombiniert werden.

Dies ist vielversprechend für die Entwicklung neuer Wirkstoffe, denn innerhalb des Modells können die wichtigsten Angriffsstellen gegen das Virus mittels medikamentöser Behandlung relativ einfach durch Computersimulationen identifiziert werden.

Literatur [1] [2]

Abb. 2: Modellvorhersage und Messdaten zur Replikation des Hepatitis C-Virus in Huh-7-Zellen. Die zellulären Molekülzahlen von Virus-Plusstrang-RNA (oben), Minusstrang-RNA (Mitte), und Polyprotein (unten) wurden über 72 Stunden gemessen (Symbole) oder im Computer simuliert (Linien).

Am Anfang des Experimentes werden die Zellen mit Plusstrang-RNA transfiziert. Diese wird sehr schnell degradiert, während gleichzeitig der Replikationszyklus beginnt.

Minusstrang-RNA und Polyprotein werden gebildet, und nach etwa 10 Stunden steigt auch die Anzahl der Plusstrang-RNA-Moleküle an. Nach etwa 30 Stunden erreicht die Virusreplikation einen stationären Zustand, das heißt, die Anzahl der RNA- und Proteinmolüle bleibt konstant.

LABORWELT

13-15_LW6_11_Kaderali_tg.indd 15

Rantala M., van de Laar, M.J., Euro Surveill 13 (2008), 18880 Alter, M.J., Margolis, H.S., Krawczynski, K., Judson, F.N., Mares, A., Alexander, W.J., Hu, P.Y., Miller, J.K., Gerber, M.A., Sampliner, R.E., Meeks, E.L., Beach, M.J., N Engl J Med 327 (1992), 18991905 [3] Chen, S.L., Morgan, T.R., Int J Med Sci 3 (2006), 47-52.

[4] Hsu, C.-S., Hsu, S.-C., Chen, H.-C., Tseng, T.-C., Liu, C.-H., Niu, W.-F., Jeng,J., Liu, C.-J., Lai, M.-Y., Chen, P.-J., Kao, J.-H., Chen, D.-S., Proc Natl Acad Sci USA 108 (2011), 3719-3724 [5] Fried, M.W., Shiffman, M.L., Reddy, K.R., Smith, C., Marinos, G., Goncales, F.L., Jr., Haussinger, D., Diago, M., Carosi, G., Dhumeaux, D., Craxi, A., Lin, A., Hoffman, J., Yu, J., N Engl J Med 347 (2002), 975-982.

[6] Lohmann, V., Körner, F., Koch, J.-O., Herian, U., Theilmann, L., Bartenschlager R., Science 285 (1999), 110-113 [7] Quinkert, D., Bartenschlager, R., Lohmann, V., J Virol 79 (2005), 13594-13605 [8] Binder, M., Kochs, G., Bartenschlager, R. Lohmann, V., Hepatology 46 (2007),1365-1374 [9] Reiss, S., Rebhan, I., Backes, P., Romero-Brey, I., Erfle, H., Matula, P., Kaderali, L., Pönisch, M., Blankenburg, H., Hiet, M.-S., Longerich, T., Diehl, S., Ramirez, F., Balla, T., Rohr, K., Kaul, A., Bühler, S., Pepperkok, R., Lengauer, T., Albrecht, M., Eils, R., Schirmacher, P., Lohmann, V. and Bartenschlager, R., Cell Host & Microbe 9 (2011), 32-45.

[10] Binder M, Eberle F, Seitz S, Mücke N, Hüber CM, Kiani N, Kaderali L, Lohmann V, Dalpke A, Bartenschlager R., J Biol Chem. 286 (2011), 27278-87.

CANDOR – Erfinder des LowCross-Buffer® – innovative Lösungen – höchstmögliche Qualitätsstandards

Funding: Die Autoren bedanken sich beim Bundesministerium für Bildung und Forschung für Förderung im Rahmen des ForSys-Verbundprojektes „ViroQuant“, bei der Europäischen Union für Förderung des Projektes „SysPatho“ sowie der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Förderung der Forschergruppe FOR 1202.

– individueller Expertenservice

Korrespondenzadresse

zur Verbesserung der Präzision Ihrer Ergebnisse

Prof. Dr. Lars Kaderali Institut für Medizinische Informatik und Biometrie (IMB) – Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus – Technische Universität Dresden Fetscherstr. 74, 01307 Dresden Tel./Fax: +49-(0)351-3 177-218/ -3 177 225 lars.kaderali@tu-dresden.de CANDOR Bioscience GmbH

16.11.2011 17:28:53 Uhr

Blitzlicht Synthetische Biologie

Hefe – eine universelle chemische Mikrofabrik Dr. Harald Heider, Dr. Markus Schwab und Prof. Dr. Jutta Heim; Evolva SA, Reinach, Schweiz Die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae wird durch den Menschen seit Jahrtausenden zur Produktion unterschiedlichster Nahrungs- und Genussmittel eingesetzt. Ihr Beitrag zur alkoholischen Gärung in der Wein- und Bierproduktion oder bei der Herstellung von Brot ist auch dem Laien geläufig. Weniger bekannt ist die Tatsache, dass sich Bäckerhefe ebenfalls hervorragend für die Produktion chemischer Moleküle eignet, die in der Natur nur in geringen Mengen vorkommen, schwierig zu isolieren sind oder bisher noch nicht entdeckt wurden. Evolva hat es sich zur Aufgabe gemacht, Saccharomyces cerevisiae als Mikrofabrik für die Herstellung solcher Moleküle zu entwickeln. Hierfür bedienen wir uns der synthetischen Biologie, um die Hefe für diese bisher nur ansatzweise genutzten Zwecke entsprechend umzuprogrammieren. Mit Hilfe künstlicher Chromosomen bauen wir nicht nur komplette Biosynthesewege aus Pflanzen oder anderen Organismen in die Hefe ein, wir können auch völlig neuartige Kombinationen enzymatischer Aktivitäten zur Herstellung bisher unbekannter Moleküle in die Hefe einschleusen.

Saccharomyces cerevisiae gehört zur Zeit sicher zu den bestuntersuchten Organismen unseres Planeten. Die Hefe war der erste Eukaryot dessen Genom komplett sequenziert wurde1; sie besitzt ca. 6.000 Gene, die auf 16 Chromosomen verteilt sind. S. cerevisiae lässt sich leicht mit einer Reihe genetischer Methoden modifizieren, ist sehr robust und kann Produkte im Gramm-Maßstab herstellen. Zudem wird sie als GRAS (generally regarded as safe) eingestuft und ist deshalb auch im Nahrungsmittelbereich bestens einsetzbar. Beispiele für erfolgreiche heterologe Biosynthese in Hefe

sind Alkohole wie n-Butanol oder Ethanol, ausgehend von dem natürlichen Holzabfallprodukt Hemizellulose. Aber auch das Malariamedikament Artemisinin oder Taxadien, eine Vorstufe des Krebsmittels Taxol, kann in Hefe produziert werden. Hinzu kommen eine große Zahl kommerziell interessanter chemischer Verbindungen aus anderen Anwendungsgebieten, wie etwa der Aromastoff Vanillin, Patchoulol oder Flavonoide2+ Ref..

Im Gegensatz zur Herstellung solcher Produkte in Bakterien, die verschiedentlich auch für die Synthese von sekundären Pflanzenme-

Abb. 1: Beispiele für neue Stoffwechselwege in Bäckerhefe. Ausgehend von einem hefeeigenen Stoffwechselmetaboliten werden mit Hilfe der in die Hefe eingeschleusten synthetischen Chromosomen völlig neuartige, in der Hefe nicht vorkommende Produkte hergestellt. Die Anzahl der für die neuen Moleküle notwendigen Biosyntheseschritte, ausgehend vom jeweiligen Hefemetaboliten, sind mit roten Zahlen angegeben.

16 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

taboliten eingesetzt werden, ist die Produktion in Hefe wesentlich sicherer – speziell im Hinblick auf Beiprodukte bei der nachfolgenden Isolation der Substanzen. Darüber hinaus können funktionsfähige komplexe pflanzliche Stoffwechselwege im Eukaryot S. cerevisiae leichter als in Bakterien etabliert werden. Prokaryotischen Bakterienzellen fehlen zum Beispiel Gene für posttranslationale Modifikationen, die für die Aktivität eukaryotischer Enzyme essentiell sind.

Zudem können Hefen größere DNA-Fragmente aufnehmen – ein Phänomen das wir mit unserer Technologie nutzen. Die gezielte Einführung großer Mengen an genetischem Material in die Hefe in Form von künstlichen Chromosomen eröffnet völlig neuartige Möglichkeiten für die Herstellung unterschiedlichster Verbindungen3.

In der Vergangenheit wurden verschiedene Anstrengungen unternommen, um komplexe heterologe Stoffwechselwege mit Hilfe von Plasmiden in Bäckerhefe einzubauen. Ein Konsortium universitärer und industrieller Forscher hat eine ganze Reihe von Plasmiden in Bäckerhefe eingeschleust, die den kompletten Stoffwechselweg zur Produktion des klinisch relevanten Steroidhormons Cortisol enthielten – ausgehend vom hefeeigenen Primärmetabolit Ergosterol4. Leider ist das Verfahren äußerst komplex, die Ausbeute eher gering und die Stabilität der eingeschleusten Gene in der Hefe aufgrund der Vielzahl der notwendigen Selektionsmarker vermutlich nicht ausreichend für eine industrielle Nutzung.

Mit unserer eYAC (expressable Yeast Artificial Chromosomes)-Technologie haben wir die Möglichkeit, Hunderte von Genen gleichzeitig in die Hefe einzuschleusen und damit komplette mehrstufige Biosynthesewege in einem Schritt aufzubauen (Abb. 1). Wir haben diesen Ansatz beispielsweise erfolgreich für die Herstellung pflanzlicher Flavonoide in Hefe genutzt5. Zusätzlich sind wir auch in der Lage, unvollständige metabolische Synthesewege zu komplementieren. Hierzu verwenden wir – neben den speziell eingeführten bekannten Enzymen eines Biosynthesewegs – komplette Genbibliotheken aus Organismen, die einen gewünschten chemischen Metaboliten produzieren.

Die eYAC-Technologie wird momentan in zwei Hauptanwendungsgebieten eingesetzt: | Etablierung von neuen Produktionswegen für bekannte Substanzen. Schwer zugängliche oder seltene und somit teure sekundäre Pflanzenmetabolite, wie zum Beispiel Patchoulol oder kalorienneutrale pflanzliche Süßstoffe, können in der Hefe in großen Quantitäten und sehr guter Reinheit biosynthetisch produziert werden. Hierzu werden die für die Biosynthese benötigten Gene via eYACs in die Hefe eingebracht. | Herstellung von bisher unbekannten, pharmazeutisch aktiven Substanzen. Gene, die für Enzyme aus Stoffwechelsynthesewegen kodieren, werden mit cDNA-Bibliotheken aus unterschiedlichen Organismen kombiLABORWELT

www.protagen.de

IT´S a MaTTEr of TrUST GMP ProTEIN aNaLyTICS | DIaGNoSTICS | ProTEIN array TEChNoLoGIES UNIarray® Technologie Plattform für die Entwicklung Serum basierter in vitro Diagnostik GMP konforme Proteinanalytik zur vollständigen Charakterisierung von Biotherapeutika Kompetenz in Studiendesign und kundenspezifischen Lösungen Serum-Screening, Patientenstratifizierung, Therapiemonitoring

17_LW6_11_Protagen.indd 1

16.11.2011 17:30:16 Uhr

Blitzlicht Synthetische Biologie

Abb. 2: eYAC-Technologie. Zur Herstellung der synthetischen Hefechromosomen werden heterologe Gensequenzen mit hefespezifischen regulatorischen Sequenzen kombiniert und diese genetischen Einheiten („Genkassetten“) in Bakterien amplifiziert (a). Die Plasmide werden anschließend isoliert und die Genkassetten mit geeigneten Restriktionsenzymen freigesetzt (b). In einer Ligationsreaktion fügen wir Genkassetten (c) zusammen und vervollständigen die DNA-Fragmente mit geeigneten Chromosomenenden. niert und in die Hefe eingeschleust. Diese Mischung aus bekannten Synthesewegen und zusätzlichen enzymatischen Aktivitäten generiert eine große Anzahl von Katalysatoren enzymatischer Reaktionen, die eine hohe chemische Diversität der resultierenden Produkte garantiert. Durch die anschließende Kopplung der Biosynthese chemischer Verbindungen mit einem Screeningverfahren können funktionelle neue Moleküle identifiziert werden.

eYAC-Technologie Die eYAC-Technologie beruht auf der Herstellung von künstlichen Hefechromosomen außerhalb der Zelle und deren anschließender Einführung in die Hefe. Die künstlichen Chromosomen können sowohl isolierte Gene aus verschiedensten Organismen als auch de novo synthetisierte Gene beinhalten– zum Beispiel in den bevorzugten Hefecodons. Die kodierenden Sequenzen werden in Eingangsvektoren kloniert und mit hefeeigenen regulatorischen Elementen (Promotoren, Terminatoren) versehen. Üblicherweise verwenden wir induzierbare Promotoren, die es erlauben, die Genaktivität zu kontrollieren, aber auch konstitutiv aktive Promotoren finden Verwendung. Aus den somit entstandenen, plasmidbasierten Genbibliotheken werden die Expressionskassetten ausgeschnitten und in einer Ligationsreaktion zu linearen Konkatemeren in rein zufälliger Anordnung zusammengesetzt. Um diesen synthetischen DNA-Fragmenten die Eigenschaften von natürlichen Hefechromosomen zu verleihen, werden sie mit einem Zentromer, einem Replikationsursprung und mit Telomeren versehen. Zusätzlich verwenden wir Selektionsmarker, um transformierte Hefen isolieren zu können (Abb. 2). Wir sind mittlerweile in der 18 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

16-18_LW6_11_Evolva_tg.indd 18

Lage, den Hefen zusätzliches genetisches Material in Form von künstlichen Chromosomen mit einer Länge von bis zu 300 000 Basenpaaren einzusetzen. Diese Chromosomen können zwischen 50 und 150 Genkassetten aufnehmen. Üblicherweise verwenden wir pro Schritt eines Biosynthesewegs mehrere homologe Enzyme aus verschiedenen Organismen, um die Chancen der Synthese der gewünschten Produkte zu erhöhen.

Besonderer Aufmerksamkeit bedürfen bei dieser Methodik die für die jeweiligen Genkassetten verwendeten Promotoren und Terminatoren. Würden immer die gleichen Sequenzen eingesetzt, bestünde bei der schieren Anzahl der vorliegenden Genkassetten die Möglichkeit, dass durch den hefeeigenen Rekombinationsprozess Genkassetten verlorengingen.

Des weiteren muss analysiert werden, ob eventuelle Modifikationen im hefeeigenen Stoffwechsel für eine effiziente Produktion notwendig sind. Falls Zwischenstufen des neuen Biosynthesewegs von der Hefe in unbrauchbare Produkte umgewandelt werden, können die dafür verantwortlichen hefeeigenen Enzyme ausgeschaltet werden.

Selbstverständlich muss dabei die Vitalität der Hefe gewährleistet bleiben. Ist das für den neuen Syntheseweg notwendige Startmolekül nur in geringen Mengen vorhanden, kann das Ausgangsprodukt den Hefezellen auch im Nahrungscocktail zur Verfügung gestellt werden.

Darüber hinaus ergibt sich die Möglichkeit, modifizierte Ausgangsprodukte (z.B. halogenierte Vorstufen) in den Stoffwechselweg einfließen zu lassen, um somit zu neuartigen Derivaten zu gelangen.

www.laborwelt.de

Da die rein zufällige Zusammensetzung der eYACs auch zur Entstehung von nicht produzierenden Hefezellen führt, müssen in einem geeigneten Selektionsverfahren die relevanten Hefezellen identifiziert werden. Bei der Implementierung von heterologen Biosynthesewegen zur Produktion bekannter Substanzen kann dies über den Einsatz analytischer Chemie erfolgen. Entstandene Zwischen- und Endprodukte werden in qualitativer und quantitativer Weise über LC/MS erfasst und die produktivsten Klone für die weitere Verwendung selektiert. In pharmazeutisch geprägten Projekten kombinieren wir die Biosynthese von Substanzen mit einem High-Throughput-Screening-Verfahren auf ein pharmazeutisch relevantes Zielprotein. Hierzu wird ein Testsystem in den Produktionsstamm eingebaut, das es uns erlaubt, große Hefebibliotheken mit bis zu 109 unterschiedlichen Hefezellen zu screenen und anschließend die positiven Hefeklone zu isolieren. Auch hier findet die anschließende Isolierung der neuen Verbindung mittels analytischer Chemie statt.

Mit unserer Technologieplattform sind wir bestrebt, die bisher nur unzulänglich ausgeschöpften Möglichkeiten der Biosynthese seltener oder schwierig zu synthetisierender Moleküle in Hefe auszubauen. Die synthetische Biologe, wie wir sie anwenden, bietet die Möglichkeit der Pharma-, Kosmetik- und Nahrungsmittelindustrie eine der klassischen chemischen Synthese nicht zugängliche, neuartige Chemie zur Verfügung zu stellen.

Zudem sehen wir ein großes Potential in der Etablierung von neuen, effizienten und gleichzeitig naturnahen, Produktionswegen.

Nach unserer Überzeugung ist die von Evolva etablierte Technologie ein Meilenstein auf dem Weg zu einer „grünen Chemie“.

Literatur [1]

[2] [3] [4]

[5]

Goffeau A, Barrell BG, Bussey H, Davis RW, Dujon B, Feldmann H, Galibert F, Hoheisel JD, Jacq C, Johnston M, Louis EJ, Mewes HW, Murakami Y, Philippsen P, Tettelin H, Oliver SG., Science. 1996 Oct 25;274(5287):546, 563-7 Huang B, Guo J, Yi B, Yu X, Sun L, Chen W, Biotechnol Lett 2008, 30:1121-1137 Goldman S, Curr Op Chem Biol. 2010, 14:390-395.

Szczebara FM, Chandelier C, Villeret C, Masurel A, Bourot S, Duport C, Blanchard S, Groisillier A, Testet E, Costaglioli P, Cauet G, Degryse E, Balbuena D, Winter J, Achstetter T, Spagnoli R, Pompon D, Dumas B., Nat Biotechnol. 2003 Feb;21(2):143-9 Naesby M, Nielsen SV, Nielsen CA, Green T, Tange TO, Simón E, Knechtle P, Hansson A, Schwab MS, Titiz O, Folly C, Archila RE, Maver M, van Sint Fiet S, Boussemghoune T, Janes M, Kumar AS, Sonkar SP, Mitra PP, Benjamin VA, Korrapati N, Suman I, Hansen EH, Thybo T, Goldsmith N, Sorensen AS., Microb Cell Fact. 2009 Aug 13;8:45

Korrespondenzadresse Prof. Dr. Jutta Heim Evolva SA Duggingerstr. 23 CH-4153 Reinach juttah@evolva.com LABORWELT

17.11.2011 10:32:16 Uhr

Blitzlicht Modellierung

Der virtuelle Patient – neue Wege in der Krebsforschung Alexander Kühn und Christoph Wierling, Max-Planck-Institut für molekulare Genetik, Berlin Die mathematische Modellierung kann wesentlich zu einem besseren Verständnis biologischer Systeme beitragen. Sie bietet die Möglichkeit, Vorhersagen über das Verhalten des Systems zu machen und mögliche Effekte von Störungen, wie Mutationen oder Medikamentenwirkungen, zu testen.

Dies ermöglicht neue Wege in der Aufstellung von Hypothesen, der Planung von Experimenten, aber auch in der Optimierung von Therapien. Krankheiten wie Krebs, die durch umfangreiche Störungen im komplexen regulatorischen zellulären Netzwerk entstehen, könnten somit in Zukunft auf Basis von durch Hochdurchsatz-Sequenzierverfahren personalisierten Modellen besser verstanden werden. Schließlich bietet dies die Möglichkeit einer individualisierten Medizin.

Für die Aufrechterhaltung mehrzelliger Organismen ist eine strenge Kontrolle von Zellwachstum und -teilung, Differenzierung und kontrolliertem Zelltod (Apoptose) essentiell.

Dies erfordert ein koordiniertes Zusammenspiel insbesondere auf zellulärer Ebene. Kommt es hier bei einzelnen Zellen zu massiven Veränderungen in der Kontrolle und Regulation, können entartete Zellen entstehen, die sich ungehemmt vermehren, ausbreiten und letztendlich zur Entstehung von Krebs führen können.

Modellierung von Krebs Die molekularbiologische Untersuchung der zellulären Regulation und Kommunikation ist Gegenstand langjähriger Forschung. Mittlerweile haben wir bereits ein sehr umfassendes Bild vieler zellulärer Signaltransduktionswege und der zu Grunde liegenden regulatorischen Prozesse. Diese bilden ein sehr komplexes Netzwerk auf molekularer Ebene. Die mathematische Modellierung dieser komplexen Netzwerke bietet eine Möglichkeit, diese Systeme besser zu verstehen. Im Laufe der letzten Jahre hat sich hierfür die Systembiologie als ein Forschungszweig in der Biologie etabliert.

Eine sehr bewährte Herangehensweise für die mathematische Modellierung biologischer Systeme ist die Beschreibung in Form von Differentialgleichungssystemen. Diese können anschließend genutzt werden, um quantitative Simulationen durchzuführen und das Verhalten der Modelle zu studieren. Wichtig hierbei ist eine stetige Verfeinerung und Optimierung der Modelle auf Basis neuer Daten und Ergebnisse aus Validierungsuntersuchungen.

Die Erstellung mathematischer Modelle benötigt eine Vielzahl an Informationen zur Struktur der molekularen Netzwerke, den Kinetiken und kinetischen Parametern der einzelnen Reaktionen sowie den KonzentratiLABORWELT

19-20_LW6_11_ITFoM_tg.indd 19

onen und Mengen der beteiligten Moleküle.

Viele dieser Informationen sind mittlerweile in umfassenden Datenbanken integriert und stehen somit für die Erstellung von Modellen zur Verfügung (Tab. 1). Geeignete Programme, wie das Modellierungs- und Simulationssystem PyBioS1,2, ermöglichen dann die Integration der Informationen über Signalwege und die Durchführung von in silico-Experimenten.

Am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik haben wir auf Basis der von Hanahan und Weinberg3 formulierten Eigenschaften von Krebs ein mathematisches Modell krebsrelevanter Signaltransduktionswege entwickelt. Es integriert unter anderem wesentliche Eigenschaften wie Proliferation, Apoptose und Angiogenese, die bei Krebs dereguliert sind (Tab. 2).

Dieses Modell bietet die Möglichkeit, geeignete Ansatzpunkte für neue Medikamente zu identifizieren oder auf Basis bekannter Medikamente mögliche Therapieansätze zu optimieren.

Entwicklungen in der Krebstherapie Die molekularbiologische Forschung hat mittlerweile mehrere Hundert Gene identifiziert, deren Mutation beziehungweise genetische Änderung bei der Tumorentwicklung involviert sind und daher als Krebsgene bezeichnet werden. Darüber hinaus wurde eine Vielzahl der komplexen Aktivierungsmechanismen zellulärer Signalwege und deren molekulare Vernetzung entschlüsselt. Diese Ergebnisse ermöglichten die Entwicklung einer neuen Generation von innovativen Krebsmedikamenten, die gezielt in die Signalwege von Tumorzellen eingreifen.

Im Gegensatz zu einer bisher stark empirisch ausgerichteten zytotoxischen Chemotherapie, deren Wirkungsnachweise in der Regel statistisch an großen Patientengruppen durchgeführt wurde, bieten die molekularen zielgerichteten

Tab. 1: Informationsquellen für die Systembiologie Datenbank

URL

Sequenzinformationen und Mutationen GeneBank

www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank

EMBL Nucleotide www.ebi.ac.uk/embl Database UniGene

www.ncbi.nlm.nih.gov/unigene

Ensembl

www.ensembl.org/index.html

Cosmic

www.sanger.ac.uk/genetics/CGP/ cosmic

Pathway- und Interaktionsdatenbanken BioCyc

www.biocyc.org

KEGG

www.genome.jp/kegg

Reactome

www.reactome.org

IntAct

www.ebi.ac.uk/intact

DIP

http://dip.doe-mbi.ucla.edu

MINT

http://mint.bio.uniroma2.it/mint

ConsensusPathDB

http://cpdb.molgen.mpg.de

Kinetische Parameter BRENDA

www.brenda-enzymes.org

SABIO-RK

http://sabio.villa-bosch.de/SABIORK

Expressionsdaten Gene Express Omnibus (GEO)

www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/ geo

ArrayExpress

www.ebi.ac.uk/arrayexpress/ index.html

Systembiologische Modelle BioModels

www.biomodels.org

JWS

http://jjj.biochem.sun.ac.za

Medikamente die Möglichkeit einer gezielten und individualisierten Tumortherapie. Während also bislang Tumore gemäß ihrer Zugehörigkeit zu einer Tumorklasse behandelt wurden, rückt nun eine spezifische Behandlung von Tumoren entsprechend ihrer molekularen Eigenschaften in greifbare Nähe.

Obwohl die prinzipielle Wirksamkeit solcher neuen Therapien inzwischen in verschiedenen Tumorentitäten eindrucksvoll belegt wurde4, Tab. 2: Statistik des mathematischen Krebsmodells Reaktionen

4024

Kinetische Parameter

4439

Komponenten

2778

Gene

507

Mutierte Gene

62 (3 Onkogene, 58 Tumorsuppressorgene, 1 Genfusion)

Externe Aktivatoren (Wachstumsfaktoren, Hormone etc.)

67

Inhibitoren

53 (40 Medikamente) 12. Jahrgang | Nr. 6/2011 | 19

16.11.2011 17:37:56 Uhr

Blitzlicht Modellierung

darstellt, der eine auf den einzelnen Patienten maßgeschneiderte Therapie erfordert.

Der virtuelle Patient

Abb. 1: In silico-Prognose von Medikamentenwirkungen. Darstellung von Tumoren zweier Lungenkrebspatienten. Das Computermodell sagt ein Ansprechen des Tumors von Patient 1 und eine Immunität des Tumors von Patient 2 gegenüber Cetuximab voraus, wie anhand von CMYC, einem Marker für Proliferation, zu sehen ist. zeigte sich auch, dass die Inhibition eines einzigen identifizierten onkogenen Ziels nicht ausreichend ist, um das Tumorwachstum und die Tumorausbreitung im Patienten nachhaltig zu blockieren. Neben der von Patient zu Patient unterschiedlichen Pharmakodynamik, die eine personalisierte und optimierte Therapie limitiert, ist eine auf ein onkogenes Ziel gerichtete Therapie dadurch erschwert, dass Tumorzellen variable Reaktionsmöglichkeiten besitzen, die es ihnen erlauben, eine medikamentöse Ausschaltung eines onkogenen Ziels zu kompensieren oder zu umgehen. So existieren nebeneinander mehrere Signaltransduktionswege, die miteinander interagieren und parallel oder in zeitlicher Reihenfolge aktiviert werden können5.

Die molekularen Netzwerke und Interaktionen sind dabei so komplex, dass sie nur mit Hilfe systembiologischer Methoden effektiv analysiert werden können.

Personalisierte Krebstherapie Unser Modellierungsansatz versucht daher mit Hilfe des Krebsmodells, das Informationen über Signalwege und deren Interaktionen als Resultat aus Jahrzehnten der Krebsforschung enthält, und der individuellen molekularen Charakterisierung des Genoms und Transkriptioms des Tumors die mitogenen und onkogenen Signale zu identifizieren, die maßgeblich für die Tumorentwicklung verantwortlich sind. Anschließend können unter Einsatz entsprechender Rechnerkapazitäten die Effekte verschiedener Krebsmedikamente sowie von Medikamentenkombinationen in silico modelliert werden, um so die Basis für eine systematische Optimierung der Therapie für jeden Krebspatienten gemäß des genetischen Profils seines Tumors zu legen (Abb. 1)6.

Da noch immer viele Komponenten, die bei der Tumorentstehung und der Metastasierung eine Rolle spielen und/oder die Reaktion eines Tumors auf bestimmte Medikamente beeinflussen könnten, noch nicht im Modell enthalten 20 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

19-20_LW6_11_ITFoM_tg.indd 20

sind, ist unser Krebsmodell in verschiedenen Krebs-Forschungsprojekte involviert. Einerseits versuchen wir, in diesen Projekten das existierende Krebsmodell durch Genom- und Transkriptomsequenzierung weiterer Tumore zu erweitern, um zunehmend verlässlichere prädiktive Aussagen treffen zu können. Andererseits sollen die Modellvorhersagen validiert und die klinische Umsetzbarkeit unseres Modellierungsansatzes gezeigt werden.

Im OncoTrack-Projekt werden zum Beispiel die Tumore von Darmkrebspatienten analysiert und mit Hilfe des Krebsmodells neue Biomarker identifiziert, im PREDICT-Projekt wird retrospektiv das Ansprechen von Lungenkrebspatienten auf verschiedene Medikamente vorhergesagt und im TREAT20-Projekt werden mittels unseres Modellierungsansatzes die Behandlungen von Melanompatienten unterstützt. Wir erwarten, dass durch diesen Modellierungsansatz eine personalisierte Medizin im Bereich der Onkologie ermöglicht wird, die der Tatsache Rechnung trägt, dass aufgrund der zahlreichen somatischen Änderungen jeder Tumor einen Einzelfall

Aufgrund der rasanten technologischen Fortschritte ist heute die Analyse von Genomen und Transkriptomen in nur wenigen Stunden möglich. Es ist daher zu erwarten, dass die Medizin der Zukunft auf diese generierten Daten zugreift und mit Hilfe von Computern virtuelle Modelle von individuellen Menschen produziert.

Diese virtuellen Patienten erlauben es Ärzten, die Wirkung von Behandlungen gemäß individueller genetischer und physiologischer Eigenschaften zu simulieren und zu optimieren. Dadurch, so hoffen wir, können unerwünschte Nebenwirkungen vermieden und Behandlungen effektiver werden. Daher soll unser Modellierungsansatz im IT Future of Medicine-Projekt (www.itfom.eu), eines der sechs visionären Zukunftskonzepte im Rahmen der EU-Flagship-Initiative, weiter verbessert, auf weitere Krankheiten übertragen und in die klinische Routine gebracht werden (Abb. 2).

Literatur [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Wierling C, Herwig R, and Lehrach H (2007) Briefings in Functional Genomics and Proteomics 6(3):240-251.

Klipp E, Liebermeister W, Wierling C, et al. (2009) Systems Biology – A Textbook, Wiley VCH, Weinheim.

Hanahan D and Weinberg RA (2011). Cell 144: 2646-674.

Bollag G, Hirth P, Tsai J, et al. (2010). Nature 467:596–599.

Vogelstein B and Kinzler KW (2004) Nat Med 10:789–799.

Manolopoulos VG, Dechairo B, Huriez A, et al. (2011). Pharmacogenomics 12(5):597-610.

Korrespondenzadresse Dr. Alexander Kühn Dr. Christoph Wierling Max-Planck-Institut für molekulare Genetik kuehn_a@molgen.mpg.de wierling@molgen.mpg.de

Abb. 2: Computermodellgestützte Medizin der Zukunft. Auf Basis patientenspezifischer Genom- und Transkriptomdaten werden individualisierte Computermodelle erstellt. An diesen virtuellen Patienten können in silico Medikamente getestet und somit Therapien patientenspezifisch optimiert werden.

LABORWELT

16.11.2011 17:38:00 Uhr

Biopeptide: synthetische Biologie zur Produktion von Peptiden

Life-Science-Jobs mit guten Aussichten?

Dipl-Biol. Alexander Craig, Dr. Hubert Bernauer, Dr. Josef Maier, ATG:biosynthetics GmbH, Merzhausen und IstLS, Oberndorf/Neckar Die Entwicklung von Nachweisverfahren für bakterielle und virale Krankheitserreger sowie von passenden Impfstoffen erfordert profunde biologische Kenntnis des Pathogens und der Immunvorgänge im Wirt. Die Entschlüsselung der Genome zahlreicher Mikroorganismen und Viren sowie die parallel dazu verlaufende intensive Forschung am Säugerimmunsystem lieferten wesentliche Beiträge, um die komplexen und vielfältigen Immunvorgänge im gesunden und kranken Organismus zu verstehen. Diese Entwicklungen der Omics-Ära haben neue Wege in der Impfstoffforschung eröffnet, wobei die die synthetische und Systembiologie (Gensynthese, Pathway Engineering, etc.) methodische Neuerungen bringen.

Die Bio-Peptid-Technologie der Firma ATG:biosynthetics ist eine solche Entwicklung, die hier kurz vorgestellt werden soll.

Kluge Köpfe suchen in Norddeutschland.

Abb. 1: Übersicht über das PepID-Verfahren. Details siehe Haupttext Immunomics tauchte als Begriff vor rund 10 Jahren erstmals in der Literatur auf 1,2 und bezeichnet den Ansatz, das Gesamtarsenal an Effektormolekülen und -mechanismen im Säugerimmunsystem zu charakterisieren. Forscher in diesem Gebiet verfolgen das ehrgeizige Ziel, das vollständige Repertoire an Antikörpern, beteiligten Immunzelltypen, Signalmolekülen (wie z.B. Cytokinen oder Interferonen) sowie die große Vielfalt immunologisch relevanter Peptidantigene funktionell in einen Kontext zu bringen. Diese systembiologische Stoßrichtung liefert im Zusammenspiel mit Genomics und Proteomics auch neue Impulse für die Impfstoffentwicklung3. Waren die Vakzine der LABORWELT

21-23_LW6_11_Craig_tg.indd 21

ersten und zweiten Generation noch Produkte einer relativ „ungerichteten“ Immunisierung mit ganzen Organismen oder ihren aufbereiteten zellulären Bestandteilen, so ermöglicht die systematische Analyse des Immungeschehen die Entwicklung einer dritten Generation von Vakzinen, die teilweise rational am bioinformatischen Reißbrett entworfen wird3.

Peptide sind wichtige Agentien im Immungeschehen, die Prozesse der humoralen und zellulären Immunabwehr auslösen, aber auch dämpfen können4,5 . Auch in Forschung und Entwicklung wurde ihre Bedeutung erkannt6.

Um ihre biologische Rolle zu entschlüsseln, können umfangreiche Bibliotheken dieser

Die Life Science Nord Jobbörse vermittelt Stellenangebote und -gesuche aus den Branchen Medizintechnik, Biotech und Pharma in Hamburg und Schleswig-Holstein. Mit unserer ausgezeichnet vernetzten Branchenstruktur an einem der attraktivsten Standorte Deutschlands verbinden wir Arbeiten, Forschen und Lebensqualität auf eine Art, wie man sie nur hier bei uns im Norden findet. www.life-science-nord.net/jobs

Innovation for your health.

SCHLESWIG-HOLSTEIN, HAMBURG

16.11.2011 17:38:22 Uhr

Blitzlicht Medizinische Biotechnologie

Differenzierung zwischen Infektionen mit nahe verwandten Erregern erlauben. Dies ist mit bestehenden Methoden bis dato nur bedingt möglich. Daraus lassen sich, in weiterer Forschung, differentialdiagnostische Schnelltests für Patientenseren entwickeln.

Epitop-Vorhersage

Abb. 2: (Potentielle) Anwendungen der BiopeptID-Technologie in der Biomedizin. Diese decken sich in weiten Bereichen mit denen chemisch synthetisierter Peptide.

Antigene angelegt und getestet werden. Bis dato wurden randomisierte Peptidfragmente entweder chemisch synthetisiert 7,8 oder in Phagenbibliotheken9 zusammengefasst. Oft wurde mit diesen gewaltigen Bibliotheken aber im Schrotschussverfahren gearbeitet, da die zahllosen Aminosäurekombinationen nicht mit Blickwinkel auf ihre biologische Relevanz produziert wurden7.

Maßgeschneiderte Peptidbibliotheken In bestimmten Fällen dürfte es sinnvoller sein, maßgeschneiderte, fokussierte Peptidbibliotheken aus den immunologisch relevanten Proteinen genetisch gut charakterisierter Erreger anzulegen. Die Firma ATG:biosynthetics bietet hier ein patentiertes Verfahren zur Herstellung von Peptiden in biologischen Systemen an (siehe Abb. 1). Zuerst zerlegt ein bioinformatischer Algorithmus in silico Proteinsequenzen von Interesse in überlappende oder nicht-überlappende Peptidfragmente definierter, aber flexibel wählbarer Länge. Die auf DNA-Ebene Codonoptimierten Peptidfragmente werden mittels Gensyntheseverfahren in Gruppen von neun bis 11 Peptiden in DNA „gegossen“ und liegen als kompakte Bibliothek auf einem Plasmid (source vector) vor. Dieser kann als rekombinantes Konstrukt in E. coli-Laborstämmen vermehrt werden. Durch einen einfachen Doppelverdau mit Restriktionsenzymen werden die Peptidkodierenden DNA-Abschnitte freigesetzt und können dann in einen passenden Expressionsvektor kloniert werden, wo zugleich eine Kopplung an die Sequenz für ein Trägerprotein stattfinden kann. Als Trägerproteine kommen etwa abspaltbare Tags zur Affinitätsaufreinigung in Frage. Die Expressionsbibliothek wird 22 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

21-23_LW6_11_Craig_tg.indd 22

in E. coli transformiert, um für jedes Peptid Einzelklone zu erhalten, die nach Verifikation als Dauerkulturen aufbewahrt werden.

Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt auf der Hand: Die Peptide können jederzeit aus dem source vector regeneriert und nahezu unbegrenzt produziert werden. Mit steigender Menge und Peptidlänge bedeutet dies gegenüber der chemischen Synthese einen Kostenvorteil.

Das Verfahren ist geeignet, die kodierenden Sequenzen ganzer Genome in Form von Peptidbibliotheken abzubilden. Die Analyse kann mittels verschiedener „Display Technologien“ (Phage, E. coli, Yeast display etc.) erfolgen, aber auch mittels Mikrotiterplatten und Arraysystemen. Solche Hochdurchsatzverfahren, die für randomisierte Bibliotheken bereits umgesetzt wurden10, sind für spätere Massenscreenings wünschenswert.

Entwickelt wurde das System ursprünglich, um Patientenseren mittels Phagendisplay randomisierter Peptidfragmente des humanen Papillomvirus auf Virenbelastung zu testen. Eine erste Anwendung des Verfahrens wird momentan mit der Arbeitsgruppe von Dr. Sebastian Ulbert am Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie in Leipzig umgesetzt. Dabei wird die Immunreaktion auf Infektionen mit dem West-Nil-Virus untersucht11.

Der Leipziger Forscher sieht einen Vorteil von rationalen Peptidbibliotheken, die aus dem kompletten Proteom eines viralen Krankheitserregern konstruiert werden, in der schnellen Vorsortierung geeigneter Epitopkandidaten.

Da die Epitope auch umfangreicher sein dürfen, kann ab 20 bis 30 Aminosäureresten neben den linearen B-Zell-Epitopen bereits ein Teil einfacherer struktureller Epitope erfasst werden. Weiterhin ermöglicht dieses Verfahren, Bereiche zu identifizieren, die eine exakte

Eine bedeutende Rolle bei rationalen Ansätzen kommt den vorgeschalteten in silico-Analysen zu, die in das Peptiddesign einfließen. In diesem Bereich arbeitet die Firma ATG:biosynthetics eng mit dem Bioinformatiker Dr. Josef Maier (IstLS, Oberndorf) zusammen. Der Umfang immunologisch relevanter Peptidsequenzen eines Pathogens kann durch Metagenomanalysen und die Auswertung verschiedener OmicsDatensätze (sowohl aus dem Wirt als auch dem Pathogen) auf ein sinnvolles Maß eingegrenzt werden. Der bioinformatische Vergleich von Genomen pathogener und nichtpathogener nahe verwandter Arten und Stämme erlaubt es zum Beipiel, Virulenzfaktoren zu identifizieren, die für Diagnostik und Therapie hohen Wert haben. Gleichzeitig lassen sich mittels Genomübergreifender Untersuchungen konservierte, potentiell antigene Epitope vermeiden, die auch bei nützlichen Darmbakterien (Kommensalen) oder harmlosen Artverwandten vorkommen3.

Algorithmen für die Vorhersage B-Zell- (Antikörper-Stimulierung) und T-Zell-spezifischer Epitope (zelluläre Immunantwort) identifizieren Peptide, welche für eine Peptidbibliothek geeignet sind. Für B-Zell-Epitope sind dabei unter anderem strukturelle Aspekte der Antigene wie gut zugängliche Oberflächenbereiche entscheidend, für T-Zell-Epitope, wie effektiv sie auf den in der Wirtspopulation weitverbreiteten MHC-Typen präsentiert werden – und damit ihre Fähigkeit, eine starke zelluläre Immunantwort zu stimulieren (z.B. bei Tuberkulose-Erregern, Viren). Detailliertere Auswertung und Integration der Daten aus Metagenom- und Immunomicsanalysen ermöglichen Peptidbibliotheken mit populationsspezifisch oder personenspezifisch optimierter Sichtbarkeit für das Immunsystem.

Immunologischer Fingerabdruck Die Biopeptid-Technologie von ATG:biosynthetics kann auch in anderen Gebieten zum Einsatz kommen (siehe Abb. 2), zum Beispiel um den Immunstatus von Patienten zu untersuchen. Über die Peptide könnten charakteristische Antikörperrepertoires oder die Ausstattung mit Immunzellen ermittelt werden. Solch ein immunologischer Fingerabdruck wäre bei Autoimmunerkrankungen oder Infektion ein wertvolles diagnostisches Werkzeug, um zum Beispiel Therapien optimal auf den Patienten abzustimmen (personalisierte Medizin).

Neben der Validierung neuer Antikörper wären Peptid- oder Protein-Microarrays für LABORWELT

16.11.2011 17:38:37 Uhr

die Forschung oder Diagnostik ein weiteres Einsatzgebiet4,7,12-14, genau wie die Krebstherapie5. Das Verfahren bietet sich zudem an, um Protein-Protein-Interaktionen jeglicher Art zu untersuchen15. Proteine oder Proteinabschnitte werden dazu so lange gezielt verkürzt, bis minimale Interaktionsdomänen definiert werden können. Die Peptide unterschiedlicher Länge würden in einer oder wenigen Peptidbibliotheken zusammengefasst und exprimiert.

Ergänzung zu chemisch hergestellten Peptiden an. Die kommenden Jahre werden zeigen, wie die Forschung diese neue Technologie aufnimmt.

Bottlenecks

[3]

Das Verfahren hat auch Grenzen. Modifizierte Aminosäuren lassen sich noch nicht in die Peptide einbauen. Hier könnte sich die nicht-ribosomale Peptidsynthese in Mikroorganismen zu einer Alternative entwickeln16.

ATG:biosynthetics arbeitet an solchen Verfahren in Kooperationen und bietet für solche Projekte Multigen-Expressionsvektoren und geeignete Verfahren zur Assemblierung von Pathways an. Bei den Mimotopen sind sie hingegen keine Alternative, da diese noch nicht rational definiert werden können.

Die Herstellung in Mikroorganismen erfordert, die Peptide bei der Aufreinigung von den Entzündungs-auslösenden Endotoxinen zu trennen. Dies ist ein Nachteil gegenüber chemischen Peptiden, der aber heutzutage technisch keine wesentliche Herausforderung darstellt. Dass Peptide mit unterschiedlicher Effizienz produziert werden, kann auch bei den Biopeptiden vorkommen, wobei aber die oben erwähnten bioinformatischen Verfahren helfen, beispielsweise potentiell aggregierende Peptide auszuschließen. Dies ist angemessen, da diese für das Immungeschehen in der Regel eine untergeordnete Rolle spielen dürften. Ein zeitraubender Schritt ist die Validierung der Klone, auch wenn robotische Verfahren die Analyse deutlich beschleunigen. Will man ähnlich rigorose Standards wie bei den chemisch synthetisierten Peptiden anlegen, empfiehlt sich eine Überprüfung der Peptididentität mittels Massenspektrometrie. Diese muss nur einmal vorgenommen werden, da man bei den Biopeptiden von einer Stabilität der auf den Plasmiden kodierten DNA ausgehen kann.

Ein nicht unerheblicher Gesichtspunkt ist der ökologische Fingerabdruck (nachhaltige Produktion): unter diesem Aspekt dürften Bio-Peptide17 ihren vollsynthetischen Pendants in Zukunft vorzuziehen sein. Die chemische Synthese von Peptiden verbraucht enorme Mengen an Rohstoffen und vor allem Wasser18. Substanzen wie Acetonitril, die in der Synthese zum Einsatz kommen, sind giftig. Bei den Bio-Peptiden müssen zwar ebenfalls die Peptid-kodierenden DNA-Konstrukte chemisch synthetisiert werden, aber hier liegen die benötigten Mengen im Mikrogramm-Bereich, da Mikroorganismen den Rest des Produktionsprozesses übernehmen.

Rational konstruierte Bio-Peptide bieten sich in vielen Bereichen als gute Alternative oder LABORWELT

21-23_LW6_11_Craig_tg.indd 23

Power für den Job !

Literatur [1] [2]

[4]

[5]

[6]

[7] [8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15] [16]

[17] [18]

Klysik J.Concept of immunomics: a new frontier in the battle for gene function? Acta Biotheor. 2001;49(3):191-202.

Maecker B, von Bergwelt-Baildon, Anderson KS, Vonderheide RH, Schultze JL. Linking genomics to immunotherapy by reverse immunology--‘immunomics‘ in the new millennium. Curr Mol Med. 2001 Nov;1(5):609-19.

Bagnoli F et al. (2011). Designing the Next Generation of Vaccines for Global Public Health. OMICS: A Journal of Integrative Biology 15: 545-566.

Smith DJ et al. (1997). Immunogenicity and protective immunity induced by synthetic peptides associated with a catalytic subdomain of mutans group streptococcal glucosyltransferase.

Infection and Immunity 11: 4424-4430 Kenter GG et al. (2008). Cancer Therapy: Clinical: Phase I Immunotherapeutic Trial with Long Peptides Spanning the E6 and E7 Sequences of High-Risk Human Papillomavirus 16 in End-Stage Cervical Cancer Patients Shows Low Toxicity and Robust Immunogenicity Clin Cancer Res 14:169-177; doi:10.1158/1078-0432.CCR-07-1881 Beck A et al. (2007). Peptides as tools and drugs for immunotherapies. Journal of Peptide Science 13: 588–602, DOI: 10.1002/psc.852 Grainger D (2004). Immunomics: Principles and Practice. IRTL Reviews 2: 1-6.

Shin D-S et al. (2005). Combinatorial Solid Phase Peptide Synthesis and Bioassays Journal of Biochemistry and Molecular Biology 38:. 517-525 Ellis SE et al. (2011). Phage display library biopanning as a novel approach to identifying nematode vaccine antigens.Parasite Immunol. 2011 Jul 19. doi: 10.1111/j.1365-3024.2011.01317.x.

[Epub ahead of print] Glökler J, Schütze T and Konthur Z (2010). Automation in the High-throughput Selection of Random Combinatorial LibrariesDifferent Approaches for Select Applications. Molecules 15: 2478-2490; doi: 10.3390/molecules15042478 EU-Verbundprojekt »WINGS: West Nile Integrated Shield Project: Epidemiology, Diagnosis and Prevention of West Nile Virus in Europe«. http://west-nile-shield-project.eu/ de Oliveira EJ et al. (2008). Synthetic peptides as an antigenic base in an ELISA for laboratory diagnosis of schistosomiasis mansoni. Transactions of the Royal Society of Tropical Medicine and Hygiene 102: 360-366 Margarit I et al. (2009) Capturing host-pathogen interactions by protein microarrays: identification of novel streptococcal proteins binding to human fibronectin, fibrinogen, and C4BP. FASEB J. 23: 3100–3112 Van Regenmortel MHV (2009). Synthetic Peptide Vaccines and the Search for Neutralization B Cell Epitopes. The Open Vaccine Journal 2: 33-44 33 Boxem M et al. (2008). A Protein Domain-Based Interactome Network for C.elegans Early Embryogenesis. Cell 134: 534-545.

Stack D, Neville C and Doyle S (2007). Nonribosomal peptide synthesis in Aspergillus fumigatus and other fungi. Microbiology 153: 1297-1306.

Meyer H-P (2011). Sustainability and Biotechnology. Organic Process Research & Development 15: 180–188 Meyer H-P, Ott L, Quittmann W (2009) „Will synthetic biology lead to radical changes in the manufacturing industry?“ Vortrag auf der Biofine 2009, Applied Industrial Synthetic Biology in Europe – Status Quo and Perspectives. April 16 to 17, 2009 - Freiburg, Germany

Erfolgsfaktor Weiterbildung !

Wir bieten Ihnen praxisorientierte Kurse zu vielen Themenbereichen z.B. GMP Basiskurs Zellkultur unter GMP GLP und QM Basiskurs Validierung in der Molekular- und Zellbiologie

Korrespondenzadresse Alexander Craig ATG:biosynthetics GmbH Weberstr. 40 79249 Merzhausen Tel.: +49-(0)761-76697105 (VoIP) Fax: +49-(0)761-8889425 alexander.craig@atg-biosynthetics.de www.atg-biosynthetics.com

www.promocell-academy.com

16.11.2011 17:38:45 Uhr

Wissenschaft Epidemiologie

Sequenzanalyse offenbart erstes Reservoir für Ebolaähnliche Viren in Europa Dr. Burkhard Ziebolz, Roche Applied Science, Penzberg Natürliche Infektionen mit Filoviren, wie dem Ebola- oder dem Marburg-Virus, waren bislang ausschließlich aus Zentralafrika und den Philippinen bekannt. In einer aktuellen Studie berichten Negredo et al.1 von der Entdeckung des ersten Filovirus-Reservoirs in Europa in insektivoren Fledermäusen. Eine Sequenzanalyse mit dem Genome Sequencer FLX (454 Life Sciences, Branford, USA) zeigt, dass das in der nordspanischen Höhle Cueva del Lloviu entdeckte Lloviu-Virus (LLOV) sich genetisch signifikant von den in Zentralafrika verbreiteten humanpathogenen Ebola (EBOVs)- und Marburgviren (MARVs) unterscheidet und eine eigene neue Gattung bildet. Die genomische Sequenz von LLOV weicht bei voller Konservierung sämtlicher offener Leserahmen (ORFs) um etwa 50% von jener bekannter Ebolaviren ab. Obgleich ein kausaler Nachweis noch aussteht, könnte LLOV im Gegensatz zu den in Fledermäusen apathogenen EBOVs und MARVs in Zusammenhang mit schnell verlaufenden, tödlichen Ausbrüchen in Populationen der Fledermausart Miniopterus schreibersii in Frankreich, Nordspanien und Portugal stehen. Darauf deutet das Auftreten des -ssRNA-Virus in von dem Fledermaussterben betroffenen Subpopulationen, nicht aber benachbarten gesunden Populationen hin.

Die Analyse und Vorhersage der geographischen Verbreitung der verschiedenen Filovirustypen legt nahe, dass lokal auftretende Virussubpopulationen phylogenetische Gruppen mit stabiler Wirt-Parasit-Beziehung bilden und dass LLOV eine eigenständige ökologische und geographische Nische besetzt.

Filovirusinfektionen sind vor allem als Ursache tödlich verlaufender hämorrhagischer Fieber im Menschen und in Primaten bekannt.

Die Familie der Filoviridae umfasst zwei Gattungen: Marburgvirus, mit diversen Stämmen des Viktoriasee-Marburgvirus (MARVs), sowie Ebolavirus (EBOVs) mit den vier Species Sudan-Ebolavirus (SEBOV), Zaire-Ebolavirus (ZEBOV),, Elfenbeinküsten-Ebolavirus (ICEBOV) und Reston-Ebolavirus (REBOV) sowie die vermutliche Species Budibugyo-Ebolavirus (BEBOV). Bis auf das auf den Philippinen endemische REBOV sind die bisher bekannten Filoviren humanpathogen und in Afrika verbreitet. Obgleich das Wissen zu natürlichen Reservoiren noch lückenhaft ist, gibt es verschiedene Hinweise auf Fledermäuse. So konnten Leroy2 und Swanepoel3-4 nachweisen, dass natürlich oder künstlich mit ZEBOV oder MARV infizierte Fledermausarten die Filoviren länger als drei Wochen über den Faeces ausscheiden. Ein massives Fledermaussterben in Populationen von Miniopterus schreibersii in Frankreich, Portugal und Spanien war der Anstoß für Negredo et al.1, nach Ursachen

zu suchen. Die state-of-the-art-Analyse und genomische Sequenzierung von in der Cueva del Lloviu verendeten Exemplaren mit dem GS FLX System führte zur Entdeckung des neuartigen Ebolavirus-ähnlichen Filovirus LLOV.

Ergebnisse Basis der Untersuchung von Negredo et al.1 war die Untersuchung von 20 im Zuge des großen Fledermaussterbens von 2002 in der Cueva del Lloviu verendeten M. schreibersii.

Bei der pathologischen Inspektion formalinfixierter Abstriche des Rektums, des Rachens sowie von Milz, Hirn, Lunge und Leber zeigten sich keine makroskopischen Läsionen. Mikroskopisch waren jedoch interstitielle Lungeninfiltrate von Lymphozyten und Makrophagen sowie eine Lymphozyten-Depletion in der Milz sichtbar, die auf eine virale Pneumonie hindeuteten. In PCR-Analysen von Extrakten aus Lungen, Milz- und Lebergewebe sowie Rektumabstrichen konnte in 5 von 6 Tieren die Filovirus-spezifische Sequenz der

Abb. 1: GS FLX System RNA-abhängigen RNA-Polymerase nachgewiesen werden. In nachfolgenden real-time PCR-Analysen konnten die Wissenschaftler zwischen 103 bis 106 Kopien der Filovirus-ssRNA in allen 20 Exemplaren mit ähnlicher Pathologie durchweg in Lungengewebe und teilweise in den anderen untersuchten Geweben quantifizieren. Ähnliche Resultate fanden sie in fünf verendeten M. schreibersii, die aus einer anderen nordspanischen Höhle stammten. Keine Filovirus-RNA konnten sie dagegen in neun in derselben Höhle verstorbenen Exemplaren von M. myotis sowie 1.295 gesunden Fledermäusen von verschiedenen spanischen Standorten detektieren.

Zur Sequenzanalyse mit dem GS FLX System wurde die aus M. schreibersii vom Originalstandort isolierte Probe mit der höchsten Viruslast (4,0 x 106 Genomkopien) ausgewählt.

Lücken der aus 225.758 Reads erhaltenen 12,1 kb-Virussequenz sowie die Termini wurden mittels RACE-PCR geschlossen und lieferten eine für Filoviren charakteristische genomische Organisation. Das von Negredo et al.1 nach seinem Fundort benannte LLOV-Virus codiert sieben offene Leserahmen (ORF) auf einem 19 kb einzelsträngigen, negative sense RNA-Genom (–ssRNA). Allerdings unterscheidet sich die Transkription von LLOV und den bekannten Filoviren; | Die sieben ORFs werden von fünf mRNATranskripten sowie einem bicistronischen Transkript codiert, das zugleich das VP25und L-Protein exprimiert | Die Transkriptionsinitiations-Sequenz unterscheidet sich von jener aller bisher bekannten Ebolaviren.

Abb. 2: Organisation von LLOV. Die schwarzen Balken stehen für offene Leserahmen, die roten Pfeile für bioinformatisch ermittelte mRNAs. Transkriptionsinitiations- und -terminations-Stellen sind in hellbau bzw. orange dargestellt [nach Negredo et al. aus 1].

24 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

24-25_LW6_11_Ebola_tg.indd 24

LABORWELT

17.11.2011 10:32:53 Uhr

Wissenschaft Epidemiologie

Ein Vergleich der Sequenzen von LLOV, EBOVs und MARVs zeigte einen hohen Konservierungsgrad der ORFs: | Die C-terminale Domäne von VP35, die in EBOVs den Schutz gegen eine Typ I-Interferon-Antwort des Wirtimmunsystems vermittelt, ist in LLOV konserviert. | Für die Reifung von LLOV wichtige Peptidmotive des VP40-Matrixproteins ähneln stärker MARV- als EBOV-Motiven. | Das in Filoviren immunsupprimierende Motiv in GP2 ist auch in LLOV hochkonserviert. | Die zwei für die Hemmung der Interferonb -induzier ten Genexpression im Wir t erforderlichen VP24-Domänen aus EBOVs sind auch in LLOV konserviert. | Ebenso zeigte eine phylogenetische Analyse der konservierten Domäne III der RNA-abhängigen RNA-Polymerase, dass LLOV zu den Filoviridae zählt und nahe verwandt zu den EBOVs ist.

Die phylogenetische Analyse des kompletten LLOV-Genoms (21.800 Nukleotide) bestätigte aber, dass LLOV eine eigenständige genetische Linie ist, die nach den MARVs vor 7100 Jahren entstanden ist. Darauf deutet der Sequenzvergleich von LLOV mit MARVs hin, der zu 57,3-57,7% verschiedene Sequenzen lieferte.

Der Unterschied zu EBOVs ist mit 51,8-52,6% etwas weniger ausgeprägt.

Diskussion Trotz detaillierter Untersuchungen über die Verbreitung filoviraler Erkrankungen in Menschen, Menschenaffen und anderen Primaten, sind die Informationen über ihre Übertragungswege und Reservoire lückenhaft. Untersuchungen potentieller Reservoire mit long-read Next-Generation Sequencing eröffnen die Möglichkeit, diese Lücken zu schließen. So identifizieren die Arbeiten von Negredo et al. nicht nur Fledermäuse als eines der zahlreichen diskutierten Filovirus-Reservoire. Sie deuten auch darauf hin, dass Filoviren viel weiter verbreitet sind als bisher bekannt und in Europa bisher unbekannte geographische und ökologische Nischen besetzen. Tatsächlich deutet die sequenzbasierte Entdeckung der neuen Gattung Cuenavirus mit dem bisher einzigen Vertreter LLOV von Negredo et al. auf das Vorhandensein weiterer Filoviren. Die Wahrscheinlichkeit, dass das für M. schreibersii pathogen erscheinde LLOV für den Menschen gefährlich sein könnte, ist indes unwahrscheinlich: Bislang wurden von dem von Touristen auch während des Fledermaussterbens von 2002 vielbesuchten Fundort in Spanien – und auch von Fundorten in Frankreich und Portugal – keinerlei Erkrankungen des Menschen gemeldet. Stateof-the-art-Untersuchungen mit dem Genome

Sequencer FLX erscheinen geeignet, hilfreich beim Aufspüren weiterer Filovirus-Vertreter zu sein und so Untersuchungsergebnisse aus den achtziger Jahren zu erklären, die anhand der im Blutserum gebildeten Antikörper gegen Filoviren eine weltweite Verbreitung dieser Virusklasse nahelegen.

Literatur [1]

[2]

[3]

[4]

Negredo A, Palacios G, Vázquez-Morón S, González F, Dopazo H, et al. (2011) Discovery of an Ebolavirus-Like Filovirus in Europe. PLoS Pathog 7(10): e1002304. doi:10.1371/journal. ppat.1002304 Leroy EM, Epelboin A, Mondonge V, Pourrut X, Gonzalez JP, et al. (2009): Human Ebola outbreak resulting from direct exposure to fruit bats in Luebo, Democratic Republic of Congo, 2007. Vector Borne Zoonotic Dis 9: 723-728.

Leroy EM, Kumulungui B, Pourrut X, Rouquet P, Hassanin A, et al. (2005): Fruit bats as reservoirs of Ebola virus. Nature 438: 575–576.

Swanepoel R, Leman PA, Burt FJ, Zachariades NA, Braack LE, et al. (1996): Experimental inoculation of plants and animals with Ebola virus. Emerg Infect Dis 2: 321–325.[

Korrespondenzadresse Dr. Burkhard Ziebolz Roche Applied Science 82377 Penzberg burkhard.ziebolz@roche.com

The Best Just Got Better...

Simpler, Faster, Better Data

10 7

Signal

10 6

R 2 = 0.98 3

10 5 10 4 10 3 0.01

0.1 Total Pro tein

Introducing the

1 (µg)

10

NEW

Infrared Imaging System

CLx

The History You Trust.

Ten Years of Revolutionizing Quantitative Western Blots

The Proven Technology.

4,000+ Publications Citing Data From Odyssey Infrared Technology

The Data You Demand.

More Than 30,000 Users Worldwide www.licor.com/odysseyCLx ®2011 LI-COR, INC

LABORWELT

24-25_LW6_11_Ebola_tg.indd 25

LI-COR Biosciences GmbH +49 (0) 6172 17 17 771 bio-eu@licor.com

LI-COR Biosciences UK Ltd. +44 (0) 1223 422104 bio-eu@licor.com

12. Jahrgang | Nr. 6/2011 | 25

18.11.2011 10:47:13 Uhr

Blitzlicht Systembiologie

Zellprozesse: zwischen mathematischem Modell und gezieltem Experiment Edda Klipp, Theoretische Biophysik, Humboldt-Universität zu Berlin, Berlin Bei der Reaktion von Zellen auf Veränderungen der Umwelt greifen verschiedene Prozesse ineinander. Wir untersuchen insbesondere die Antworten von Zellen auf unterschiedliche Reize, wie Veränderung der Nährstoffbedingungen, die Stimulation mit Wachstumsfaktoren und Pheromonen oder den Wechsel von physiko-chemischen Bedingungen wie Osmolarität oder Temperatur. Als Modellorganismus nutzen wir meist die vollständig sequenzierte Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, für die Abschätzungen von Proteinzahlen pro Zelle (siehe yeastgfp.yeastgenome.org) bekannt und deren Stoffwechselwege und Signalnetzwerke relativ gut aufgeklärt sind. Außerdem eignet sie sich gut für genetische Manipulationen, die ethisch unbedenklich sind.

Hier untersuchen wir unter anderem die Reaktion der Hefezellen auf hyperosmotischen Stress. Dazu werden die Zellen durch Zugabe von Salz oder Sorbitol zum Medium osmotisch gestresst und schrumpfen. Zur Kompensation produzieren die Zellen verstärkt Glyzerin, das sich vorübergehend akkumuliert. In einem kombinierten Ansatz von theoretischer Modellentwicklung und gezielten Experimenten konnten wir die Dynamik des verantwortlichen Signalweges, des High Osmolarity Glycerol (HOG)-Signalweges aufklären und verstehen, wie die Regulation von Genexpression, Stoffwechsel und einem Glyzerinkanal zusammenspielen, um das Volumen der Zellen und den internen Turgordruck wiederherzustellen1. Es zeigte sich jedoch, dass die gewonnenen Erkenntnisse viele neue und spannende Fragen aufwerfen.

In einem aktuellen Projekt haben wir gemeinsam mit unserem Kooperationspartner Francesc Posas von der Universitat Pompeu

Fabra in Barcelona versucht zu verstehen, wie die Aktivierung des HOG-Signalweges wiederum Einfluss auf die Progression des Zellzyklus nimmt2. Es ist seit langem bekannt, dass die Zellen ihr Wachstum unter Osmostress vorübergehend einstellen, bis sie sich an die neuen Bedingungen angepasst haben.

Bei unserer Untersuchung haben wir uns zunächst auf die Regulation der G1-Phase des Zellzyklus und den Übergang in die S-Phase konzentriert. In dieser Phase wird der Zellzyklusfortschritt wesentlich durch die koordinierte Produktion von Zyklinen (Cln3, Cln1/2, Clb5/6), ihre Bindung an die zyklinabhängige Kinase Cdk1 und damit Bildung von aktiven Komplexen sowie die Hemmung des Komplexes Clb5/6-Cdk1 durch den Inhibitor Sic1 bestimmt. Der Abbau von Sic1 aktiviert Clb5/6-Cdk1, das die DNS-Replikation steuert. Cln1/2-Cdk1 koordiniert dagegen die Bildung der Zellknospe.

Zur Beschreibung der bekannten Fakten unter osmotischem Stress, nämlich dass die

Abb.1: Einfluss von osmotischem Stress auf den Zellzyklus. Einzelheiten siehe Text. Modifiziert nach Abb. 1 in [2] 26 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

26-28_LW6_11_Klipp_tg.indd 26

Aktivierung der stressaktivierten Kinase Hog1 sowohl die Transkription des Zyklins Cln1/2 als auch den Abbau von Sic1 durch Phosphorylierung hemmt und damit den Zellzyklusfortschritt verzögert, haben wir ein einfaches mathematisches Modell in Form von Differentialgleichungen formuliert. Obwohl in keiner Form kalibriert, gab dieses Modell erste interessante Hinweise: Simulation mit unterschiedlichen Niveaus an osmotischer Stimulation führten zu unterschiedlich langen Verzögerungen des Zellzyklus. Dagegen bewirkte die Aktivierung von Hog1 zu verschiedenen Zeiten nur dann einen Zellzyklusarrest, wenn diese Aktivierung in der frühen G1-Phase stattfand.

Diese Ergebnisse erschienen auch aus experimenteller Sicht plausibel, erforderten nun aber eine quantitative Absicherung. Unsere spanischen Kooperationspartner haben daraufhin für zellzyklussynchronisierte Zellen die Dynamik in der Antwort auf osmotischen Stress ausführlich vermessen. Sie haben Zellen untersucht, die entweder jeweils in der frühen G1-Phase mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen (0,2 M NaCl bis 0,8 M NaCl) oder jeweils mit gleichen Salzkonzentrationen (0,4 M NaCl), aber zu verschiedenen Zeitpunkten (0 min, 10 min, 20 min, 30 min nach Beendigung des pheromoninduzierten Zellzyklusarrestes) behandelt wurden. Für diese Zellen haben sie die Aktivierung von Hog1, die Expression von Cln2 und Clb5 sowie die Menge von Sic1 per Western Blot über den Zeitraum von bis zu zwei Stunden alle 10 min gemessen. Außerdem wurde mit fluoreszenzaktivierter Zellsortierung (FACS) die Anzahl der Zellen bestimmt, die in die G2-Phase übergegangen sind.

Diese Daten wurden benutzt, um ein – inzwischen weiter verbessertes – Modell zu kalibrieren, also die Parameter für die einzelnen Differentialgleichungen zu bestimmen. Es zeigte sich jedoch, dass eine gute Übereinstimmung zwischen Daten und Simulation nicht allein durch Parameteranpassung zu erzielen war, sondern nur, wenn man einen bisher nicht bekannten Aspekt miteinbezieht, nämlich dass aktives Hog1 auch die Transkription von Clb5/6 hemmt.

Damit lieferte das Modell eine neue erste Hypothese, die experimentell zu verifizieren war. Modellsimulationen (in silico) indizierten, dass die Überexpression von CLB5, aber nicht von CLN2, den G1-Arrest aufheben. Während die Überexpression von CLN2 in vivo (mittels GAL-Promoter) unter Osmostress zu normalem Zellzyklusarrest führte, bewirkte die CLB5Überexpression ein Fehlen des Arrestes nach osmotischem Stress.

Dieses und weitere Experimente haben bestätigt, dass das mathematische Modell die Prozesse bei der Zellzyklusregulation unter osmotischem Stress sehr gut beschreibt. Auch die Anfangsbeobachtung, dass stärkerer Stress zu längerem Arrest führt und dass es ein gewisses Zeitfenster für den Arrest gibt, konnte überprüft und quantitativ beschrieben werden.

LABORWELT

16.11.2011 17:39:38 Uhr

BerlinBrandenburg: Hier pulsiert das Leben.

Für gesundes Wachstum Berlin-Brandenburg ist eine der führenden Gesundheitsregionen in Europa. Über 280 Unter nehmen der Medizintechnik bedienen bereits die steigende Nachfrage von rund 120 Kliniken, darunter die Charité als Europas größtes Universitätsklinikum. Gut 25 renommierte Forschungseinrichtungen und Universitäten mit Schwerpunkt Life Sciences bilden quali zierte Fachkräfte aus. Die hohe Dichte und beispielhafte Vernetzung von Klinik, Forschung und Wirtschaft sind Erfolgsfaktoren für international konkurrenzfähige Produkte. Pro tieren auch Sie von gelebter Interdisziplinarität und pulsierendem Wachstum. www.biotop.de/business Treffen Sie uns bei der Medica 2011!

Düsseldorf, 16.–19.11.

Halle 3 / Stände 3H09/F52/G54 Gemeinschaftsstand Diagnostik Halle 16 / Stand 16C55 Gemeinschaftsstand Medizintechnik/IT

T H E G E R M A N C A P I TA L R E G I O N MORE VALUE FOR YOUR INVESTMENT 210x290_health_industries_BB_dt_Arial.indd 5 27_LW6_11_BerlinPartner.indd 1

14.10.2011 17:40:12 9:56:42 Uhr 16.11.2011

Blitzlicht Systembiologie

Abb.2: In silico-Knock out der Zellzyklusregulation durch osmotischen Stress. Erklärungen siehe Text. Modifiziert nach Abb. 1 in [2] Es blieb jedoch die Frage offen, warum sich ein Regulationssystem entwickelt hat, dass drei verschiedene Mechanismen für die Realisierung des Zellzyklusarrestes benutzt: die Regulation von Cln1/2 auf der Transkriptionsebene, die transkriptionelle Regulation von Clb5/6 und sowie die stabilisierende Sic1-Phosphorilierung durch Hog1. Um das besser zu verstehen, haben wir mit dem Modell verschiedene Szenarien simuliert, die im Experiment nur aufwendig umsetzbar sind. So haben wir für virtuelle Mutanten, bei denen zum Beispiel die Transkriptionsregulation von CLN2 oder CLB5 nicht möglich war, die Stressantworten der Zellen zu verschiedenen Zeitpunkten simuliert. Als weitere virtuelle Mutante haben wir eine Form von Sic1 betrachtet, die durch Hog1-Phosphorilierung nicht stabilisiert werden konnte. Diese Simulationen ergaben folgende Ergebnisse: Wenn die Zellen kurz nach dem Beginn der G1-Phase osmotisch gestresst wurden, zeigten die virtuellen Mutanten, die CLN2 nicht regulieren können oder die Sic1 nicht stabilisieren können, einen Arrest von nahezu der gleichen Dauer wie im Wildtyp.

Virtuelle Mutanten, die CLB5-Transkription nicht hemmen können, hatten jedoch kaum einen Arrest unter Osmostress. Das bestätigte noch einmal die bereits oben formulierte Erkenntnis, dass die transkriptionelle Inhibition von CLB5 essentiell für den korrekten Zellzyklusarrest ist. Wurden die Zellen jedoch 20 min später osmotisch gestresst, zeigte sowohl die Mutante ohne Regulation der CLN2-Expression als auch die virtuelle Sic1-Mutante einen deutlich verkürzten Arrest. Dies weist darauf hin, dass die Stabilisierung von Sic1 durch Hog1 insbesondere dann wichtig wird, wenn die Zellen in der späten G1-Phase gestresst werden und wenn sich bereits so viel Clb5/6 akkumuliert hat, dass die Zellzyklusprogression durch transkriptionelle Kontrolle nicht mehr gestoppt werden kann. Hier erlaubt Sic1-Stabilisierung offensichtlich einen späten, alternativen Schutzmechanismus.

Es hat sich herausgestellt, dass die Implikationen dieser Modellsimulationen auch in vivo 28 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

26-28_LW6_11_Klipp_tg.indd 28

getestet werden können. Dazu wurde in Sic1 die durch Hog1 zu phosphorylierende Aminosäure ausgetauscht, SicT173A, und dann wiederum FACS-Experimente zum Übergang der Zellen in die G2-Phase bei Stress zu verschiedenen Zeitpunkten gemacht. Es hat sich bestätigt, dass diese Zellen tatsächlich schneller in die G2-Phase übergehen – hier gemessen als Verdopplung des DNS-Gehaltes. Allerdings ist die Dynamik von Knospen (also Bildung von Tochterzellen) unverändert, was darauf hindeuten kann, dass die Stabilisierung von Sic1 auch eine Rolle bei der Synchronisation der Knospenbildung und DNS-Replikation spielt.

Die hier beschriebene Interaktion von Modellbildung und Experiment hat uns geholfen, die zeitliche Interaktion von prototypischen Signalwegen in der Zelle – Stressantwort und Zellzyklusmaschinerie – qualitativ und quantitativ besser zu verstehen.

Wir benutzen solche Ansätze auch für weitere interessante Fragen, insbesondere in solchen Fällen, in den die Antworten nicht direkt aus dem Experiment ablesbar sind, zum Beispiel weil (bisher) kein geeignetes Experiment zur Verfügung steht. So berechnen wir unter anderen die Interaktionen und Phosphorylierungszustände der Proteine in verschiedenen Signalkaskaden und versuchen die Weiterleitung von Information innerhalb dieser Kaskaden, aber auch zwischen unterschiedlichen Signalwegen zu quantifizieren3,4] Außerdem lassen sich physikalische Größen wie der Turgordruck, der bei Bäckerhefe bisher nicht direkt gemessen werden konnte, aus Daten über die Signalwege und die Volumenveränderung berechnen5.

Die Spannbreite der mathematischen Modellierungsmethoden reicht dabei von gewöhnlichen Differentialgleichungen für viele Stoffwechsel- und Regulationsprozesse über stochastische Ansätze für Prozesse mit kleinen Teilchenzahlen (wie z.B. die Genregulation bei geringen mRNS-Stückzahlen6) bis hin zu räumlichen Simulationen von gerichteten Zellantworten mit stochastischen Ansätzen oder partiellen

Differentialgleichungen. Für die Simulation von Genregulationsnetzwerken, aber auch für die Interaktion von verschiedenen Signalwegen mit dem Zellzyklus werden auch Boole’sche Netzwerke benutzt, die bei der zeitlichen Simulation jeweils nur zwei Zustände (z.B. „an“ oder „aus“) von Genen oder anderen Komponenten betrachten7.

Im Rahmen von verschiedenen Kooperationsprojekten werden diese Methoden auf unterschiedliche Zellsysteme und Fragestellungen angewendet. Im BMBF-finanzierten Projekt Drug-iPS wird untersucht, wie die Netzwerke für die Transformation von ausdifferenzierten Zellen in pluripotente Zellen gezielt beeinflusst und eventuell durch kleine Molekule angeregt werden können. Im BMBF-Projekt ColoNet werden die für die Entstehung von Dickdarmkrebs relevanten Signalwege auf Biomarker hin untersucht. Im BMBF-Projekt Translucent2 wird die Homöostase von Kationen in Hefezellen mit thermodynamischen Modellen beschrieben. Das EU-geförderte Projekt UniCellSys zielt darauf ab, die einzelnen Stoffwechsel- und Signalwege in Hefezellen genau zu verstehen und experimentell zu beschreiben. Andererseits werden mit Hochdurchsatzmessungen Genexpressionsprofile, Proteinmengen und andere globale Eigenschaften der ganzen Zellen gemessen. Ziel ist eine Integration der verschiedenen Modelle und Daten in ein umfassendes Bild – sowohl als theoretische Modellstruktur als auch als geordnete Sammlung von experimentellen Fakten – des Zellgeschehens, dass es erlaubt, auch bisher unverstandene oder nicht zusammen betrachtete Aspekte zu verstehen und in Relation zu setzen.

Literatur [1] [2]

[3]

[4] [5]

[6]

[7]

Klipp E, Nordlander B, Krüger R, Gennemark P & Hohmann S. 2005. Nature Biotechnology, 23, 975-982.

Adrover MÀ, Zi Z, Duch A, Schaber J, González-Novo A, Jimenez J, Nadal-Ribelles M, Clotet J, Klipp E, Posas F. (2011) Sci Signal.

2011 Sep 27;4(192):ra63. PMID: 21954289 Klipp E, Liebermeister W, Wierling C, Kowald A, Lehrach H, and Herwig R. 2009. Systems Biology. A Textbook. Wiley-VCH, Weinheim.

Waltermann C, Klipp E. (2011) Biochim Biophys Acta. 2011 Oct;1810(10):924-32. Review. PMID: 21798319 Schaber J, Adrover MA, Eriksson E, Pelet S, Petelenz-Kurdziel E, Klein D, Posas F, Goksör M, Peter M, Hohmann S, Klipp E. 2010.

Eur Biophys J. 39(11), 1547-1556. PMID: 20563574 Barberis M, Beck C, Amoussouvi A, Schreiber G, Diener C, Herrmann A, Klipp E. (2011) Mol Biosyst. 2011 Oct 1;7(10):280412. PMID: 21717009 Waltermann C, Floettmann M, Klipp E (2010). Genome Informatics, 24: 204-217.

Korrespondenzadresse Prof. Dr. Dr. h.c. Edda Klipp Humboldt-Universität zu Berlin Institut für Biologie – Theoretische Biophysik Invalidenstr. 42, 10115 Berlin Tel./Fax: +49-(0)30-2093-9040 /-2093-8813 edda.klipp@hu-berlin.de LABORWELT

16.11.2011 17:39:51 Uhr

Blitzlicht Landesexzellenzinitiative

Fundamentals for synthetic biological systems – SynBio PD Dr. Monika Johannsen, Prof. Dr. An-Ping Zeng, Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik, Hamburg Durch die von der TU Hamburg-Harburg initiierte, weltweit erstmalige Verknüpfung von Molekularbiologie, Verfahrenstechnik, Mikrosystemtechnik, Bioinformatik und Nanotechnologie erschließen sich in den Bio- und Ingenieurwissenschaften völlig neue Forschungsfelder. Angestrebt sind neuartige biosynthetische Reaktionskaskaden und Bioproduktionsprozesse, die es bis dato nicht gibt. Die biologischen und technologischen Grundlagen für diese Entwicklung sind Gegenstand der Forschung im Hamburger Landesexzellenzcluster „Fundamentals for Synthetic Biological Systems – SynBio“. Ein wesentliches Ziel dabei ist, komplexe Stoffwechselprozesse und Biosynthesereaktionen, wie sie beispielsweise in Bakterienzellen ablaufen, in einzelne austauschbare BioreaktionsBausteine zu zerlegen. Diese Bausteine, sogenannte Biobricks, sollen nach dem Baukastenprinzip zu neuartigen, technologisch besonders effizienten, biologischen Systemen zusammengefügt werden, die einzigartige Prozessbedingungen bieten. Durch die dadurch in Aussicht stehenden Entwicklungen hocheffizienter Produktionssysteme ergibt sich ein großes Potential für eine Vielzahl von Anwendungen wie die gezielte Synthese von Biopharmazeutika, die Herstellung von smarten (Bio-) Materialien und Feinchemikalien sowie die Produktion von Bioenergie.

Rasante Fortschritte in Technologiefeldern wie der Gensequenzierung, funktionellen Genomik, Computersimulation, Mikrofluidik und Nanotechnologie eröffnen den Bio- und Ingenieurwissenschaften neue herausfordernde Forschungsfelder 1 . Im Hamburger Landesexzellenzcluster „Fundamentals for Synthetic Biological Systems (SynBio)“ untersucht ein interdisziplinäres Team (Abb. 1) die biologischen und technologischen Grundlagen der Synthetischen Biologie. Die Synthetische Biologie als noch junges, aber schnell wach-

sendes Forschungsgebiet schafft ein besseres Verständnis komplexer, natürlicher Bioprozesse.

Darüber hinaus zielt sie insbesondere darauf ab, effiziente und austauschbare Bausteine entweder auf molekularbiologischem Weg oder direkt aus der natürlichen Biologie mittels Screening zu gewinnen und sie anschließend zu technologisch hocheffizienten, nützlichen, biologischen Modulen und Systemen zusammenzufügen. Mit diesem Ansatz werden auch neue Biosyntheseprozesse möglich, die es in der Natur bisher nicht gibt.

Abb. 1: Forscherteam des Hamburger Landesexzellenzclusters „Fundamentals for Synthetic Biological Systems (SynBio)“, Koordinatoren: Prof. Dr. An-Ping Zeng (v.4.r.) und Prof.

Dr. Dr. h.c. Garabed Antranikian( v.2.r).

LABORWELT

29-31_LW6_11_HH_tg.indd 29

In „SynBio“ widmen wir uns zunächst grundlegenden Fragestellungen der sogenannten in vitro-Synthetischen Biologie. Im Gegensatz zur in vivo-Synthetischen Biologie, wo hauptsächlich modifizierte DNA-Sequenzen für neuartige Biosynthesen in Mikroorganismen verwendet werden, strebt die in vitroSynthetische Biologie an, biologisch gefertigte Bausteine („Biobricks“) und Komponenten (z.B. Enzyme) für gezielte Anwendungen außerhalb von Mikroorganismen, zum Beispiel in einer zellfreien Biosynthese, einzusetzen. Eine vielversprechende Entwicklung ist das Design neuer Stoffwechselwege zwecks nachhaltiger Produktion maßgeschneiderter Medikamente und Feinchemikalien sowie für die Herstellung von Bioenergie.

Die Untersuchung von in vitro synthetischen, enzymatischen Wegen, die aus einer Vielzahl von Reaktionsschritten bestehen, stellt eine große Herausforderung dar. Die grundsätzliche Machbarkeit wurde in Form von „Eintopf-Verfahren“ gezeigt, jedoch sind diese üblicherweise sehr ineffizient (Abb. 2).

Dafür sind folgende Limitierungen in mehrstufigen biokatalytischen Reaktionssystemen verantwortlich: Reversibilität der Reaktionen, Inhibition der Enzyme durch das Produkt oder Zwischenprodukte und unterschiedliche Anforderungen der einzelnen Enzyme an optimale Reaktionsbedingungen. Weitere kritische Punkte sind die Stabilität der Enzyme und Cofaktoren, die Kosten der Enzyme sowie die Skalierbarkeit des Prozesses.

Um das Potential der in vitro-Synthetischen Biologie nutzen zu können, werden neue Konzepte benötigt. Hierfür wird in „SynBio“ eine Reihe von Innovationen angestrebt. Durch Screening und molekulares Design sollen neuartige Biokatalysatoren (z.B. Extremozyme) gefunden werden. Enzymatische Reaktionen sollen an Nanomaterialien in mikrofluidischen Systemen durchgeführt werden, die einzigartige Prozessbedingungen bereitstellen können (z.B. hohes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis und räumlich getrennte Reaktionen unter verschiedenen optimalen Bedingungen), die in konventionellen Bioreaktionssystemen nicht möglich oder tragfähig sind2. Dies ist insbesondere der Fall, wenn empfindliche Substanzen für die Reaktion eingesetzt werden. Mikrosysteme sind ebenfalls reizvoll in Fällen, wo eine hohe Reaktionsrate oder ein kompaktes Reaktorvolumen erwünscht ist, zum Beispiel bei der Realisierung eines sogenannten „Zuckerautos”, das mit an Bord aus Biomasse hergestelltem Wasserstoff betrieben werden soll.

Die Projektpartner konzentrieren sich in ihren Arbeiten auf zwei Modellsysteme: | einen synthetischen Stoffwechselweg für die hocheffiziente Produktion von Wasserstoff aus Biomasse und | einen neuartigen Produktionsweg für das hochwertige Produkt 1,3-Propandiol aus dem Abfallprodukt Glycerin.

12. Jahrgang | Nr. 6/2011 | 29

17.11.2011 10:34:15 Uhr

Blitzlicht Landesexzellenzinitiative

Diese Prozesse stellen im Vergleich zu konventionellen Prozessen erhebliche Verbesserungen dar. Für die Wasserstoffherstellung sollen etwa anstelle von zwei bis vier Molekülen Wasserstoff aus einem Molekül Glucose und Wasser 12 Moleküle Wasserstoff gebildet werden, was eine 3 bis-6-fache Erhöhung der Ausbeute bedeutet (Abb. 3).

Dafür sind eine Reihe von technischen Fortschritten erforderlich. Im wissenschaftlichen Fokus von „SynBio“ werden folgende drei Schlüsselfragen interdisziplinär bearbeitet: | Wechselwirkungen von Biomolekülen (Enzymen) mit Oberflächen und Nanomaterialien, | Prinzipien von mehrstufigen Bioreaktionen, insbesondere in Mikrostrukturen und | Mechanismen und Design von Biokatalysatoren (Enzymen) für eine gezielte Biokatalyse.

Am Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik (Prof. A.-P. Zeng, TUHH) werden mehrstufige Bioreaktionssysteme entwickelt.

Am Beispiel der enzymatischen Propandiolproduktion konnte für eine Prozessstufe, in der 3-Hydroxypropionaldehyd durch das rekombinant produzierte PropandioloxidoreduktaseIsoenzym zu 1,3-Propandiol reduziert wird, der „Proof-of-concept“ bereits erfolgreich erbracht werden. Es wurden ein Genexpressionsystem und Aufarbeitungsmethoden für die Bereitstellung des Vit-B 12-unabhängigen Enzyms Glycerindehydratase aus Clostridien etabliert.

Zudem ist es gelungen, die enzymgekoppelte Cofaktorregeneration für NADP(H) zu realisieren und zu verifizieren. Desweiteren wird am Institut die Modellierung von Stoffwechselwegen durchgeführt. Die Arbeiten konzentrieren sich auf die Entwicklung von mathematischen Modellen für die quantitative und dynamische Analyse der in „Synbio“ relevanten Stoffwechselwege und für die Konfiguration der Reaktionssequenz und Bioreaktoren.

Die Suche nach neuartigen Biokatalysatoren wird am Institut für Technische Mikrobiologie (Prof. G. Antranikian, TUHH) durchgeführt.

Dabei wurden neue Enzyme wie Glycerin-

Dehydratase und 1,3-Propandioloxidoreduktase aus dem anaeroben Bakterium Pelobacter carbiolicus und aus dem aeroben Bakterium Pectobacterium atrosepticum identifiziert. Die entsprechenden Gene wurden in Escherichia coli-spezifische Expressionsvektoren kloniert und erfolgreich exprimiert. Die Enzyme wurden hinsichtlich Ihrer Eignung für die synthetischen Stoffwechselwege charakterisiert.

Die Strukturbiologie von Proteinen wird am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (Dr. M. Wilmanns, EMBL) untersucht. Die Arbeiten beinhalteten die biophysikalische und strukturelle Charakterisierung von neuen Enzymen, wie Mutanten der Glucose-6Phosphat-Dehydrogenase von Leuconostoc mesenteroides, sowie die Untersuchung des Aktivierungsmechanismus der Glycerin-Dehydratase von Clostridium butyricum.

In der Abteilung für Algorithmisches Molekulares Design (Prof. M. Rarey, Zentrum für Bioinformatik, UHH) wurde eine Bibliothek der Strukturen der Enzyme und Moleküle des H2und des Propandiol-Reaktionsweges erstellt.

Für jedes Enzym wurden sowohl allosterische Bindungstaschen vorhergesagt als auch mögliche kompetitive Inhibitoren des jeweiligen Substrats in der aktiven Bindetasche identifiziert. In einer neuen Anwendung des Dockings wurde vorhergesagt, welche Puffer zu einer verringerten Aktivität des Enzyms führen können. Die Abteilung Biomolekulare Modellierung (Prof. A. Torda, Zentrum für Bioinformatik, UHH) arbeitet mit Glucose6-phosphat-Dehydrogenase-Strukturen und dem Vorhersagen von Mutationen, die zu einem aktiven monomerischen Zustand führen sollen4. Die Methode bezieht sich auf eine Mischung von freien Energie-Approximationen mit evolutionären Eigenschaften.

Am Institut für Technische Biokatalyse (Prof. A. Liese/Dr. L. Hilterhaus, TUHH) werden die Immobilisierung und Wechselwirkungen von Enzymen an Oberflächen untersucht5-6.

Die rekombinante Produktion des Enzyms Glucose-6-phoshat-Dehydrogenase (G6PDH) wurde erfolgreich etabliert. Basierend auf in

Abb. 2: Modularisierung, Kompartimentierung und „Synthese“ von Bioreaktionen als neues Konzept zur Durchführung von mehrstufigen Bioproduktionsprozessen im Kooperationsprojekt „SynBio“ 30 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

29-31_LW6_11_HH_tg.indd 30

silico-Untersuchungen (Grad der Konservierung, chemische Beschaffenheit und Position der Aminosäure relativ zum aktiven Zentrum) wurden Mutationen in die G6PDH eingebracht. Diese Enzymvarianten weisen, wenn sie als gelöstes Enzym eingesetzt werden, vergleichbare Aktivitäten zum rekombinanten Wildtyp-Enzym auf. Desweiteren werden Untersuchungen zur Charakterisierung von Biokatalysatoren durchgeführt. Die kinetischen Parameter und Reaktionsbedingungen der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase und 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase wurden für den in vitro-Einsatz in einer Reaktionssequenz bestimmt. Um Zugang zu der Hydrogenase aus Pyrococcus furiosus zu etablieren, wurde mit der Kultivierung, Stammhaltung und Fermentation des Archaeon in Zusammenarbeit mit dem Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik begonnen und ein Scale-up durchgeführt.

Die Arbeiten am Institut für Thermische Verfahrenstechnik (Prof. I. Smirnova, TUHH) konzentrieren sich auf die Entwicklung von Kieselgel-basierten, porösen Materialien, die sich für die Immobilisierung von Enzymen wie Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase eignen.

Mehrere Varianten des Sol-Gel-Prozesses werden benutzt, um Materialen zu erhalten, die: | hochporös sind, damit sie hohe Permeabilität aufweisen, | mechanisch stabil sind, damit sie den geeigneten Fluss von Substraten erlauben und | eine geeignete Aktivität von immobilisierten Enzymen gewährleisten7.

Am Institut für Anorganische und Angewandte Chemie (Prof. M. Fröba, UHH) wird die Synthese biokompatibler nanoporöser Organosilica-Hybridmaterialen untersucht, die aufgrund ihrer Porenstruktur und Oberflächenchemie in der Lage sind, aktive Biomoleküle gezielt aufzunehmen, zu stabilisieren und vor Deaktivierung zu schützen8. Diese Kompositstrukturen werden in Mikroreaktoren überführt, um eine verfahrenstechnische Anwendung zu ermöglichen.

Am Institut für Mikrosystemtechnik (Prof. J. Müller, TUHH) werden die mikrofluidischen Systeme in Glas-Silizium-Glas-Technik entworfen, hergestellt und charakterisiert. Unerlässlich für die Realisierung eines mehrstufigen enzymatischen Mikrobioreaktors sind Reaktionskammern mit integrierten neuartigen, nanoporösen Materialien für die Enzymimmobilisierung und die fluidische Umgebung, um einen kontinuierlichen Betrieb der Reaktionskammern zu gewährleisten9. Die Modellierung von Mikro/ Nanoscale-Transportprozessen wird am Institut für Thermofluiddynamik (Prof. H. Herwig, TUHH) durchgeführt. Für Mikrokanäle wurde auf Basis des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ein Modell zur Bestimmung von Strömungsverlusten entwickelt, das sowohl das Design des Mikroreaktors als auch die Auslegung des Gesamtsystems vereinfacht10.

Die Verknüpfung von Chemie, Biologie und Ingenieurwissenschaften in diesem Cluster LABORWELT

17.11.2011 10:34:36 Uhr

Blitzlicht Landesexzellenzinitiative

Science4Life Venture Cup 2012

Unternehmer gesucht!

Businessplan-Wettbewerb für Life Sciences und Chemie

Sie haben eine Geschäftsidee?

Wir unterstützen Sie! • Kompakte Wissensvermittlung • Individuelles Business-Coaching • Lebendige Netzwerkkontakte

Science4Life ist die führende Gründerinitiative mit dem klaren Branchenfokus Life Sciences und Chemie. Experten aus mehr als 120 Unternehmen unterstützen Gründer bei der Entwicklung ihrer Geschäftsideen.

Abb. 3: Modellsystem für eine hocheffiziente H2-Bioproduktion aus Biomasse in einem synthetischen Stoffwechselweg[3]

Weitere Informationen und Anmeldung unter:

www.science4life.de

– zusammen mit dem dargestellten Konzept für die Entwicklung von kontrollierten, mehrstufigen Bioreaktionskaskaden an der Oberfläche von Nanomaterialien und integriert in Mikrostrukturen – ist einzigartig und eröffnet völlig neue Wege für synthetische Bioproduktionssysteme.

+++ Teilnahme kostenfrei +++ Teilnahme kostenfrei +++

€ 75.000 ELD PREISG

+++

Eine Initiative von:

Literatur

Buch

[1]

Chen, Z., Wilmanns, M., Zeng, A.-P., Structural synthetic biotechnology: from molecular structure to predictable design of cellular processes for industrial strain development. Trends in Biotechnology 28 (2010) 534-542.

[2] Grote, R., Schöpke, B., Zeng, A.-P., Antranikian, G., Biotransformationsreaktionen in Mikrosystemtechnik - Visionen für die Industrielle Biotechnik. In: „Nach uns, ohne Öl: Auf dem Weg zu nachhaltiger Produktion“, M. Angrick (Ed.), Metropolis-Verlag, Marburg. (2010) 129-141.

[3] Ye, X., Wang, Y., Hopkins. R., Adams, M.W., Evans, B.R., Mielenz, J. R., Zhang, P., Spontaneous HighYield Production of Hydrogen from Cellulosic Materials and Water Catalyzed by Enzyme Cocktails.

ChemSusChem 2 (2009) 149-152.

[4] Mosisch, M., Simons, J., Hilterhaus, L., Torda, A., Molecular side-chain optimisation of Glucose-6phosphate dehydrogenase for industrial use. 25th German Conference on Bioinformatics, September 2010, Braunschweig, Germany.

[5] Simons, J., Asano, Y., Hilterhaus, L., Optimization of a Two Step Reaction Sequence Using Covalent Immobilization Techniques. German Japanese Workshop on Enzyme Technology, September 13 – 15, 2011, Toyama, Japan.

[6] Fagaschewski, J., Simons, J., Bohne, S.; Liese, A., Müller, J., Hilterhaus, L., Biotransformations in microfluidic systems applying dissolved and immobilised enzymes. 1st European Congress of Applied Biotechnology, September 25 – 29, 2011, Berlin, Germany.

[7] Cumana, S., Götz, K., Bohne, S., Liese, A., Müller, J., Smirnova, I., Roth, S., Mesoporous silica monoliths for enzyme–catalyzed reactions in microfluidic systems. ProcessNet Jahrestagung, September 2010, Aachen, Germany.

[8] Fried, D. I., Götz, K., Liese, A., Fröba, M. (2011) Covalent immobilization of Glucose-6-phosphate dehydrogenase on a mesoporous silica support. 23. Deutsche Zeolithtagung, March 2011, ErlangenNürnberg, Germany.

[9] Bohne, S., Fagaschewski, J., Hilterhaus, L., Müller, J.,Continuous Liquid-Liquid Extraction in Microsystems Technology. Lab-on-a-Chip European Congress, July 2011, Hamburg, Germany.

[10] Herwig, H., Schmandt, B., Uth, M.-F., Loss coefficients in laminar flows: Indispensable for the design of micro flow systems, Proc. Int. Conference on Nanochannels, Microchannels and Minichannels, ICNMM2010-30166 (key note), August 1-5, 2010, Montreal, Canada.

BioTechnologie Jahr- und Adressbuch Seit 25 Jahren das unverzichtbare Standardwerk der BiotechnologieBranche im deutschsprachigen Europa! Der 25. Jahrgang enthält neben der neuesten Branchenstatistik über 1.800 aktuelle Datensätze aller mit Biotechnologie befassten Firmen und Organisationen in Deutschland, der Schweiz und Österreich.

129 200

3280

BioTechnologie Jahr- und Adressbuch E 32,80 ISBN 978-3-928383-40-0 AWAG Tel. +49 (0)30/26 49 21-40, Fax +49 (0)30/26 49 21-11 service@biocom.de www.biocom.de

Korrespondenzadresse Prof. Dr. An-Ping Zeng Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik Technische Universität Hamburg-Harburg Denickestr. 15 D-21073 Hamburg Tel.: +49-40-42878-4183, Fax: +49-40-42878-2909 aze@tu-harburg.de, www.tu-harburg.de/ibb

n en vo sgegeb sch Herau as Mietz An dre

-0 -31 -8 83-40 8383 3- 92 978-

d 1

lag.ind

Umsch

_2011_

BTJB

30055_

sbuch Adres

22000129 gang 23. Jahr 25

LABORWELT

29-31_LW6_11_HH_tg.indd 31

nd ahr- u Das J

2011

20.09.

r

23 Uh

16:52:

12. Jahrgang | Nr. 6/2011 | 31

17.11.2011 11:22:28 Uhr

Blitzlicht Maschinelles Lernen

Automatische Vorhersage der Interaktion von Zielgenen mit Proteinen Dr. rer. nat. Tobias Bauer, PD Dr. sc. hum. Rainer König, Deutsches Krebsforschungszentrum und Universität Heidelberg Die hier vorgestellte neuartige Maschinenlernmethode dient der automatisierten genomweiten Vorhersage regulatorischer Interaktionen zwischen Transkriptionsfaktoren und ihren Zielgenen speziell für die Anwendung in höheren Eukaryoten. Der Algorithmus integriert dabei verschiedene wichtige Aspekte der Genregulation.

Beim Menschen sind eine Menge verschiedener Zelltypen bekannt. Obgleich alle Zellen ur­ sprünglich das gleiche Genom enthalten, ist die Fülle an pathologischen Phänotypen wie zum Beispiel Krebszellen, die sich aus diesen Zellen entwickeln können, noch größer. Der Phänotyp und die Funktion einer Zelle wird maßgeblich durch die exprimierten Proteine bestimmt, die ihrerseits durch die fein kontrollierte und koordinierte Expression ihrer kodierenden Gene entstehen. Die Suche nach den Ursachen für diese Diversität ist also eng verknüpft mit der Identifikation regulatorischer Mechanismen auf der Genexpressionsebene. Es gibt viele Mechanismen auf verschiedenen Ebenen, die die Genexpression beeinflussen, aber genre­ gulatorische Proteine, die Transkriptionsfak­ toren (TF), spielen dabei die zentrale Rolle. Um zu verstehen, welche Transkriptionsfaktoren

beispielsweise in Krebszellen proliferationsre­ levante Signalwege aktivieren, muss bekannt sein, welche Gene von welchen Transkriptions­ faktoren reguliert werden. Bisher sind hunderte menschliche Transkriptionsfaktoren1 bekannt, die die Transkription der gut 20.000 Gene 1 regulieren. Daraus ergibt sich eine sehr große Zahl möglicher Kombinationen von Transkrip­ tionsfaktoren und Zielgenen, die zur Komple­ xität menschlicher Genregulation beiträgt.

Der Mangel an verfügbaren experimentellen Techniken und Daten ist ein erhebliches Hin­ dernis bei der detailgetreuen Rekonstruktion genomweiter regulatorischer Netzwerke zwi­ schen Transkriptionsfaktoren und Zielgenen.

Um dem zu begegnen, haben wir eine neue bioinformatische Methode entwickelt, die Ana­ lysen aus drei unterschiedlichen Datenquellen miteinander kombiniert und die genomweite

Abb. 1: Übersicht der RIP-Klassifikatormethode. Zur Vorhersage regulatorischer Interaktionen (RI) zwischen Transkriptionsfaktoren (TF) und Zielgenen werden Merkmale aus den verschiedenen Bereichen der Motivsuchen, experimentelle Bindedaten und Genexpressionsdaten integriert. Mit Hilfe insgesamt 10 zusammengestellter Merkmale lernen 2.000 Support-Vektor-Maschinen anhand eines kleineren Satzes bekannter regulatorischer Interaktionen und können dann auf einen größeren Satz von Transkriptionsfaktoren und deren potentiellen Zielgenen angewendet werden, um neue regulatorische Interaktionen vorherzusagen. Mit den Vorhersagen lassen sich z.B. aktive Transkriptionsfaktoren mit Schlüsselfunktionen in experimentellen Fragestellungen identifizieren.

32 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

32–34_LW6_11_Koenig_tg.indd 32

Vorhersage von regulatorischen Interaktionen (RI) zwischen Transkriptionsfaktoren und ihren Zielgenen mit deutlich verbesserter Präzision ermöglicht2. In der Anwendung (z.B. bei Gen­ expressionsanalysen von Tumoren) lassen sich mit Hilfe der vorhergesagten regulatorischen Interaktionen gute Hypothesen darüber for­ mulieren, welchen Transkriptionsfaktoren eine Schlüsselfunktion bei der Genregulation im untersuchten Zellsystem zukommt.

Die Methode Abbildung 1 zeigt schematisch den metho­ dischen Ablauf. Verschiedene Merkmale von regulatorischen Interaktionen zwischen Tran­ skriptionsfaktoren und ihren Zielgenen wurden zusammengestellt. Als erstes analysierten wir potentielle TF­Bindestellen in den regulatori­ schen Sequenzen (Promoter) der potentiellen Zielgene. Viele der kurzen Nukleotidsequenzen, die typischerweise von bestimmten Transkrip­ tionsfaktoren gebunden werden, sind mittler­ weile bekannt und in Datenbanken verfügbar.

Sie ermöglichen die Vorhersage potentieller Transkriptionsfaktor­Bindestellen auf genom­ weiter Ebene. Für unseren Ansatz wurden Motivsuchen für 303 Transkriptionsfaktoren in den Promotorsequenzen von 13.069 Genen ver­ wendet. Anschließend integrierten wir weitrei­ chende Genexpressionsanalysen. Gene, die an gleichen biologischen Funktionen beteiligt sind, sind häufig koreguliert und infolgedessen koex­ primiert. Deshalb wurde für jedes Genpaar der 13.069 Gene bestimmt, wie stark ihre Expression miteinander korreliert, also inwiefern sie sich in einer größeren Anzahl von Zelltypen ähnlich verhalten. Dazu wurden Genexpressionsdaten von 4.064 mRNA­Microarrays aus Primärge­ weben (meist von Tumoren) 76 verschiedener Experimente ausgewertet.

Entscheidend für das Gelingen des Maschi­ nenlernens war die Verknüpfung der beschrie­ benen Teilbereiche miteinander und deren Übersetzung in quantifizierbare Merkmale der regulatorischen Interaktionen. Zum Beispiel ergab sich ein Merkmal wie folgt: für ein po­ tentielles Zielgen eines Transkriptionsfaktors wurden alle Gene, die häufig mit dem Zielgen koexprimiert waren, daraufhin untersucht, ob in den Promotern dieser koexprimierten Gene TF­Bindestellenmotive des entsprechenden Transkriptionsfaktors angereichert sind. Diese Anreicherung lässt sich als Signifikanzwert (P­ Wert) eines exakten Tests nach Fisher darstellen und so als Merkmal weiterverwenden. Analog wurde für ein weiteres Merkmal die Anreiche­ rung von bekannten regulierten Genen inner­ halb der koexprimierten Gene bestimmt. Mit diesen Merkmalen wurde ein Lernalgorithmus (eine „Support­Vektor­Maschine“, SVM) trainiert.

Zunächst musste der Algorithmus von einem definierten „Goldstandard“ bereits bekannte regulatorische Interaktionen von Nichtinterak­ tionen (zufällig gewählte TF­Gen­Paare ohne LABORWELT

17.11.2011 10:37:51 Uhr

Hier entsteht Zukunft

HOTSPOT FÜR LIFE SCIENCEUNTERNEHMENSGRÜNDER •

Auf 25.000 m² moderne Büros und Labore (S1&S2)

•

Kreatives Umfeld in direkter Nachbarschaft (zwei Elite-Universitäten LMU, TUM, MPIs, Klinikum Großhadern, u.v.m.)

•

Geografische Heimat für über 50 BioTech Firmen

•

Über 100 Firmengründungen seit 1995

•

Schnelle, unkomplizierte Lösungen

•

Enge Kontakte zu Investoren

•

Effizientes Netzwerk

•

Attraktive Konferenzräume auch für Externe

•

Vor Ort: Chemieschule Elhardt, Kita BioKids, Café Freshmaker (IZB Martinsried), Versuchsgewächshaus (IZB Weihenstephan)

Am Klopferspitz 19 82152 Planegg/Martinsried Tel.: +49 (0) 89 - 700 656 70 Fax: +49 (0) 89 - 700 656 77

www.izb-online.de

Unsere Mieter: 4SC AG (DD) · Adriacell SpA (DD) · AMSilk GmbH (P) · amYmed GmbH (DS) · Bayerische Gewebebank GmbH (P/S) · Bernina Plus & Hartmann Diagnostic Service (DD/DS) · BioM AG (S) · BioM Cluster Development GmbH (S) · BioM WB GmbH (S)· Biontex Laboratories GmbH (P) · ChromoTek GmbH (DS) · Coriolis Pharma (S) · CRELUX GmbH (DD/DS) · DoNatur GmbH (DD) · DPC Pharma Consulting (S) · EKFS Herzchirurgie Prof. Dr. Eissner (DD) · Ella Biotech GmbH (DS) · eticur) GmbH (DS)· Exosome Diagnostics GmbH (DS) · Fresenius Biotech GmbH (DD) · FROST LIFESCIENCE (DS/S) · ibidi GmbH (DS) · Kinaxo Biotechnologies GmbH (DD)· Leukocare AG (DS) · MenloSystems GmbH (I) · NanoScape AG (P) · Octapharma Biopharmaceuticals GmbH (DD/DS) . Omegametrix GmbH (DS) · origenis GmbH (DD/DS) · Patentquadrat Patentanwaltskanzlei (S) · Prionics Deutschland GmbH (S) · Proteros biostructures GmbH (P/S) · quattro research GmbH (DD/DS) · R&D Biopharmaceuticals GmbH (DD/DS) · RSA Consulting GmbH (S) · SiNatur GmbH (DD) · SIRION Biotech GmbH (P/S) · Smart Move GmbH (I) · Smartec Ingenieur Büro GmbH (S) · SpheroTec GmbH (DS) · SuppreMol GmbH (DD) · that‘s it GmbH (IT-S) · THE WORKING GROUP Unternehmensberatung (S)· TRION Research GmbH (DD/DS) · VELUMETRIX GmbH (S) · Vesalius Biocapital (VC) · aromaLAB AG (S) · ATRES engineering biogas (S) · Euroderm GmbH (P) · GENidee · gimbio mbH (P/S) · HDBI Hans-Dieter-Belitz-Institut (P/I) · Pieris AG (DD) · UGT Umwelt-Geräte-Technik GmbH (P) · vertis Biotechnologie AG (DD/DS) · XL Protein (DD/P) · CEM Chemieschule Dr. Elhardt GmbH · Café Freshmaker · Kindertagesstätte BioKids DD = Drug Discovery · DS = Diagnostic Services · I = Instruments · IT-S = IT-Services · S = Services · VC = Venture Capital · P = Products

33_LW6_11_IZB.indd 1

Stand: Mai 11 16.11.2011 17:49:36 Uhr

Blitzlicht Maschinelles Lernen

Tab. 1: Signifikante Anreicherungen vorhergesagter Transkriptionsmodule in differenziell exprimierten Genen nach IFNg-Stimulation von Monozyten.

Vorhergesagte Zielgene Transkriptionsfaktor STAT1:STAT2:IRF9

gesamt

differentiell exprimiert

%

P-Wert

28

20

71.4

6.95e-23

IRF1

1187

58

4.9

5.72e-03

IRF2

169

15

8.9

1.07e-02

1513

67

4.4

1.15e-02

STAT1 GAF

5

3

60

1.15e-02

NFKB1

681

36

5.3

1.59e-02

STAT3

384

23

6

3.21e-02

IRF7

17

4

23.5

3.53e-02

ETS1

1065

48

4.5

3.53e-02

RELA

762

37

4.9

3.53e-02

IRF3

18

4

22.2

3.53e-02

ELF2

9

3

33.3

3.70e-02

SPI1

439

24

5.5

4.63e-02

bekannte RI) unterscheiden lernen. Insgesamt 2.896 bekannter regulatorischer Interaktionen aus experimentellen Arbeiten zwischen 303 Transkriptionsfaktoren und 949 Genen (entnommen aus [3]) dienten als Richtig-Positive gegenüber allen unbekannten RI, die sich aus allen übrigen Kombinationen der 303 Transkriptionsfaktoren und der 949 Gene ergaben. Die unbekannten regulatorischen Interaktionen wurden als Richtig-Negative verwendet, in der Annahme, dass die große Mehrzahl dieser möglichen TF-Zielgen-Kombinationen nicht regulatorisch ist. In der Tat gab es statistisch hochsignifikante Unterschiede zwischen den RI nach dieser Einteilung, was darauf schließen lässt, dass diese praktikabel ist.

Interaktionen gemeinsamer Transkriptionsfaktoren gut (88 von 103 TF) validieren. Als nächstes untersuchten wir die Anreicherung von vorhergesagten regulatorischen Interaktionen in einer großen Bandbreite verschiedener Signaltransduktions- und Stoffwechselwege. So konnte eine große Zahl bekannter Assoziationen zwischen Transkriptionsfaktoren und Signalund Stoffwechselwegen wiedergefunden und darüber hinaus neue Hypothesen aufgestellt werden. Gute Assoziationen fanden sich vor allem in den Signaltransduktionswegen für Proliferation, Zellzyklus, MAP-Kinase, Zytokinantwort, Signalwege des hematopoetischen Systems sowie der Stoffwechselwege des Steroid- und Retinolmetabolismus.

Validierung der Methode

Anwendung: IFNa-induzierte Veränderung der Genregulation

Nach Berechnung der insgesamt zehn definierten Merkmale für alle TF-Zielgen-Kombinationen des Goldstandards wurden mit Hilfe eines Kreuzvalidierungsverfahrens insgesamt 2.000 SVMs trainiert. Die 2.000 SVMs ergaben zusammen den Gesamtklassifikator „RIP“ („Regulatory Interaction Predictor“). Dieser wurde dann auf die Gesamtheit der 13.069 getesteten Gene angewandt. Das Ergebnis waren 73.923 vorhergesagte RI für nicht weniger als 301 TF und 11.263 Gene bei einem erwarteten Sensitivitätswert von >17,7% und einem positiven Vorhersagewert von >31,5%. Damit schnitt der RIP-Klassifikator deutlich besser ab als vergleichbare Methoden zur Vorhersage regulatorischer Interaktionen auf genomweiter Ebene (z.B. CLR4 und ARACNE5 auf dem verwendeten Datensatz von 4.064 Genexpressionsprofilen). Wir verglichen unsere Ergebnisse mit regulatorischen Interaktionen aus einer unabhängigen Datenbank6 und konnten die vorhergesagten regulatorischen 34 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

32–34_LW6_11_Koenig_tg.indd 34

Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt).

An erster Stelle der Liste war der „Interferon Stimulatory Gene Factor 3“ (ISGF3), bei dem von 28 vorhergesagten Zielgenen 20 (=71,4%) stark differenziell exprimiert waren.

Die vorhergesagten regulatorischen Interaktionen wurden auf ihre Verwendbarkeit zur Assoziation von Schlüssel-TF mit biologischen Zellphänotypen getestet. Als Fallbeispiel wählten wir eine publizierte Microarray-mRNAGenexpressionsstudie, in der menschliche BlutMonozyten mit Interferon-a (IFNa) induziert wurden. Diese war deshalb gut geeignet, da die durch Interferon ausgelöste Signaltransduktion in Bezug auf die transkriptionale Zellantwort ein gut untersuchtes System ist. In den IFNainduzierten Monozyten waren im Vergleich zu nichtinduzierten Kontrollen 241 von 8.159 Genen signifikant differenziell exprimiert. Wir untersuchten, welche der vorhergesagten TF-Zielgene in diesen Genen angereichert sind. Es ergab sich eine Assoziation von 13 TF aus den Familien von IRF-, STAT- NFkB- und ETS-Proteinen, die ohne Ausnahme im Zusammenhang mit IFNa-Signalantwort in der Literatur beschrieben sind (die

Fazit Insgesamt ergaben sich eine Reihe solider Indizien dafür, dass die vorhergesagten regulatorischen Interaktionen von guter Qualität sind und sich gut eignen, aktive Transkriptionsfaktoren vieler verschiedener biologischer Zellsysteme zu identifizieren. Der hier vorgestellte RIPKlassifikator ist eine neuartige Maschinenlernmethode zur Vorhersage von regulatorischen Interaktionen zwischen Transkriptionsfaktoren und Zielgenen speziell für die Anwendung in höheren Eukaryoten. Der Algorithmus integriert dabei verschiedene wichtige Aspekte der Genregulation. Dabei werden zweifelhafte Annahmen anderer Methoden vermieden, wie zum Beispiel eine prinzipielle Koexpression von Transkriptionsfaktoren mit ihren Zielgenen. Stattdessen kann die Methode grundsätzlich auch dann regulatorische Interaktionen vorhersagen, wenn die Aktivität des betroffenen Transkriptionsfaktors vermehrt auf der Proteinebene reguliert wird, da die verwendeten Merkmale sich auf Analysen zwischen koregulierten Zielgenen beschränkt.

Darüber hinaus liefern Sequenzanalysen mit wohldefinierten potentiellen TF-Bindestellen unabhängig vom betrachteten Zelltyp Hinweise auf mögliche Genregulation. Die Methode ist grundsätzlich erweiterbar auf weitere Transkriptionsfaktoren oder Gene. Auch weitere Merkmale (z.B. im Hinblick auf zu erwartende Hochdurchsatzdaten auf Proteinebene etc.) sind integrierbar. Der RIP-Klassifikator ist als Paket für die frei verfügbare statistische Analyse- und Softwareentwicklungsplattform R implementiert und frei verfügbar unter www.ichip.de/ software/RIP.html.

Literatur [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Alberts, B., Wilson, J.H., Hunt, T., Molecular biology of the cell (2008) Garland Science.

Bauer, T., Eils, R., König, R., Bioinformatics 27 (2011), 2239-2247.

Wingender, E., Dietze, P., Karas, H., et al., Nucleic Acids Res 24 (1996), 238-241.

Faith, J.J., Hayete, B., Thaden, J.T., et al., PLoS Biol 5 (2007), e8.

Margolin, A.A., Nemenman, I., Basso, K., et al. BMC Bioinformatics 7 Suppl 1 (2006), S7.

Zhao, F., Xuan, Z., Liu, L., et al., Nucl. Acids Res 33 (2005), D103107.

Korrespondenzadresse PD Dr. Rainer König Institut für Pharmazie und molekulare Biotechnologie – Bioquant Universität Heidelberg, INF 267 69120 Heidelberg r.koenig@dkfz.de LABORWELT

17.11.2011 10:38:01 Uhr

Blitzlicht Bioinformatik

Neues Tool zur Vorhersage des Alzheimer-Risikos Vanessa Schmidt1, Katharina Baum1, Angelyn Lao2, Katja Rateitschak2, Yvonne Schmitz2, Anke Teichmann3, Burkhard Wiesner3, Claus Munck Petersen4, Anders Nykjaer4, Jana Wolf1, Olaf Wolkenhauer2 und Thomas E Willnow1, 1Max Delbrück Centrum für Molekulare Medizin, Berlin, Deutschland, 2Universität Rostock, Rostock, 3LeibnizInstitut für Molekulare Pharmakologie, Berlin, und 4Universität Aarhus, Dänemark Morbus Alzheimer ist die vierthäufigste Todesursache weltweit und die häufigste Demenzerkrankung bei über 65-Jährigen. Nach wie vor steht die Wissenschaft vor dem Rätsel, warum bestimmte Menschen bereits in jungen Jahren an Alzheimer erkranken, andere dagegen ohne geistige Beeinträchtigungen weit über 90 Jahre alt werden. Ein Grund dafür liegt in unseren Genen. Erst kürzlich haben wir ein Protein namens SORLA entdeckt, welches bei Menschen in unterschiedlichen Mengen auftritt. Eine Unterversorgung von SORLA in den Nervenzellen des Gehirns hat fatale Auswirkungen auf die Entstehung der Alzheimer-Krankheit. In der aktuellen Studie konnte erstmalig ein neuartiges Zellsystem entwickelt werden, welches Vorhersagen darüber ermöglicht, wie anfällig eine Person im Laufe ihres Lebens ist, an Alzheimer zu erkranken. Es ist uns gelungen, in Nervenzellen die Menge von SORLA zu variieren und dadurch die amyloidogene Spaltung des Amyloidvorläuferproteins APP in toxische Ab-Peptide zu verändern. Die am Max Delbrück Centrum für molekulare Medizin in Berlin (MDC) erhobenen experimentellen Daten lieferten Partnern an der Universität Rostock die Basis, um ein mathematisches Modell aufzustellen, das die Prozessierung von APP in seine Fragmente und den Einfluss von SORLA in diesem System analysiert.

Abb. 1: A. Prozessierungswege des Amyloidvorläuferproteins (APP) und die Entstehung von AbPeptiden. APP kann entweder über den amyloidogenen Prozessierungsweg (linke Seite) via b- und g-Sekretase oder den nicht-amyloidogenen Prozessierungsweg (rechte Seite) via a- und g-Sekretase prozessiert werden. Beim amyloidogenen Weg entstehen sAPPbFragmente und Ab-Peptide, beim nicht-amyloidogenen Weg werden dagegen keine AbPeptide gebildet, sondern lediglich sAPPa-Fragmente und P3-Peptide. B-D: Der inhibitorische Effekt von SORLA auf die APP-Prozessierungsprodukte. Durch Zugabe bestimmter Antibiotikakonzentrationen wurden eukaryotische Zellen veranlasst, unterschiedliche Mengen an APP zu bilden. Nach 24 Stunden wurde die Menge der sekretierten Prozessierungsprodukte sAPPa (B), sAPPb (C) und Ab (D) im Zellmedium gemessen und die Enzymkinetik der APP-Spaltung grafisch aufgetragen. Eine Erhöhung der APP-Menge führt zu einer Zunahme der APP-Produkte, in Anwesenheit von SORLA ist jedoch die Stärke des Anstiegs durch den SORLA-inhibitorischen Effekt stark vermindert.

LABORWELT

35-37_LW6_11_Schmidt_Willnow_tg.indd 35

Weltweit leiden 27 Millionen Menschen an Morbus Alzheimer. Mit erhöhter Lebenserwartung steigt auch das Risiko, an dieser Demenz zu erkranken. Bei den über 80-Jährigen weist bereits jede zweite Person Morbus Alzheimer auf. Nicht nur gesellschaftlich, sondern auch volkswirtschaftlich gesehen ist es daher zwingend notwendig, genau zu ergründen, welche Faktoren diese Krankheit auslösen und wie sie sich bekämpfen lässt. Obwohl bereits große Anstrengungen in die Suche nach einer erfolgreichen Therapie investiert wurden, ist Morbus Alzheimer nach wie vor unheilbar.

Jedes Jahr werden neuartige Substanzen entwickelt, doch keine vermag die Krankheit endgültig zu besiegen. Hinzu kommt, dass die heutigen diagnostischen Methoden unzuverlässig sind, bereits frühe Anzeichen der Krankheit zu erkennen.

Die Entstehung von Morbus Alzheimer Das Besondere im Gehirn eines Morbus Alzheimer-Patienten sind Proteinablagerungen im Nervengewebe1. Der Hauptbestandteil dieser Ablagerungen sind die Ab-Peptide, welche auf natürlichem Wege in allen Zellen des Körpers entstehen – sowohl bei kranken als auch bei gesunden Menschen. Problematisch wird es jedoch, wenn aufgrund von Störungen eine zu große Menge an Ab-Peptiden produziert wird.

Denn in hohen Konzentrationen sind diese Peptide für die Nervenzellen toxisch. Darüber hinaus aggregieren sie zu sogenannten amyloiden Plaques, welche zu weiterer neuronaler Schädigung führen. Die Entstehung der AbPeptide ist somit einer der Hauptgründe für das Absterben der Nervenzellen. Ein AlzheimerPatient im fortgeschrittenen Stadium weist bereits 20% weniger Gehirnmasse auf als eine gesunde Person.

Obwohl die Alzheimerforschung in den vergangenen 20 Jahren große Fortschritte gemacht hat, ist immer noch nicht genau verstanden, wie die Krankheit tatsächlich verläuft.

Im Jahr 1987 gelang mit der Entdeckung des Amyloidvorläuferprotein (APP) ein wissenschaftlicher Durchbruch2. Die Funktion von APP ist bis heute noch nicht vollständig geklärt.

Jedoch konnten Wissenschaftler zeigen, dass APP durch mehrere proteinspaltende Enzyme, den sogenannten a-, b- und g-Sekretasen, prozessiert wird, wodurch es zur Freisetzung der Ab-Peptide kommt (Abb. 1A)3. Über die Jahre häufen sich diese Peptide an, und mit dem Absterben der Nervenzellen bricht die Demenzerkrankung aus.

Die Entscheidung darüber, welche Enzyme schneiden und wieviele Ab-Peptide entstehen, wird von der Zelle präzise gesteuert.

Wird diese Regulation durch erbliche oder

www.laborwelt.de 12. Jahrgang | Nr. 6/2011 | 35

16.11.2011 17:49:53 Uhr

Blitzlicht Bioinformatik

äußere Faktoren gestört, steigt das Risiko, an Alzheimer zu erkranken. Wir haben nun solch einen regulatorischen Faktor namens SORLA identifizieren können, der diesen Mechanismus nachhaltig beeinflusst4 . Wir konnten nachweisen, dass Alzheimer-Patienten im Vergleich zu gesunden Personen weniger SORLA in Nervenzellen produzieren.

Die detaillierte Funktion von SORLA in der Alzheimer-Krankheit war zu Beginn der Studien noch völlig unklar. In jüngerer Zeit konnte unsere Arbeitsgruppe am MDC jedoch zeigen, dass SORLA ein neuraler Rezeptor ist, der den Transport anderer Proteine in den Nervenzellen reguliert5. Unter anderem kontrolliert SORLA den Transport von APP – durch den Einfluss von SORLA wird das Protein im TransGolgi-Netzwerk der Zelle zurückgehalten, was den Zugriff durch Sekretasen erschwert.

Als Konsequenz der Transportregulierung kommt es zu einer reduzierten Bildung von Ab-Peptiden und anderen APP-Fragmenten in den Nervenzellen (Abb. 1B).

SORLA – ein genetischer Risikofaktor der Alzheimer-Krankheit Mit Hilfe von Genbanken konnte gezeigt werden, dass Menschen unterschiedliche Genvarianten von SORLA aufweisen6. Diese Genvariationen führen zu unterschiedlichen SORLA-Mengen im Körper. Bildet ein Patient

nur wenig SORLA, sind die Nervenzellen zu wenig gegen die enzymatische Spaltung von APP geschützt. Es kommt zur Überproduktion von Ab-Peptiden. Um genaue Vorhersagen treffen zu können, wie viele Ab-Peptide in Abhängigkeit von der jeweiligen SORLA-Menge gebildet werden, hat unsere Arbeitsgruppe ein neuartiges Zellkultursystem entwickelt, um die Menge an SORLA und APP in der Nervenzelle variieren zu können7. Diese Zelllinien wurden für die Erfassung quantitativer Daten und für die Etablierung eines systembiologischen Modells generiert, welches die genauen Reaktionskonstanten der proteolytischen Prozessierung von APP in seine Fragmente in Abhängigkeit von der SORLA-Menge liefert.

Anhand dieser Daten konnte nachgewiesen werden, dass im Gegensatz zu vorherigen Annahmen, die Enzyme nicht nur sogenannte APP-Monomere, sondern gerade auch bevorzugt APP-Oligomere spalten – ein Effekt den Enzymwissenschaftler positive Kooperativität nennen. Durch eine Kooperativität der Substrate untereinander können Enzyme mittels schneller Aktivitätsänderungen auf geringste Veränderungen von Substratkonzentrationen in der Zelle reagieren. Wird diese Kooperation gestört, so arbeiten die Enzyme nur noch ineffizient. In der aktuellen Studie konnten wir sowohl in Zellkulturen als auch im Mausgehirn zeigen, dass SORLA mit APP interagiert und dass diese Interaktion die Bildung von APP-Oligomeren verhindert. Infolge

des Aufhebens der positiven Kooperativität durch SORLA werden die Sekretasen in einen ineffizienten Zustand versetzt, so dass weniger APP-Moleküle in Ab-Peptide prozessiert werden. Diesen Mechanismus konnte die Gruppe von Olaf Wolkenhauer an der Universität Rostock anhand eines detaillierten mathematischen Modells unter Zuhilfenahme der experimentellen Daten genauer beschreiben. Das Modell stellt das biochemische Reaktionsnetzwerk dar, welches die Kinetik der APP-Prozessierung und den Effekt von SORLA in diesem System beschreibt (Abb. 2). Für den Aufbau des Netzwerks wurden sowohl die experimentellen Daten als auch Daten aus der aktuellen Literatur verwendet.

Das Reaktionsnetzwerk konnte anschließend in ein mathematisches System mit normalen Differentialgleichungen (ODE) transformiert werden, welches die zeitlichen Änderungen der Netzwerkkomponenten als Funktion von Interaktion und Dissoziation beschreibt. Die kinetischen Parameter des Modells wurden mittels der experimentellen Daten optimiert und als Funktion von APP und APP-Produkt in Abhängigkeit von der SORLA-Menge abgebildet (Abb. 3). Anhand des Modells konnten die Wissenschaftler die SORLA-Menge bestimmen, die notwendig ist, um die Umwandlung von APP-Dimeren in APP-Monomere zu bewerkstelligen. Erstaunlicherweise sind nur geringe SORLA-Konzentrationen nötig, um ein Umschalten zwischen allosterischer (Dimere) und nicht allosterischer (Monomere) Enzymaktivität zu bewirken, und dadurch effektiv die Prozessierung von APP in Ab-Peptide zu verhindern. Reduziert sich jedoch aufgrund von Genvariationen die SORLA-Menge in den Nervenzellen, so führt das zu einem dramatischen Konzentrationsanstieg der toxischen Peptide und zur gehäuften Bildung amyloider Plaques.

Somit scheint SORLA heute tatsächlich zu den wichtigsten genetischen Risikofaktoren der Alzheimer-Krankheit zu gehören.

SORLA als mögliche Therapieform gegen Alzheimer

Abb. 2: Die Kinetik der APP-Prozessierung und der Einfluss von SORLA, dargestellt an einem biochemischen Reaktionsnetzwerk. APP als Monomer (blau, oben) oder Dimer (blau, unten), mit den a- und b-Sekretasen (grün) und die APP-Prozessierungsprodukte (orange). Der Komplex aus APP und Sekretase wurde als weiße Box und der Komplex aus APP und SORLA als graue Box symbolisiert. SORLA reduziert sowohl die APPDimerisierung als auch die APP-Menge für die Sekretasen im System..

36 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

35-37_LW6_11_Schmidt_Willnow_tg.indd 36

Welche Bedeutung haben nun diese Ergebnisse für die medizinische Forschung? Wie kann SORLA zur Therapie von Alzheimer-Patienten genutzt werden? Bisher ist bekannt, dass gesunde Menschen eine normale Menge an SORLA in den Nervenzellen bilden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass AlzheimerPatienten zu wenig SORLA produzieren. Wenn es gelänge, die SORLA-Produktion in den Nervenzellen von Alzheimer-Risikopatienten durch pharmakologische Substanzen anzuregen, könnte man langfristig die Ab-Menge im Gehirn reduzieren. Dies setzt jedoch voraus,

www.laborwelt.de LABORWELT

16.11.2011 17:49:59 Uhr

Blitzlicht Bioinformatik

dass die SORLA-Menge – und damit das Risiko an Alzheimer zu erkranken – bereits in jungen Jahren vor Ausbruch der Krankheit mittels zuverlässiger Methoden bestimmt wird, wie beispielsweise mit dem oben beschriebenen systembiologischen Modell. Auch hier können wir bereits erste Ergebnisse vorweisen. Durch Zugabe bestimmter neurotropher Substanzen konnte eine künstliche Anhebung der SORLA-Produktion in Nervenzellen erreicht und damit auch die Ab-Menge dauerhaft im Tiermodell reduziert werden 8. Auch wenn diese Ergebnisse lediglich den Anfang einer möglichen Therapie darstellen, ist die Alzheimerforschung dem Ziel, eine weitverbreitete Volkskrankheit zu besiegen, einen weiteren Schritt näher gekommen.

Literatur [1] [2]

[3]

Single Sub-Brand

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

Abb. 3: Simulationsergebnis des mathematischen Modells für die verschiedenen APP-Prozessierungsprodukte sAPPa (A,C,E) und sAPPb (B,D,F) bei unterschiedlichen SORLA-Konzentrationen (3% (A,B), 12% (C,D) und 30% (E,F)) in Abhängigkeit von der APP-Menge.

Dargestellt ist die gesamte APP-Prozessierung (schwarze Linie), wie auch die Teilbereiche APP-Dimer- (grüne Linie) und APP-Monomer (rote Linie)-Prozessierung. Die Umkehr von Dimer- zu Monomerprozessierung ist bei 12% SORLA zu verzeichnen.

O´Brien, R.J., und Wong, P.C., Annu Rev Neurosci. 34 (2011), 185-204 Kang, J., Lemaire, H.-G., Unterbeck, A., Salbaum, J.M., Masters, C.L., Grzeschik, K.-H., Multhaup, G., Beyreuther, K., Müller-Hill, B. Nature 325 (1987), 733-736 Chow, V.W., Mattson, M.P., Wong, P.C., Gleichmann, M., Neuromolecular Med. 12(1) (2010), 1-12 Andersen, O.A., Reiche, J., Schmidt, V., Gotthardt, M., Spoelgen, R., Behlke, J., von Arnim, C.A.F., Breiderhoff, T., Jansen, P., Wu, X., Bales, K.R., Cappai, R., Masters, C.L., Gliemann, J., Mufson, E.J., Hyman, B.T., Paul, S.M., Nykjaer, A., Willnow, T.E. PNAS 102 (2005), 13461-13466 Schmidt, V., Sporbert, A., Rohe, M., Reimer, T., Rehm, A., Andersen, O.A., Willnow, T.E. The Journal of Biological Chemistry 45 (2007), 32956-32964 Caglayan, S., Bauerfeind, A., Schmidt, V., Carlo, A.-S., Prabakaran, T., Hübner, N., Willnow, T.E. Archives of Neurology (2011) in Druck Schmidt, V., Baum, K., Lao, A., Rateitschak, K., Schmitz, Y., Teichmann, A., Wiesner, B., Petersen, C.M., Nykjaer, A., Wolf, J., Wolkenhauer, O., Willnow, T.E. The EMBO Journal (2011), 1-14 Rohe, M., Synowitz, M., Glass, R., Paul, S.M., Nykjaer, A., Willnow, T.E. The Journal of Neuroscience 29(49) (2009), 15472-15478

Korrespondenzadresse Dr. Vanessa Schmidt Max Delbrück Centrum f. Molekulare Medizin Robert-Rössle-Str 10, 13125 Berlin Tel.: +49 (0)30-94063412 vanessa.schmidt@mdc-berlin.de

VERABSCHIEDEN SIE SICH VON LATEX. Schützen Sie Ihre Mitarbeiter, Ihre Prozesse und die Umwelt mit

KIMTECH SCIENCE* Nitrilhandschuhen.

Bestellen Sie KOSTENLOS Ihren persönlichen Probehandschuhpack und erhalten Sie einen Reisewecker mit dazu www.kcplatexfree.com/de

Starten Sie in einen latexfreien Tag! LABORWELT

35-37_LW6_11_Schmidt_Willnow_tg.indd 37

12. Jahrgang | Nr. 6/2011 | 37

17.11.2011 10:39:55 Uhr

Wissenschaft Expertenpanel

Expertenpanel: Bio-IT Getrieben vom Einzug der billiger und schneller High-Throughput-Technologien, zum Beispiel zur Analyse des Genoms, Transkriptoms, Epigenoms, Proteoms und Metaboloms, wächst der Bedarf an Hardware- und Softwarelösungen zur Verarbeitung der rapide zunehmenden Datenmengen. Derzeit entstehen in ambitionierten Infrastrukturprojekten wie ELIXIR oder im Rahmen der Internationalen Krebsgenom- und Epigenom-Konsortien Datenpools, für die noch keine angemessenen Modellierungstools verfügbar sind. LABORWELT hat die Bio- und IT-Experten gefragt, wohin die Entwicklung geht und was erforderlich ist, um die Daten möglichst effizient zu nutzen.

Dr. Rolf Porsche Rolf Porsche ist Head of Pharma/Lifescience/ Healthcare der Global Business Services von IBM Deutschland GmbH. Der Doktor der Medizin stieg nach einigen Jahren in das Beratungsgeschäft um und arbeitete in den letzten 15 Jahren in führenden strategischen Consulting-Unternehmen in Europa und den USA. Der Schwerpunkt seiner Arbeit lag dabei in der Gesundheits-, Pharmazie, Medizintechnik- und Life Sciences-Branche.

Kontakt: Porsche@de.ibm.com

LABORWELT: Vor welchen Hauptherausforderungen steht die IT-Industrie bei der Integration großer Datenmengen aus den omics-Technologien in eine stärker personalisierte Medizin?

Porsche: Die Herausforderungen, denen die IT-Industrie bei der Verknüpfung patientenspezifischer Daten mit neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen zum Zwecke einer personalisierten Medizin gegenübersteht, sind vielfach. Stark anwachsende Datenmengen, zunehmende Anforderungen an das Datenmanagement, besonders aber die Integration und Analyse der Daten.

Die derzeit rasante Entwicklung der Leistungsfähigkeit von Next-Generation Sequencern (NGS), die in kürzester Zeit Datenmengen im Petabereich liefern, erfordert die Entwick38 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

38-39_LW6_11_Expertenpanel.indd 38

lung von Speichersystemen, die zu tragbaren Kosten einen schnellen Datenzugriff ermöglichen. Wichtig dabei: die hocheffiziente Kombination mit Datenbanksystemen für verschiedenste Technologien. Automatische Kompressionsapplikationen helfen, die Daten ohne Performance-Einbußen zumindest um ca. 25% zu komprimieren. Auch Datensicherungen müssen spezifisch angepasst werden.

Bei der Rechnerleistung ist die Petascalegrenze ist längst überschritten und die Exascale-Performance klar erkennbar. Statt mehr Rechnerleistung zusammenzupacken, muss die Performance aber auf verschiedensten Ebenen (verbesserte CPU, noch feinere 3DStrukturen, neuer Phase-Changespeicher, neue Materialien und neue Applikationen) gesteigert werden, um das Ziel bis 2017/2018 zu erreichen.

Immer mehr Gewicht kommt auch dem Verhältnis von Rechenleistung zu eingesetzter Energie zu. Schon heute machen die Energiekosten bis zu 45% des Gesambudgets eines Rechenzentrums aus – entscheidend wird es sein, die Performance von heute etwa 1,0 linpack GF/Watt auf bis 3,0 zu optimieren.

Auch die notwendigen Leitungssysteme und Datenübertragungstechnologien müssen angepasst werden, insbesondere wenn immer mehr Arbeiten in flexiblen internen und externen Cloudumgebungen stattfinden.

Neben der Hardware wird auch die Frage nach den richtigen Applikationen immer wichtiger, gerade im analytischen -omicsBereich. Bei der Integration der Daten zeigen Datenintegrations-Systeme wie Watson, wie man mit großen strukturierten und unstrukturierten Datenmengen künftig in der Forschung umgeht.

Gerade das komplexe Zusammenführen unterschiedlichster strukturierter und unstrukturierter Datenmengen ist die Herausforderung bei der personalisierten Medizin – damit der Arzt die bestmögliche Diagnose und Therapie anbieten kann, müssen Patienten-spezifische Daten (Genomdaten, Imagedaten, Krankengeschichte, etc.) analysiert und mit neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen verknüpft werden. Erste Pilotstudien mit dem WatsonAnsatz zeigen, dass das Ziel einer personalisierten Medizin erreicht werden kann.

Prof. Dr. Hans Lehrach Hans Lehrach, seit 1994 Direktor am Berliner Max-Planck-Institut für molekulare Genetik, beschäftigt sich seit mehr als 10 Jahren mit der Modellierung komplexer biologischer Prozesse. Der Mitherausgeber mehrerer Journals und Pionier der Humangenomforschung promovierte 1974 in Göttingen und gelangte über die Harvard Medical School, das EMBL und den Imperial Cancer Research Fund London in seine jetzige Position.

Kontakt: lehrach@molgen.mpg.de

LABORWELT: Wie funktioniert und lernt ein Zellmodell, wie es im Rahmen des IT Future of MedicineProjektes entwickelt wird, und welche ITErfordernisse stellt es?

Lehrach: Unser Ziel ist es, individualisierte Modelle von Patiententumoren zu erstellen und auf dieser Basis vorherzusagen, welches die optimale Therapie für den Patienten ist. Grundlage dafür ist ein allgemeines Referenzmodell der biologischen Prozesse im Menschen. Wir nehmen also gesicherte Erkenntnisse aus der Literatur und bauen daraus ein Modell der biologischen Prozesse in den verschiedenen Geweben und Zelltypen des Patienten, einschließlich der verschiedenen Zelltypen im Tumor im Falle eines Krebspatienten.

Um ein individualisiertes Modell zu erhalten, müssen wir leicht messbare Daten des Patienten in das Modell eingeben. Dabei können wir einerseits Informationen aus dem Genom oder Transkriptom etc. verwenden, die bestimmte Konsequenzen haben. Wenn zum Beispiel ein Gen im Tumorgenom mutiert ist, dann kann dies zum Beispiel im Fall eines mutierten ras-Gens eine Änderung in der Funktion des entsprechenden Proteins zur Folge haben. Andererseits können wir zum Beispiel Metaboliten im Blut oder Urin des Patienten messen. In diesem Fall können wir keine direkten Voraussagen daraus ableiten.

LABORWELT

18.11.2011 10:52:10 Uhr

Wissenschaft Expertenpanel

Wir müssen also das Modell so lange anpassen (indivualisieren), bis wir eine möglichst gute Übereinstimmung zwischen Messresultaten und Voraussagen bekommen. Wenn wir also im Fall eines Krebskranken das Genom des Patienten und das Genom und Transkriptom des Tumors sequenzieren, finden wir zum Beispiel bekannte Mutationen, die nur im Tumorgenom vorkommen (somatische Mutationen).

Diese Information können wir verwenden, um die entsprechenden Teile des Modells zu ändern. Eine ‚change of function’-Mutation führt zu einer Funktionsänderung im Protein.

Ein frühes Stopp-Codon, eine Deletion eines Gens, seine Nichtexpression oder ein Fehler im Splicen führt zur Eliminierung des entsprechenden Objektes im Modell. Durch die Integration aller verfügbaren Daten können wir die Konzentration vieler Komponenten des Modells entsprechend setzen. Wir können aber auch nur einen Teil fixieren, zum Beispiel die RNA-Konzentrationen, und versuchen, andere Konzentrationen vorauszusagen, zum Beispiel die Metaboliten, und damit die Voraussagen des Modells validieren.

Im nächsten Schritt geht es darum, die Modelle einzelner Zellen oder Gewebe zu vernetzen, indem wir diese Einzelmodelle entsprechende Signale austauschen lassen, die den Zustand der anderen ‚Zell’-Modelle modifizieren. Dabei können wir auch Bilddaten einbauen und so zum Beispiel die Sauerstoffkonzentration verschiedener Regionen des Tumors im Modell berücksichtigen.

Ich habe einmal durchgerechnet, was von der IT-Seite her benötigt wird, wenn wir das, was wir derzeit machen, in größerem Maßstab tun würden – also 1.000 verschiedene Zelltypen, 1.000 verschiedene Bedingungen, 1.000 verschiedene Parametersätze, die wir in der Modellierung ausprobieren. Insgesamt also eine Milliarde Modellierungsläufe. Ein Lauf dauert momentan ein bis drei Stunden auf einem Core eines schnellen Computerchips.

Damit würden wir also insgesamt mehrere Milliarden Core-Stunden an Rechnerzeit brauchen, selbst auf einem Supercomputer mit 100.000 Cores also ungefähr ein Jahr an Rechenzeit. Glücklicherweise werden die Computer ja immer schneller, die Programme können sicher auch effizienter gemacht werden, und bei vielen Krankheiten wird es auch vielleicht gar nicht notwendig sein, so viele verschiedene Zelltypen, und so viele verschiedene Bedingungen (Therapien) im Computermodell zu testen.

LABORWELT

38-39_LW6_11_Expertenpanel.indd 39

Prof. Dr. Norbert Graf Norbert Graf ist Direktor der Klinik für Pädiatrische Onkologie und Hämatologie sowie Studiendekan der Universität des Saarlandes. Der Spezialist für Nephroblastome hat ausgewiesene Expertise in Medizinischer Informatik und Klinikogenomischen Studien.

Kontakt: Norbert.Graf@uniklinikumsaarland.de

LABORWELT: Welche BIO-IT-Konzepte sollen in dem von Ihnen koordinierten EU-Projekt p-medicine verwirklicht werden?

Graf p-medicine (www.p-medicine.eu) ist ein europäisches Großforschungsprojekt, in dem sich IT-Spezialisten, Kliniker, Biologen, Ethiker, Juristen und Datenschutzexperten zusammengeschlossen haben, um mittels IT-Tools und -Strukturen die Durchführung und Vernetzung von klinischen Studien zu erleichtern und künftig eine individualisierte medizinische Versorgung zu ermöglichen. Um die Daten für die individuelle Diagnose, Prognose und Therapie von Patienten nutzbar zu machen, werden Software, Module und Tools entwickelt, die die Durchführung und Vernetzung von klinischen Studien und Simulationen von Krankheitsverlauf und Therapieansprechen erleichtern sollen.

Eine Grundlage des Projektes bildet ein Datenmanagementsystem für klinische Studien, das Daten zu diagnostischen und therapeutischen Zwecken rasch zum Nutzen der Patienten verfügbar macht. Das Softwareprodukt ObTiMA zur Eingabe, Speicherung und Analyse klinischer Daten, dessen Entwicklung im Vorgängerprojekt ACGT (www.eu-acgt.org) begonnen wurde, wird nun in p-medicine ausgebaut und validiert. ObTiMA wurde unter den Kriterien von Open Source entwickelt, und über einen modularen Aufbau der Software lässt sich diese kontinuierlich erweitern.

Die so gewonnenen und verknüpften Daten aus klinischen Studien und der Forschung können dann für einzelne Patienten nach Anonymisierung in einem ‚Data Warehouse’ gespeichert werden. Durch den Aufbau eines ‚Data Warehouse’ ergeben sich ungeahnte Möglichkeiten des Erkenntnisgewinnes, indem bestimmte Fragen eines Forschers unmittelbar an dem Datenpool analysiert werden können, ohne zunächst eine aufwendige Datensammlung starten zu müssen. Für die Forscher wird diese Datenbasis durch den Zugang zu Tumormaterial aus Biobanken noch entscheidend ergänzt. Dies führt zu einer erheblichen Beschleunigung der Translation von Erkenntnissen der Grundlagenforschung in die Klinik, wie dies heute nicht vorstellbar ist. Mit den vielfältigen Informationen werden in p-medicine in einer nächsten Stufe Computer-Simulations-Modelle zur Modellierungen von Krankheiten und deren Ansprechen auf Therapien sowie klinische ‚Decision Support Tools’ entwickelt.

Um die individuelle Therapie für zum Beispiel einen Krebspatienten zu verbessern und ihn mit einer auf ihn abgestimmten Therapie wirksamer und nebenwirkungsärmer zu behandeln, sollen dem Arzt zukünftig umfangreiche Vergleichsdaten aus klinischen Studien und die Computer-Simulationen der Tumorerkrankung und Therapie erlauben, seine Therapieplanung entscheidend zu unterstützen.

Gleichzeitig sollen auch die Patienten durch die entsprechend zu entwickelnden Technologien und Computer-Anwendungen besser informiert und bei ihren Entscheidungen über ihre Behandlung und die Verwendung ihres Tumormaterials für die Forschung unterstützt werden. In der zukünftigen Struktur wird dem Patienten insgesamt eine stärkere Rolle in der Behandlung ermöglicht, die ihn aktiv an der Therapieoptimierung beteiligt.

Eine verbindliche Einverständniserklärung zwischen Klinik und Patient, eine Anonymisierung der Daten und eine unabhängige, zentralverantwortliche Stelle, das ‚Center for Data Protection’ (CDP), das eine professionelle Unterstützung für alle Fragen rund um die Datensicherheit bietet sollen helfen, maximale Datensicherheit und eine uneingeschränkte Vertrauensbasis zwischen Arzt und Patient aufzubauen.

Im Rahmen von klinischen Studien werden die p-medicine-Tools und -Technologien innerhalb der Projektlaufzeit geprüft. Pilotversuche in den Bereichen Wilms-Tumor/Nephroblastom, Brustkrebs und akute lymphoblastische Leukämie wurden auf der Grundlage von klar formulierten Forschungszielen ausgewählt, wobei ein Schwerpunkt auf die Notwendigkeit der Integration und Analyse von heterogenen Datensätzen gelegt wurde, um die Modellierung von Krankheiten und Therapieansprechen zu simulieren. Außerdem soll auch ein sogenannter Oncosimulator, das Ansprechen von Therapien im Computer simulieren, um so die bestmögliche Therapie für einen Patienten zu finden.

12. Jahrgang | Nr. 6/2011 | 39

18.11.2011 10:52:18 Uhr

Blitzlicht Mikrobiologie

SYNMIKRO: Synthetische Mikrobiologie in Marburg Bruno Eckhardt1, Johann Heider1, Roland Lill1, Anke Becker1, Uwe G. Maier1, Erhard Bremer1, Martin Thanbichler1,2, Lotte Sogaard-Andersen1,2, Peter Graumann1, Peter Lenz1, Ekaterina Kostina1, Torsten Waldminghaus1, 1Zentrum für Synthetische Mikrobiologie, PhilippsUniversität Marburg, 2Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, Marburg Algen, Bakterien und Pilze stellen den größten Teil der Biomasse und kommen in einer schier unerschöpflichen Zahl und Vielfalt vor. Nur ein Bruchteil von ihnen lässt sich kultivieren und damit in allen Details charakterisieren. Ihr biotechnologisches Potential reicht von der Produktion von Medikamenten bis zur Entsorgung von Plastik oder der Erzeugung von Biosprit. Neue Möglichkeiten eröffnen sich über die gezielte Kombination von Genen verschiedener Organismen, aus der Entwicklung neuer Organismen als Bioreaktoren und durch die Optimierung bekannter Synthesewege. Die interdisziplinär geprägten Forschungsaktivitäten an dem von der Philipps-Universität Marburg und dem Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie gemeinsam getragenen Zentrum für Synthetische Mikrobiologie (SYNMIKRO) reichen von grundlegenden Fragen bis zu biotechnologischen Anwendungen.

Die Chemie­Industrie unternimmt seit Jahren große Anstrengungen, um Grundbausteine und Feinchemikalien auf biotechnologischem Weg zu produzieren. Damit sollen wirtschaftlich alternative Strategien zu bisherigen petroche­ mischen Rohstoff­Quellen erschlossen und die Stärke der biologischen Verfahren in der Produk­ tion von Stoffen, die für die chemische Synthese schwer zugänglich sind, genutzt werden.

Die klassischen Verfahren für die Biotransfor­ mation chemischer Verbindungen nutzen im Wesentlichen Enzyme, die aus Mikroorganis­ men gereinigt und direkt eingesetzt werden, sowie Mikroorganismen, die Produkte ihres Stoffwechsels in großem Maßstab produzie­ ren. So werden Aminosäuren und Antibiotika ebenso wie Alltagsprodukte wie Alkohol oder Essigsäure gewonnen. Eine wesentliche Idee

der Synthetischen Biologie ist es, die normalen biochemischen Wege von Mikroorganismen durch genetische Manipulation so auszubauen, dass eine Zelle Verbindungen produziert, die sonst nicht oder nur in anderen Lebewesen synthetisiert würden. Gleichzeitig gilt es, die Prozesse so zu optimieren, dass sie für die bio­ technologische Produktion relevant werden.

Hier setzt das Zentrum für Synthetische Mikrobiologie SYNMIKRO mit seinen wis­ senschaftlichen Leitzielen an: Es sollen neue Funktionseinheiten synthetisiert, kombiniert und in den Funktionsapparat der Zelle integ­ riert werden, um Mikroorganismen mit neuen Eigenschaften und Anwendungspotential her­ zustellen. Zudem sollen unter Einbeziehung von synthetischen und analytischen Forschungsan­ sätzen die bisher statischen Komponenten­ und

Abb. 1: Biotechnologische Produktion von Dicarbonsäuren als Gärungsprodukte. Der Verlauf der normalen gemischten Säure-Gärung von E. coli (rot) wird bereits für die Produktion von Succinat manipuliert. Durch das Einschleusen von zusätzlichen Genen der Glutamat-Gärung (braun) oder des anaeroben Toluolabbaus (violett) soll der Gärungsweg nun dahingehend verändert werden, dass anstelle von Succinat die Produkte Glutarat oder Benzylsuccinat produziert werden.

40 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

40-41_LW6_11_Schuetzenduebel_tg.indd 40

Funktionsanalysen von mikrobiellen Zellen hin zu einem quantitativen, dynamischen, theo­ retisch modellierbaren Funktionsverständnis weiterentwickelt werden.

Synthetische Mikrobiologie für biotechnologische Anwendungen Succinat, Glutarat und andere Dicarbonsäuren sind äußerst interessante Plattform­Che­ mikalien, die für die Herstellung biobasier­ ter Kunststoffe eingesetzt werden können.

Während das natürliche Gärungsendprodukt Succinat im vorindustriellen Maßstab bereits biologisch hergestellt wird, können andere Dicarbonsäuren bisher nicht biotechnologisch produziert werden, weil im Stoffwechsel der dazu üblicherweise verwendeten aeroben Mi­ kroorganismen die geeigneten Enzyme fehlen.

Prinzipiell ist jedoch die biologische Synthese von Glutarat aus Glucose durch die Verwendung von Enzymen aus anaeroben Glutaminsäure­ fermentierenden Bakterien möglich; allerdings werden diese meist durch Sauerstoff inaktiviert.

Deshalb wurde ein anaerober Stoffwechselweg entworfen, mit dem modifizierte Escherichia coli­Wirtszellen als „künstliche Anaerobier“ die gewünschte Dicarbonsäure als Gärungsend­ produkt herstellen. Kürzlich wurde als erster Schritt tatsächlich die Produktion von kleinen Mengen der Vorläuferverbindung Glutaconat durch entsprechend modifizierte E. coli­Zellen nachgewiesen1. In ähnlicher Weise sollen auch die stereochemisch definierten Dicarbonsäuren (E)­Phenylitaconat oder (R)­Benzylsuccinat, die chemisch schwierig herzustellen sind und Anwendungspotential als Feinchemikalien und Pharma­Grundstoffe haben, gewonnen werden (Abb. 1). In einem ersten Schritt wurden dazu die Gene für die Aufnahme und Aktivierung der aromatischen Säure Benzoat in Wirtsbakterien eingebracht, die dann Benzoyl­CoA als aktivier­ tes Starter­Substrat für weitere biosynthetische Reaktionen bereitstellen. Über den normalen Gärungsweg von E. coli soll dann das endogene Endprodukt Succinat hergestellt werden, das schließlich durch die eingeschleusten Enzyme des anaeroben Toluolabbaus mit zugefüttertem Benzoat zu Benzylsuccinat als neuem Gä­ rungsendprodukt umgesetzt würde. Insgesamt stellen die künstlichen Anaerobier einen neuen Typ industrieller Mikroorganismen dar, der in den Ansätzen der synthetischen Mikrobiologie bisher unterrepräsentiert ist. Die Schaffung synthetischer anaerober Gärungswege ist sehr vielversprechend und führt das uralte Prinzip der biotechnologischen Nutzung von Gärungsprozessen, wie es bereits hinter der al­ koholischen oder der Milchsäuregärung steckt, mit neuen Methoden weiter.

In synthetischen Ansätzen zur Herstellung von Biomolekülen wie iso­Butanol oder Iso­ prenderivaten, die als vielseitige Ausgangsstoffe für Medikamente, Kosmetika und Feinche­ mikalien dienen, zeigt sich die Verfügbarkeit LABORWELT

16.11.2011 17:50:56 Uhr

Blitzlicht Mikrobiologie

Abb. 2: Elektronenmikroskopische Aufnahme der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum, welche durch genetische Manipulation das Bioplastik PHB (Poly-3-hydroxybutyrat) in großen Mengen produzieren kann. Das PHB akkumuliert in Granula-artigen Strukturen im Cytosol der Zelle, (Pfeile). von Eisen-Schwefel-Clustern als limitierendes Element. Den Clustern kommt als Co-Faktoren von Proteinen eine zentrale Bedeutung bei der Synthese von DNA, der Modifikation von Nukleinsäuren, der Umsetzung von Aminosäuren und Metaboliten, oder der Übertragung von Elektronen bei biochemischen Reaktionen zu2.

Meist werden für die gezielte Synthese der gewünschten Moleküle in Bakterien oder Hefen neue Reaktionswege konstruiert. Die Erfahrung hat allerdings gezeigt, dass die Assemblierung der wirtsfremden Eisen-Schwefel-Proteine häufig ineffizient verläuft und eine höhere Aktivität der Fremdproteine nur über ein besseres Verständnis der Assemblierungsprozesse zu erreichen ist.

Isogene bakterielle Populationen neigen zur Heterogenität im Phänotyp, wodurch die biotechnologische Ausbeute der gewünschten Produkte stark beeinflusst wird. So zeigen Kulturen von Exopolysaccharid-produzierenden Zellen während des Kulturverlaufs eine Aufspaltung in Subpopulationen stark produzierender Zellen und solche, die wenig oder gar kein Exopolysaccharid produzieren. Am Beispiel des symbiotischen Bakteriums Sinorhizobium meliloti wurde gezeigt, wie eine dichteabhängige Autoinduktion durch ein Quorum-Sensing-System aus einer Autoinduktorsynthase und zwei regulatorischen Proteinen diese Aufspaltung kontrolliert3. Mit diesem detaillierten Modell und Prozessverständnis eröffnen sich Möglichkeiten, die phänotypische Heterogenität in isogenen bakteriellen Produktionskulturen zu reduzieren.

Neue Potentiale für eine umweltfreundliche Produktion ergeben sich durch den Wechsel der Wirtsorganismen. Diatomeen (Kieselalgen) lassen sich einfach kultivieren, können CO2-freie LABORWELT

40-41_LW6_11_Schuetzenduebel_tg.indd 41

Synthesen durchführen und gewinnen die erforderliche Energie kostengünstig aus dem Sonnenlicht4. Die biotechnologischen Verfahren sind bereits so weit fortgeschritten, dass Spinnseide, Bioplastik (Abb. 2) sowie ein Antikörper und ein potentieller Impfstoff mit zum Teil sehr hohen Ausbeuten biotechnologisch hergestellt werden können.

Interdisziplinäre Ansätze zur Untersuchung zellulärer Organisation Die synthetische Mikrobiologie strebt die Entwicklung frei kombinierbarer und modularer Einheiten an, sogenannter Biobricks. Neben den kleineren, im vorherigen Abschnitt beschriebenen biochemischen Reaktionspfaden werden dabei auch größere Module, etwa zur Stressresistenz oder zur Zellteilung, angestrebt. Voraussetzung für die erfolgreiche Implementierung derartiger Biobricks ist allerdings das Verständnis grundlegender Mechanismen zellulärer Organisation in Mikroorganismen. Hier kommt mit der interdisziplinären Zusammenarbeit von Mikrobiologen mit Physikern, Mathematikern und Informatikern eine der Stärken von SYNMIKRO zum Tragen. Gerade die räumliche Position makromolekularer Strukturen innerhalb der Zelle wirft viele spannende Fragen auf. Exemplarisch stehen dafür die Untersuchungen eines regulatorischen Netzwerkes, das im Bakterium Caulobacter crescentus für die korrekte Platzierung des Zellteilungsapparats verantwortlich ist5. Neben einer detaillierten zellbiologischen und biochemischen Analyse der beteiligten Komponenten wird eine in silico-Modellierung des Systems angestrebt, um das komplexe

Netzwerk an raum- und zeitabhängigen Interaktionen zwischen den beteiligten Komponenten zu verstehen. Auf der Grundlage des erhaltenen Modells können anschließend die Eigenschaften des regulatorischen Netzwerks gezielt verändert und die Voraussetzungen für eine Adaption an neue zelluläre Umgebungen abgeleitet werden.

Die Bewegung von Bakterien und insbesondere die Richtungswechsel erfordern einen Taktgeber, der unabhängig vom Zellzyklus ist6. Wie am Beispiel der Mobilitätsproteine des Bakteriums Myxococcus xanthus gezeigt werden konnte, stehen die Richtungswechsel im Zusammenhang mit unregelmäßigen Oszillationen zwischen den Zellpolen. Zusammen mit theoretisch arbeitenden Gruppen aus der Physik und Mathematik wird derzeit untersucht, welche minimalen Bestandteile erforderlich sind, um diese räumlichen Oszillationen zu ermöglichen. Parallel dazu werden die beteiligten molekularen Spieler experimentell bestimmt.

Doch auch diese aufwändigen Modifikationen einer Zelle sind nur ein Schritt auf dem Weg zu dem ultimativen Ziel, das mit der Synthese von Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 vorgezeichnet wurde7: der vollständigen Herstellung eines neuen Organismus aus frei kombinierbaren genetischen Modulen. Die Möglichkeit, über eine vollständige chemische Synthese komplette synthetische Chromosomen herzustellen erlaubt gezielte Untersuchungen, welche Komponenten für welche Funktionen gebraucht werden. Die so gewonnenen Erkenntnisse werden helfen zu verstehen, was ein Chromosom zu einem Chromosom macht.

Literatur [1] [2] [3] [4]

[5] [6] [7]

Djurdjevic, I., Zelder, O., Buckel, W., Appl Environ Microbiol. 77 (2011), 320 - 332.

Lill, R., Nature 460 (2009), 831 – 838.

McIntosh, M., Meyer, S., Becker, A., Mol. Microbiol. 74 (2009), 1238 - 1256.

Hempel, F., Bozarth, A.S., Klingl, A., Zauner, S., Linne, U., Steinbuchel A., Maier, U.G., Microbial Cell Factories 10 (2011) (online first).

Thanbichler, M., Shapiro, L., Cell 126 (2006), 147-162.

Lenz, P., Søgaard-Andersen, L., Nature Reviews Microbiol. 9 (2011), 565 - 577.

Gibson, D.G., Glass, J.I., Lartigue, C., Noskov, V.N., Chuang, R.Y., Algire, M.A., Benders, G.A., Montague, M.G., Ma., L., Moodie, M.M., Merryman, C., Vashee, S., Krishnakumar, R., Assad-Garcia, N., Andrews-Pfannkoch, C., Denisova, E.A., Young, L., Qi, Z.Q., Segall-Shapiro, T.H., Calvey, C.H., Parmar, P.P., Hutchison, C.A. 3rd, Smith, H.O., Venter, J.C., Science 329 (2010), 52 - 56.

Das Zentrum für Synthetische Mikrobiologie wird vom Land Hessen im Rahmen der Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlichökonomischer Exzellenz (LOEWE) gefördert.

Korrespondenzadresse Prof. Dr. Bruno Eckhardt LOEWE-Zentrum f. Synthetische Mikrobiologie Hans Meerwein-Straße, MZVG, 35032 Marburg Tel./Fax.: +49 (0)6421-28-24401/ -28-24430 Bruno.eckhardt@synmikro.uni12. Jahrgang | Nr. 6/2011 | 41

16.11.2011 17:51:02 Uhr

Service Stellenmarkt

Akademischer Stellenmarkt Veröffentlichen Sie Ihre Stellenanzeigen zielgruppengerecht in unserem akademischen Stellenmarkt (auch online), der allen nicht-kommerziellen Instituten für ihre Stellenausschreibungen kostenlos zur Verfügung steht. Bitte senden Sie dazu Ihre Anzeige (Ausschreibungstext als Word-Datei, Logo – jpg oder tiff, 300 dpi Auflösung) an a.macht@biocom.de. Annahmeschluss für die nächste LABorWeLt-Ausgabe „Zellbiologie“ (erscheinungstermin 15.03.2012) ist der 02. März 2012.

Translationale Onkologie an der Universitätsmedizin der JGU Mainz Die Translationale Onkologie an der Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (TRON) ist ein innovatives, schnell wachsendes, biopharmazeutisches Institut mit dem Ziel, innovative Diagnostika und Arzneimittel zur Behandlung von Krebs und Erkrankungen des Immunsystems zu entwickeln. TRON arbeitet in intensiver Kooperation mit der Universität Mainz, der Universitätsmedizin Mainz sowie nationalen und internationalen Unternehmen und Instituten zusammen.

Zur Verstärkung unserer Funktionseinheit „Stem Cells“ suchen wir zum nächstmöglichen Zeitpunkt

technische/n Assistentin/en (BTA/MTA) Die Funktionseinheit „Stem Cells“ beschäftigt sich mit der Reprogrammierung somatischer Zellen zu induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS Zellen). Die iPS-Zell Technologie ist für zukünftige Zelltherapien hoch relevant und wird derzeit intensiv beforscht. Innerhalb unserer Funktionseinheit sind Sie direkt an der Entwicklung unserer eigenen Methoden zur iPS-Zell Generierung beteiligt. Dabei werden Sie hauptsächlich in der Zellkultur und im molekularbiologischen Bereich tätig sein. Sie können proaktiv persönliche Akzente setzen und bekommen Einblicke in die vielschichtigen Fragestellungen der Stammzellbiologie. Nach entsprechender Einarbeitung übernehmen Sie die Planung und Durchführung von eigenen Experimenten, die sie in Absprache mit Ihren Teamkollegen durchführen. Hierbei helfen Ihnen Ihre strukturierte und zuverlässige Arbeitsweise und Ihre Freude an wissenschaftlichen Experimenten.

Neben einer abgeschlossenen Berufsausbildung erwarten wir von Ihnen praktische Erfahrung mit molekularbiologischen Methoden. Idealerweise sind Sie mit PCR-Methoden vertraut. Erfahrungen bei der Isolierung und reversen Transkription von RNA sind wünschenswert. Die Beherrschung gängiger Computeranwendungen (MS Office) sowie einen guten analytischen Sachverstand setzen wir voraus.

improve world health start a scientific career come to Berlin

10 Fellowships for Doctoral Candidates to start October 2012 (or earlier) Online Application will start on October 15, 2011 Deadline for Application – January 15, 2012 The ZIBI Graduate School Berlin is an international doctoral program for research in infection biology and immunology. Research projects are in the areas of – Host-pathogen interaction – Pathogenicity mechanisms – Host-pathogen co-evolution – Chronic inflammations – Autoimmune diseases – Development and differentiation of immune cells – Neuroimmunology – Antiviral and antimicrobial strategies and vaccine development We offer outstanding training and support in an excellent scientific network.

Faculty members are affiliated with well-known institutes such as the Max Planck Institute for Infection Biology, the German Rheumatism Research Center, the Institute for Zoo and Wildlife Research as well as with institutes of the Humboldt-Universität zu Berlin, the Freie Universität Berlin and the Charité – University Medicine Berlin.

Our mission is to develop students into creative, responsible and self-confident young researchers. We are looking for highly motivated students of all nationalities who are strongly committed to research and share our vision to improve world health.

For further information and the online application form, please visit our website: www.zibi-graduateschool-berlin.de

Sie erwartet bei uns ein angenehmes Betriebsklima, gründliche Einarbeitung und herausfordernde Aufgaben im Bereich der Stammzellforschung, sowie ein abwechslungsreiches und spannendes Arbeitsumfeld. Wir suchen hoch motivierte Mitarbeiter, die unsere Begeisterung für Forschung und Wissenschaft teilen, Spaß an der Bewältigung neuer Aufgaben haben und Teil unseres engagierten Teams werden wollen.

Contact: ZIBI Graduate School, c/o Dr. Christoph Scherfer, Max Planck Institute for Infection Biology Campus Charité Mitte, Charitéplatz 1, 10117 Berlin, Germany Phone: +49(0)-30-28460160, email: info@zibi-graduateschool-berlin.de

Ihr Profil entspricht genau unseren Vorstellungen und wir haben Ihr Interesse geweckt? Dann freuen wir uns schon heute auf Ihre vollständigen und aussagekräftigen Bewerbungsunterlagen unter Angabe Ihrer Gehaltsvorstellung und Ihres möglichen Eintrittstermins. Bitte senden Sie ihre Bewerbungsunterlagen in einem PDF Dokument unter der Verwendung der Referenz „TA STEM CELLS“ an jobs@tron-mainz.de

International Max Planck Research School for Infectious Diseases and Immunology (IMPRS-IDI) funded by the Max Planck Society (MPG)

42 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

42-44_LW6_11_SM.indd 42

The ZIBI Graduate School is the roof of:

Research Training Group “Genetic and Immunologic Determinants of Pathogen- Host-Interactions” (GRK1121) funded by the German Research Foundation (DFG) LABORWELT

18.11.2011 10:54:17 Uhr

Service Stellenmarkt

Doctoral Program graDuate School life Science munich: call for aPPlicationS the graduate School life Science munich (lSm) announces the call for applications for its international doctoral program. lSm is looking for highly motivated applicants with excellent grades and a strong scientific interest to apply for the PhD program in life sciences covering areas of anthropology, biochemistry and cell biology, ecology, evolution, genetics, microbiology, plant sciences, systematics and zoology. the program will be taught entirely in english and provides comprehensive scientific training. the members of the graduate School are part of the faculty of Biology and the faculty of chemistry, Biochemistry and Pharmacy of lmu munich. the lSm does not charge tuition fees for attending the doctoral program.

Alle Stellenanzeigen finden Sie auch unter:

www.laborwelt.de

the research training on a specific project will be supplemented by seminars, summer schools, methods courses, training in soft skills and participation in international conferences. the PhD program is open for students who hold either a master´s or Diploma degree or, in the fast track version, a three-year Bachelor´s degree. Successful students of the graduate school will be awarded a doctoral degree (Dr. rer. nat.) by the lmu after 3 to 4 years. candidates need to prove a strong qualitative background as well as interest and ability to conduct independent research.

Deadline for application is January 10th, 2011. further information and details about the online application process and the available research projects can be found on:

www.lsm.bio.lmu.de/application.

LABORWELT

42-44_LW6_11_SM.indd 43

12. Jahrgang | Nr. 6/2011 | 43

18.11.2011 10:48:57 Uhr

Service Stellenmarkt

Das Paul-Ehrlich-Institut ist eine wissenschaftliche Einrichtung des Bundes, das als Bundesinstitut für Impfstoffe und biomedizinische Arzneimittel zuständig ist und auf den damit verbundenen Gebieten der Lebenswissenschaften (z. B. Virologie, Bakteriologie, Allergologie, Immunologie, Medizinische Biotechnologie, Hämatologie) Forschung betreibt.

Im Fachgebiet Pr1-Forschung „Molekulare Biotechnologie und Gentherapie“ ist folgende Position vakant:

Doktorandin/Doktorand Stellenbewertung: E 13/2 TVöD Arbeitsbeginn: zum nächstmöglichen Zeitpunkt

Aufgabenprofil: Im Zentrum unserer Forschung steht die Analyse des Zelleintritts von viralen Vektoren. Dazu wurde von uns eine neue Methode entwickelt, mit der Viren so verändert werden können, dass sie einen beliebigen Rezeptor der Wahl für den Zelleintritt verwenden (Anliker et al., 2010; Nature Methods 7, 929; Münch et al., 2011; Molecular Therapy 19, 686). Basierend auf diesem Verfahren soll mit Hilfe von zellbiologischen und biochemischen Methoden (z.B. Partikeltracking, Mikroskopie, Affinitäts- und Kinetikmessungen) die Anpassung von Viren an ihren zellulären Rezeptor untersucht werden.

Als europaweit führendes Forschungszentrum mit der Ausrichtung „Environmental Health“ (Verknüpfung von Biomedizin und Umweltforschung) analysieren die Forscherinnen und Forscher des Helmholtz Zentrums München grundlegende Prozesse der Krankheitsentstehung, der Schädigung sowie der Abwehr- und Kompensationsfähigkeit des Organismus.

Wir sind eine Forschungseinrichtung des Bundes und des Freistaats Bayern mit Sitz in Neuherberg, im Norden Münchens, und sind Mitglied der HelmholtzGemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V., der größten öffentlichen Forschungsorganisation Deutschlands.

Das Helmholtz Zentrum München als Träger des Bayerischen Frauenförderpreises sowie des Total E-Quality Zertifikates strebt eine Erhöhung des Frauenanteils an und fordert deshalb qualifizierte Interessentinnen auf, sich zu bewerben.

Schwerbehinderte werden bei gleicher Eignung bevorzugt.

Die Arbeitsgruppe Arbeitsgruppe Fettstoffwechsel des Instituts für Experimentelle Genetik sucht zum nächstmöglichen Zeitpunkt eine/n

Technische/n Assistenten/in – BTA / CTA / MTA / VMTA 2011/1240 Ihre Aufgaben

Anforderungsprofil:

–

– Abgeschlossenes Studium der Biologie oder Biochemie – Expertise in zellbiologischen Methoden, insbesondere Fluoreszenz- und Konfokalmikroskopie sowie Partikeltracking – Molekularbiologische Erfahrung, insbesondere in der Erzeugung viraler Vektoren – Kommunikations- und Teamfähigkeit – Gute Englischkenntnisse in Wort und Schrift

–

Das Beschäftigungsverhältnis ist vorerst auf 3 Jahre befristet.

Die wöchentliche Arbeitszeit beträgt 39 Stunden. Die Eingruppierung erfolgt nach den tarifrechtlichen Bestimmungen des TVöD-Bund.

Das Paul-Ehrlich-Institut ist bei der Wohnungssuche behilflich. Trennungsgeld und Umzugskosten werden nach den gesetzlichen Vorschriften gewährt.

Schwerbehinderte Bewerber/-innen werden bei gleicher Eignung bevorzugt berücksichtigt. Das Paul-Ehrlich-Institut fördert die Gleichstellung von Frauen und Männern und ist daher an Bewerbungen von Frauen interessiert.

Weitere Informationen: Prof. Dr. Buchholz (E-Mail: Christian.Buchholz@pei.de) Bitte richten Sie Ihre vollständigen Bewerbungsunterlagen an: Personalreferat des Paul-Ehrlich-Instituts Paul-Ehrlich-Straße 51-59, 63225 Langen www.pei.de Kontakt für weitere Informationen: E-Mail: bewerbungen@pei.de · Telefon 06103 77-1100 Bitte geben Sie die Bewerbungskennziffer 29/2011 an.

44 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

42-44_LW6_11_SM.indd 44

–

Durchführung von Tierversuchen mit Mäusen (Glukose-Clamps, Glukose Toleranz Test, etc.) molekularbiologische Arbeiten (Genotypisierung, Western Blot, ELISA; DNA-, RNA-, Protein-Extraktion) Organisation von Mauszuchten

Ihre Qualifikationen – – – – –

abgeschlossene Berufsausbildung in einem der o.g. Berufe Interesse an der Arbeit mit Mäusen und Bereitschaft für tierexperimentelle Arbeiten ausgeprägte Teamfähigkeit und Flexibilität Fähigkeit zu eigenständigem Arbeiten sehr gute Englischkenntnisse

Unser Angebot – Tätigkeit in einem innovativen, zukunftsorientierten Unternehmen – umfangreiches Fortbildungsangebot – zunächst für zwei Jahre befristetes Arbeitsverhältnis und eine Vergütung nach TVöD (EG 5-8) Bitte senden Sie Ihre Bewerbung bevorzugt per E-Mail an: Dr. Susanne Hofmann E-Mail: bewerbung-sd@helmholtz-muenchen.de Telefon: +49-(0)89 3187-4435 Helmholtz Zentrum München Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (GmbH) Institut für Experimentelle Gentechnik Ingolstädter Landstraße 1 85764 Neuherberg LABORWELT

16.11.2011 17:51:36 Uhr

Service Verbände

Seite bitte abtrennen – per Fax an 030-264921-11

Kontakt zu Verbänden Die Mitglieder der nachfolgenden Fachgesellschaften erhalten LABORWELT regelmäßig mit freundlicher Empfehlung ihrer Organisationen. Wer sich darüber hinaus für eine Mitarbeit oder einen Beitritt interessiert, erreicht die Fachgesellschaften unter den folgenden Kontakt daten:

und Laboratoriumsmedizin e.V. (DGKL)

Fax

E-Mail

Gesellschaft für Genetik AFT FÜ H

GENE

Deutsche Gesellschaft für Proteomforschung

Tel.

R

Geschäftsstelle der DGKL Friesdorfer Str. 153 53175 Bonn Tel.: +49-(0)-228-92-68-9522 Fax: +49-(0)-228-92-68-9527 geschaeftsstelle@dgkl.de www.dgkl.de

Firma

ELLSC S

Dt. Ver. Gesell. f. Klinische Chemie

Name

GE

Verband (siehe unten, bitte ankreuzen)

Bitte kontaktieren Sie mich

K TI

Ich interessiere mich für den Beitritt Unterstützung für Jungwissenschaftler Interessenvertretung eine Spende Fachgruppen im Bereich

Gesellschaft für Signaltransduktion c/o Prof. Dr. Ralf Hass Med. Hochschule Hannover AG Biochemie u. Tumorbiol.

30625 Hannover Tel.: +49-(0)-511-532-6070 Fax: +49-(0)-511-532-6071 www.sigtrans.de

c/o MPI für Biochemie Am Klopferspitz 18a 82152 Martinsried Tel.: +49-(0)-89-1897-9007 Fax: +49-(0)-89-1897-9009 c.kleinhammer@dgpf.org www.dgpf.org

BIO Deutschland

Gesellschaft für Pharmakologie und

Toxikologie

Geschäftsstelle der DGPT Achenbachstraße 43 40237 Düsseldorf Tel.: +49-(0)-211-600-692-77 Fax: +49-(0)-211-600-692-78 mitglieder@dgpt-online.de www.dgpt­online.de

Tegeler Weg 33/ berlinbiotechpark 10589 Berlin Tel.: +49-(0)-30-3450593-30 Fax: +49-(0)-30-3450593-59 info@biodeutschland.org www.biodeutschland.org

Deutsche Gesellschaft für Hygiene

und Mikrobiologie (DGHM)

Nationales Genomforschungsnetz c/o DKFZ Im Neuenheimer Feld 580 69120 Heidelberg Tel.: +49-(0)-6221-424-743 Fax: +49-(0)-6221-423-454 S.Argo@dkfz-heidelberg.de www.ngfn.de

c/o Institut für Hygiene und Med. Mikrobiologie Carl-Neuberg-Straße 1 30625 Hannover Tel.: +49-(0)-511-532-4655 Fax: +49-(0)-511-532-4355 www.dghm.org

bts (Biotechnologische Studenten­

initiative e.V.)

c/o BIOCOM Lützowstraße 33–36 10785 Berlin Tel.: +49-(0)-30-2649-21-21 Fax: +49-(0)-30-2649-21-11 www.bts­ev.de

LABORWELT

45_LW6_11_Verbaende.indd 45

c/o HZM – Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit/Inst. of Developmental Genetics Tel.: +49-(0)-89-3187-2610 Fax: +49-(0)-89-4620 www.gfgenetik.de

Deutsche Gesellschaft für

Neurogenetik

Institut für Humangenetik Calwer Straße 7 72076 Tübingen Tel.: +49-(0)-7071-2977692 Fax: +49-(0)-7071-295171 peter.bauer@ med.uni-tuebingen.de www.hih­tuebingen.de/dgng/

Netzwerk Nutrigenomik Netzwerk Nutrigenomik Arthur-Scheunert-Allee 114 14558 Nuthetal Tel.: +49-(0)-33200-88-301 Fax: +49-(0)-33200-88-541 mail@nutrigenomik.de www.nutrigenomik.de

DiagnostikNet­BB Netzwerk Diagnostik Berlin-Brandenburg e.V. Neundorfstraße 17 16761 Henningsdorf Tel.: +49-(0)-3302-55-199-14 Fax: +49-(0)-3302-55-199-10 f.adams@diagnostiknet-bb.de www.diagnostiknet­bb.de

Verband der Diagnostica­Industrie e.V. Verband der Diagnostica-Industrie e.V. Neustädtische Kirchstr. 8 10117 Berlin Tel.: +49-(0)-30-200-599-40 Fax: +49-(0)-30-200-599-49 vdgh@vdgh.de www.vdgh.de

Österreichische

Reinraumgesellschaft (ÖRRG) ÖRRG Neudorf 41 A-8262 Ilz Tel.: +43-(0)-3385-8117 Fax: +43-(0)-3385-8117 office@oerrg.at www.oerrg.at

Österreichische Ges. f. Laboratoriums­

medizin & Klinische Chemie

ÖGLMKC Geschäftsstelle Infomedica-KEG, Xenius Behal Tullnertalgasse 72 A-1230 Wien Tel./Fax: +43-(0)-1889-6238 office@oeglmkc.at www.oeglmkc.at 12. Jahrgang | Nr. 6/2011 | 45

16.11.2011 17:52:03 Uhr

Service Produktwelt Biometra

Biomol

Neue Analysesoftware für Der Vorteil monoklonaler Antikörper Gelelektrophorese-Gele aus Kaninchen – RabMAbs® Seit Oktober 2011 liefert die Biometra GmbH, ein Unternehmen des Analytik Jena-Konzerns, ihre bewährte BioDocAnalyze-Software für die Analyse von Elektrophorese-Gelen in grundlegend überarbeiteter Version aus.

Die modernisierte Software-Architektur ist auf die Verarbeitung von Bildern im 16-bitFormat für maximalen Informationsgehalt der Ergebnisse ausgelegt. Anwender profitieren vom Ausbau der Funktionsleiste mit selbsterklärenden Symbolen für alle häufig benutzten Funktionen. Die Kombination aus automatischer und halbautomatischer Detektion von Spuren und Banden und der Möglich-

Die RabMAbs® von Epitomics zeichnen sich durch eine wesentlich verbesserte Spezifität und Sensitivität aus. Diese Antikörper verbinden die Vorteile einer hohen Antigen-Erkennung des Kaninchen-Immunsystems mit der Spezifität monoklonaler Antikörper. Dadurch können erheblich mehr und schönere Western Blots oder Immunfärbungen als mit herkömmlichen Antikörper-Präparationen durchgeführt werden.

Der neue Epitomics-Herbstkatalog 2011 enthält 3.000 Antikörper, HRP- und DyLight®Konjugate sowie Sampler-Kits. Alle Antikörper werden mit der Epitomics RabMAb®Technologie hergestellt. Ergänzend werden ELISA-Kits und -Kontrollen angeboten. Der Katalog kann per Mail an info@biomol.de angefordert werden. Online sind mehr als

6.800 Epitomics-Antikörper in Deutschland bei Biomol erhältlich: www.biomol.de.

Vertrieb: Biomol GmbH Dr. Thomas Wiesemann Waidmannstraße 35 22769 Hamburg Tel.: +49(0)40-8532600 info@biomol.de www.biomol.de

Promocell

keit, mit direktem Zugriff auch manuelle Detektionen durchführen zu können, ermöglicht in Sekundenschnelle die präzise Auswertung auch individueller Gele. Bandendetektionen werden durch Einblenden der erfassten Grenzen nachvollziehbar dargestellt.

Ergebnisse von Größen-, Mengen und RfWert-Berechnungen werden wahlweise auf dem Gel eingeblendet oder in einer exportierbaren Tabelle abgebildet. Die simultane Darstellung von Intensitätsprofilen mehrerer Spuren und auch die Normalisierung von Daten auf Knopfdruck ermöglicht einen schnellen Vergleich von Probenauftrennungen in verschiedenen Spuren. Zusätzlich wurden die Möglichkeiten zum Verarbeiten und Editieren von Gelen deutlich ausgebaut: Künftig können Ausschnitte und Gele miteinander kombiniert, Beschriftungen in verschiedensten Formaten und Ausrichtungen erstellt und als Vorlagen gespeichert werden.

Die BioDocAnalyze-Software ist Bestandteil aller Computer-gestützten BiometraGeldokumentationssysteme (BDAdigital, BDAlive, BDAvideo). Sie ist aber auch separat zum Import von Gelbildern erhältlich, die mit Fremdsystemen oder dem Biometra-Standalone-System UVsolo TS aufgenommen wurden.

Biometra GmbH Dana Schmidt Tel.: +49-(0)3641-779-281, Fax: +49-(0)36 41-779-988 presse@analytik-jena.de www.biometra.com 46 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

46-48_LW6_11_Pis_bk.indd 46

Kultivierung und Transfektion primärer humaner Endothelzellen (HUVECs) PromoCell bietet eine Vielzahl primärer, humaner Zelltypen (sowie die entsprechend optimierten Kulturmedien) an – darunter auch Endothelzellen wie zum Beispiel HUVECs. Die Zellen (ca. 500.000 Zellen/Vial) werden kryokonserviert oder proliferierend angeboten und sind hinsichtlich zellspezifischer Marker, Zellmorphologie, Verdopplungszeit und Viabilität charakterisiert. Speziell die HUVECs sind von Einzelspendern oder „gepoolt“ erhältlich – beziehungsweise auch „pre-screened“ für Angiogenese-Studien.

Das Transfektionsreagenz PromoFectin ermöglicht einen hocheffizienten Transport von Nukleinsäuren in eine Vielzahl von adhärenten und nicht-adhärenten Zelltypen – mit oder ohne Mediumwechsel. Es zeigt eine extrem geringe Zytotoxizität und eine optimale Freisetzung der Nukleinsäuren

in den Zellen und ist daher für die Transfektion sehr empfindlicher und schwer zu transfizierender Zell-Linien und primärer Zellen geeignet. Das PromoFectin-HUVEC ist speziell für die optimale Transfektion von Endothelzellen entwickelt worden und hat deutliche Vorteile gegenüber liposomalen Transfektionsreagenzien oder Elektroporation. Weitere PromoFectin-Varianten für die Transfektion von Hepatozyten, neuronalen Zellen und Insektenzellen beziehungsweise den Transport von siRNA oder Proteinen in Zellen sind ebenfalls erhältlich.

Eine weitere Möglichkeit zur effizienten Transfektion von HUVEC-Zellen mit DNA oder siRNA bietet die „Magnet-Assisted Transfection“-Technologie (MATra), welche speziell für eine sehr schnelle und optimierte Zelltransfektion entwickelt wurde und mit zahlreichen – auch schwer zu transfizierenden – Zelltypen sehr gute Ergebnisse liefert.

Derzeit läuft bei PromoCell auch noch die Aktion „Buy 4, Get 5“ – mehr Informationen unter: www.promokine.info/promotion.

PromoCell GmbH Britta Carolyn Krause Sickingenstraße 63/65 69126 Heidelberg Tel.: +49-(0)6221-649 34-36 Fax: +49-(0)6221-649 34-40 www.promocell.com www.promokine.info LABORWELT

16.11.2011 17:54:45 Uhr

Service Produktwelt LI-COR

in.vent Diagnostica

Ausgereiftes ISO-zertifiziertes System zur Gewinnung neuer Biomarker

Neues Infrarot-ImagingSystem: Odyssey CLx

Mit Enhanced Biobanking stellt die in Hennigsdorf ansässige in.vent Diagnostica GmbH ein ISO-zertifiziertes System zur Gewinnung neuer Biomarker vor. Die besonderen Vorteile liegen in der gezielten Probengewinnung unter definierten prä-/analytischen Bedingungen und im IT-unterstützten sowie verlinkten Probenmanagement. So lassen sich nicht nur individuelle Protokolle über das Probenhandling anfertigen, auch das Erstellen einer umfassenden, projektorientierten Probendokumentation wird möglich.

Auf diese Weise können anschließend indikations-, parameter- oder matrixbezogene Kollektive genauer betrachtet werden.

Enhanced Biobanking bietet eine völlig neue Qualität in der Bereitstellung humaner Proben. Gerade wegen immer neuer Fortschritte auf dem Gebiet der Entdeckung und Entwicklung von Biomarkern steigt der Bedarf an nativen Proben. Mit Enhanced Biobanking lassen sich die vielfältigsten Ansprüche an Volumen, Informationen, Matrices, Parameter sowie Behandlung erfüllen. Das Enhanced Biobanking ermöglicht die effizi-

Das Odyssey CLx Infrarot-Imaging-System ist die neueste Ergänzung im Sortiment der Bildbearbeitungssysteme von LI-COR® Biosciences.

Das Odyssey CLx verfügt erstmals über die innovative Autoscan-Funktion, die Zeit spart und automatisch sofort das bestmögliche Bild generiert. Die Autoscan-Funktion bietet einen linear-dynamischen Bereich von mehr als sechs logarithmischen Stufen an, eliminiert die Bildsättigung und liefert sofort quantitative Daten. Bisherige Nachweisgrenzen werden so erweitert, und die Forscher erhalten sofort die besten Daten, ohne Einstellungen der Hard- oder Software optimieren zu müssen.

ente Durchführung klinisch-diagnostischer Studien im Bereich der in-vitro-Diagnostik und der personalisierten Medizin durch die ziel- und projektorientierte Bereitstellung humaner Proben. Seit 2009 ist in.vent nach DIN EN ISO 9001:2008 und nach DIN EN ISO 13485:2007 zertifiziert. Es verfügt über ein schlankes Qualitätsmanagementsystem, basierend auf einem prozessorientierten Ansatz. In.vent Diagnostica ist Mitglied im Berlin-brandenburgischen Verband Diagnostik Net | BB. in.vent Diagnostica GmbH Christiane Ewel Tel.: +49-(0)3302 55 199-23 Fax: +49-(0)3302 55 199-10 ch.ewel@inventdiagnostica.de www.inventdiagnostica.de

IKDT

Molekularer Service für Forschung und Klinik

Durch seine Serviceplattform Innovative Diagnostics bietet die IKDT GmbH durch seinen modernen Gerätepark Kunden den direkten Zugang zu drei innovativen Technologien mit zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten für individuelle Projekte in Forschung, molekularer Diagnostik oder für klinische Studien.

Die TaqMan Low-Density-Arrays (Firma Life Technologies) sind nach Nutzerwünschen konfigurierte Genkarten, welche die simultane, quantitative Messung von 12 bis 384 Genen, microRNAs oder SNPs in einer Probe für Expressionsstudien oder microRNA Profiling erlauben.

Die Luminex-Technologie (Firma Luminex) ermöglicht die Mikropartikel-basierte, hochparallele Messung von Zytokinen, Phosphoproteinen, immunologischen Profilen sowie LABORWELT

46-48_LW6_11_Pis_bk.indd 47

microRNA-Sets in geringsten Probenmengen.

Für diese Multiplex-ELISA können eigene oder kommerziell erhältliche Systeme für verschiedene Spezies (Mensch, Maus, Ratte) von verschiedenen Anbietern eingesetzt werden. Die GeXP Genanalyse-Technologie (Firma Beckman Coulter) basiert auf der Fragmentlängen-Unterscheidung durch Kapillarelektrophorese. Anwendungsgebiete sind SNP-Sequenzierungen, die Bestimmung von pluripotenten Stammzellen oder die Charakterisierung von Zellpräparationen durch Multiplex- oder STR-Genanalysen.

Das IKDT Labor ist seit 2003 durch das College of American Pathologists (CAP) nach den stringenten Richtlinien der amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) für seine kardiale Diagnostik akkreditiert. IKDT ist Mitglied im Berlin-brandenburgischen Verband Diagnostik Net | BB. IKDT GmbH Innovative Diagnostics Dr. Dirk Laßner Moltkestraße 31 12203 Berlin Tel.: +49-(0)30-8441-5540 Fax: +49-(0)30-8441-5555 info@innovative-diagnostics.eu www.innovative-diagnostics.eu

Das Odyssey CLx nutzt die neueste Version der LI-COR Image Studio Software. Es ist eine leicht zu bedienende Bildbearbeitungssoftware mit einer applikationsorientierten Funktionsleiste.

Das System basiert auf LI-CORs bewährter Infrarot-Technologie für die sensitive und quantitative Bildgebung. Das flexible Infrarot-ImagingSystem unterstützt zahlreiche Anwendungen, einschließlich quantitativer Western-Blots, Zell-basierter Assays, EMSAs, DNA-Färbung, Coomassie-Gelen, Protein Arrays, Gewebeschnitte, in-vivo-Imaging, Protein- und NukleinsäureNachweis und Mikrotiterplatten-Assays.

Das Odyssey CLx ist mit zwei Nah-Infrarot(NIR)-Laser/Detektionssystemen für die direkte Fluoreszenzdetektion ausgestattet. Durch den NIR-Wellenlängenbereich werden in Verbindung mit LI-CORs innovativer Detektionstechnologie sowohl Autofluoreszenz als auch Streulicht stark reduziert. Das Ergebnis ist ein exzellentes Signal-Rausch-Verhältnis und eine deutlich höhere Nachweisempfindlichkeit im Vergleich zu anderen Imaging-Systemen. LI-COR ist Mitglied im Berlin-brandenburgischen Verband Diagnostik Net | BB. LI-COR Biosciences GmbH Kristine Schwarz Tel.: +49-(0)6172-1717-771 Fax: +49-(0)6172-1717-799 bio-eu@licor.com www.licor.com/odysseyCLx 12. Jahrgang | Nr. 6/2011 | 47

16.11.2011 17:54:51 Uhr

Service Produktwelt Roche

Microdiscovery

Integrierte Diagnostik für kleine Labore

Biomarkersuche für die personalisierte Medizin mit dem ProfileDB Datenbank-System

Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der 454 Next-Generation SequencingTechnologie auf Basis der hochparallelen Pyrosequenzierung stehen nun erstmalig Leselängen wie in der Sanger-Sequenzierung zur Verfügung. Verbesserungen der Gerätefluidik, Software und Reagenzchemie ermöglichen nun eine modale Leselänge von über 700 bp und durchschnittlich ca. 700 Megabasen pro Lauf. Als kostengünstiges vor Ort-Upgrade für bestehende GS FLX Systeme oder als Neusystem ist das GS FLX+ System

Eine Voraussetzung für die Etablierung der personalisierten Medizin sind geeignete Biomarker.

Die Messung von umfangreichen Genomics-, Proteomics- und Metabolit-Datensätzen gehört inzwischen zum Alltag in der biomedizinischen Forschung. Aber erst die integrative Analyse von klinischen und -omics-Daten ermöglicht eine gezielte Biomarkersuche.

Für diese Herausforderung bietet das ProfileDB Datenbank-System der MicroDiscovery GmbH (Berlin) eine leistungsfähige Lösung, die sich bereits in einer Vielzahl von biomedizinischen Projekten bewährt hat. Hauptziel des Systems ist es, dem Anwender aus Medizin und Molekularbiologie einen direkten und intuitiven Zugang zu seinen Daten zu geben.

Dieser wird erreicht durch den Einsatz moderner Web-Technologien und leistungsstarker Analyse- und Visualisierungmethoden. Das Anwendungsspektrum reicht von der gezielten Identifikation von Biomarkern über den Vergleich von Gen-, Protein- und Metabolit-Messungen bis zur Analyse von klinischen Parametern im Rahmen von Korrelationsstudien. Leistungsfähige Algorithmen und die Einbindung externer Infor-

sowohl mit den neuen als auch bisherigen GS FLX Titanium-Kits kompatibel.

Die einzigartige Kombination aus langen Leseweiten, hohem Durchsatz und hoher Einzellesegenauigkeit des GS FLX+ Systems ermöglicht eine genauere und kostengünstigere Sequenzierungsanalyse für ein breites Anwendungsspektrum: Sowohl de novo-Assemblierungen kleiner, großer und komplexer Genome, Sequence Capture, Transkriptom- und Metagenom-Analysen profitieren von den langen GS FLX+ Reads.

Die Auf lösung langer Repeat-Regionen erhöht die Assemblierungsqualität und resultiert in längeren Scaffolds und Contigs.

In Kombination mit 454 Paired End-Reads (3 kb, 8 kb und 20kb) und Short Read-Daten optimieren die neuen langen Leseweiten in Hybrid-Ansätzen die Kosten für de novo- und Re-Sequenzierungsprojekte.

Durch die erhöhte Sensitivität und Spezifität bei der taxonomischen Zuordnung können Gene und Organismen in komplexen Metagenomen nun noch einfacher und genauer identifiziert und zugeordnet werden.

Roche Diagnostics Deutschland GmbH Dr. Sonja Vogel-Rohwer Sandhofer Straße 116 68305 Mannheim Tel.: +49-(0)621-759-8568 sonja.vogel-rohwer@roche.com www.454.com 48 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

46-48_LW6_11_Pis_bk.indd 48

mationsquellen ermöglichen die Identifikation der relevanten Pathways und Funktionen auch in komplexen Zusammenhängen. Die Ergebnisse werden in interaktiven Graphiken dargestellt, die es dem Benutzer ermöglichen, gezielt interessante Gruppen, Marker und Schlüsselmoleküle für die weiteren Analysen zu selektieren, zu speichern oder zu exportieren.

MicroDiscovery GmbH Dr. Dieter Beule Marienburger Straße 1 10405 Berlin Tel.:+49-(0)30-4435-0900 info@microdiscovery.de www.microdiscovery.de

Porvair

Hochwertige Gewebekultur-Kunststoffprodukte Seit vielen Jahren stellt Porvair Sciences Mikroplatten mit Gewebekultur für wissenschaftliche Anwendungen her. Nun hat das Unternehmen eine neue Reihe sorgfältig ausgewählter Gewebekultur-Kunststoffprodukte zum Laborgebrauch vorgestellt, die alle einer strengen Qualitätskontrolle unterliegen.

Dieses neue Sortiment von GewebekulturKunststoffprodukten entspricht den höchsten internationalen Standards für Materialqualität, optische Oberflächenpolitur, Gewebekulturverarbeitung, Sterilität und Packungssicherheit.

Porvair hat den globalen Markt intensiv untersucht, so dass nur die besten Kunststoff- und Verbrauchsprodukte für die Epigenetik mit Zubehör für Zell- und Gewebekulturen in die neue Produktreihe aufgenommen wurden. In den Testlabors in Großbritannien wurden umfangreiche Investitionen getätigt, um sicherzustellen, dass die Produkte von gleichbleibend hoher Qualität sind. Die Herstellung der neuen Produktreihe erfolgt in einem Reinraum der Klasse 100.000/ISO-Klasse V, der streng den Fertigungsstandards gemäß ISO 9001:2008 und EN ISO 13485:2003 entspricht. So sind alle Produkte frei von DNA/RNA, DNase/RNase und Pyrogen-Verunreinigungen. Die meisten Produkte sind auch mit Gamma-Strahlen sterilisiert erhältlich. Testberichte, in denen das Zellwachstum in Flaschen, Petrischalen, Platten, Röhrchen und Pipetten aus der neuen Produktpalette von Porvair mit GewebekulturKunststoffprodukten einer führenden Marke verglichen wird, sind auf www.epigeneticsexpress.com zum Download verfügbar.

Porvair Sciences Ltd. Dr. Bill Bradbury Tel.: +44-(0)208-546-0869 info@primetek-solutions.com www.porvair-sciences.com LABORWELT

16.11.2011 17:54:56 Uhr

lin nomo@

Service Kalender November 2011 – März 2012

Veranstaltungskalender 24.01.12 Synthetische DNA – Schreiben mit den Buchstaben des Lebens, Frankfurt am Main Info: DECHEMA e.V. (Web: www.dechema.de/dna)

28.11.11 Abschlussveranstaltung Nawaro-Nachwuchsgruppen, Berlin Info: FNR/BMELV (E-Mail: info@fnr.de, Web: www.fnr.de/nachwuchsgruppen2011) 29.11.-01.12.11 10th Annual World Drug Manufacturing Summit, Berlin Info: WTG events (Tel.: +44 (0)20 7202 7690, E-Mail: anne.shildrake@wtgevents.com, Web: www.wdmsummit.com/programme.asp) 29.11.-01.12.11 European Antibody Congress 2011, Genf (CH) Info: Sarah Pegden, Terrapinn (E-Mail: sarah. pegden@terrapinn.com, Web: www.terrapinn. com/2011/european-antibody-congress)

09.02-10.02.12 Crossroads in Biology – 4th International Symposium, Köln, Info: Universität Köln (Web: http://crossroads.uni-koeln.de)

13.–14. Februar 2012, Weihenstephan

Grundlagen der Fermentation Das Seminar vermittelt die notwendigen Kenntnisse, um für eine vorgegebene Aufgabenstellung einen geeigneten Fermenter und Zusatzeinrichtungen auszuwählen und unter optimalen Bedingungen zu betreiben.

Info: www.baytech-akademie.de 01.-03.12.11 Molecular Insights for Innovative Therapies, Heidelberg Info: EMBL (E-Mail: info@embomolmed.org, Web: http://events.embo.org/emm2011)

08.–09. Dezember 2011, Dortmund

Synthetische Biologie Die Biotrends 2011 steht unter dem Motto „Pharmaceutical BioEngineering – New Biotrends to Smarter Drugs“. Sie beschäftigt sich mit den Vorteilen und Herausforderungen der synthetischen Biologie für die Pharmaforschung. Themenschwerpunkte sind unter anderem die Gentherapie und das Tissue Engineering.

Info: www.biotrends.net 29.11.11 Local Heroes and Global Challenges, München Info: BioM Biotech Cluster Development GmbH (E-Mail: info@bio-m.org, Web: http://events.bio-m.org/munich_ biomarker_conference) 30.11.11 Der Prüfplan in Klinischen Studien; Die Fallzahlberechnung bei Klinischen Studien, Köln Info: Biocampus Cologne (Tel.: +49-221-2722-18-0, E-Mail: info@biocampuscologne.de, Web: www.biocampuscologne.de) LABORWELT

49_LW6_11_Termine_mak.indd 49

01.12.11 5. Kooperationsforum Drug Development, Würzburg Info: Dr. Borris Haupt, Bayern Innovativ (E-Mail: haupt@bayern-innovativ.de, Web: www.bayern-innovativ.de/ drugdevelopment2011)

16.-18.02.12 Omics and Personalised Health, Heidelberg Info: Bettina Schäfer, EMBL (E-Mail: events@embl.de, Web: www.embl.de/ training/events/2012/PRO12-01/index.html) 16.-18.02.12: Neuroblastoma 2012, Tübingen Info: Universitätsklinik, Tübingen (Web: www.neuroblastoma2012.com) 17.02.12: 5th Berlin Conference on IP in Life Sciences – Antibodies and Beyond, Berlin Info: Uta Holmer, BIOCOM AG (Web: www.biocom.de/events) 22.-23.02.12: 7 th Annual Biomarkers Congress, Manch0ester (UK) Info: Oxford Global Conference (Web: www.biomarkers-congress.com) 11.-14.03.12: Human Genome Meeting, Sydney (AUS) Info: HUGO (E-Mail: info@hgm2012.org, Web: www.hgm2012.org)

05.12.11 The Use of Zink Finger Nucleases for the Development of Next Generation Cell Lines and Animal Models, Heidelberg Info: EMBL (Web: www.embl.de/training/ events/2011/ZFN11-02) 07.-08.12.11 Rapid Microbiological Methods Conference, Berlin Info: CONCEPT Heidelberg GmbH (E-Mail: info@concept-heidelberg.de, Web: www.rmm-conference.org) 08.-09.12.11 Pharmaceutical BioEngineering – New Biotrends to Smarter Drugs, Dortmund Info: Dr. Frank Eiden, BioChemGate & ChemBioTec (Tel.: +49 231 755 7391, E-Mail: info@chembiotec.de, Web: www.biotrends.net)

15. Mai 2012, München

BioVaria zeigt Innovationen Zum fünften Mal öffnet die europäische BioVaria in München ihre Pforten. Wissenschaftler stellen hier rund 70 lizenzierbare Technologien vor. Erneut präsentieren auch Pharmafirmen ihre Lizenzwünsche.

Info und Anmeldung: www.biovaria.org 12. Jahrgang | Nr. 6/2011 | 49

18.11.2011 10:50:06 Uhr

Ausblick

Stammzellentscheidung des EuGH stoppt Forscher von Thomas Gabrielczyk, Redaktion LABORWELT Um einiges schärfer als erwartet, hat der Europäische Gerichtshof (EuGH) in Luxemburg definiert, was nach der Europäischen Biopatentrichtlinie 98/44 unter einem „menschlichen Embryo“ zu verstehen ist. Eine Definition hatte der deutsche Bundesgerichtshof vor zwei Jahren vom EuGH erbeten, nachdem das Bundespatentgericht 2006 das Patent DE: 197 56 864.5 des Bonner Neuropathologen Oliver Brüstle nach Klage des Greenpeace e.V. erheblich eingeschränkt und Brüstle dem im Mai 2007 vor dem BGH widersprochen hatte. Brüstles Patent betrifft die Differenzierung neuraler Vorläuferzellen aus pluripotenten humanen embryonalen Stammzelllinien zum Zwecke der Behandlung unheilbarer neurologischer Leiden.

Das Gericht befand jetzt, dass jede menschliche Eizelle, die natürlich oder künstlich befruchtet sowie durch Parthenogenese entstanden ist, als „menschlicher Embryo“ zu betrachten und alle Verfahren, bei denen ein humaner Embryo zerstört wird, von der Patentierbarkeit nach der Biopatentrichtlinie auszuschließen seien. Darunter fallen sämtliche Verfahren, die totipotente menschliche Embryonen als Ausgangsmaterial nutzen. Auch könne eine Verwendung zur wissenschaftlichen Forschung nicht von einer kommerziellen Nutzung unterschieden werden, so der EuGH, und sei damit nicht patentierbar. Vor der eigentlichen Frage, ob aus Blastozysten gewonnene Stammzelllinien die Basis für patentierte Verfahren sein dürfen, drückte sich der EuGH allerdings und spielte den Ball an die nationalen Gerichte zurück. Diese sollen nun entscheiden, ob Blastozysten imstande seien, „die Entwicklung eines Menschen in Gang zu setzen, und folglich unter den Begriff des menschlichen Embryos fallen“. Ähnlich wie führende deutsche Stammzellforscher befürchtet Brüstles Anwältin Clara Sattler de Sousa e Brito, dass das Urteil auch Folgen auf die ausdrücklich anwendungsorientierte EU-Forschungsförderung im Rahmen des 8 . Rahmenprogrammes haben muss .

Denn der Verwertungskanal für Stammzellerfindungen ist seit der Entscheidung in Europa geschlossen . Zwar gelten bereits erteilte Stammzellpatente weiter . Im Falle einer Nichtigkeitsklage sind die Ansprüche jedoch nach dem Referenzurteil des EuGH nicht mehr zu verteidigen . Auch die Beantragung neuer Patente ist nicht mehr möglich – ist Europa damit auf dem Weg zu weniger Transparenz in der Stammzellforschung und Heimlichtuerei, damit außereuropäische Konkurrenten die Forschungsergebnisse europäischer Gruppen nicht nutzen? Hier ist

ein forschungspolitisches Bekenntnis gefragt .

Denn wer Millionen Euro Steuergelder für die anwendungsorienterte Stammzellforschung ausschreibt und von Forschern einen Verwertungsplan einfordert, kann nicht den Finger heben und die Kommerzialisierung der Ergebnisse ethisch ächten .

Folgen noch nicht absehbar Noch sind die Folgen des Urteils nicht absehbar . Klar ist jedoch, dass Wissenschaftler sich umorientieren werden wo Hemmschwellen aufgebaut werden, wissenschaftliche Ergebnisse zu publizieren und damit öffentlich zu machen . In Deutschland laufen die Förderungen jetzt aus, und es kommt erst einmal wenig nach .

Impressum LABORWELT (ISSN 1611-0854) erscheint dreimonatlich im Verlag der BIOCOM AG Lützowstraße 33–36 10785 Berlin, Germany Tel./Fax: 030/264921-0 / 030/264921-11 laborwelt@biocom.de www.biocom.de Redaktion Dipl.-Biol. Thomas Gabrielczyk Tel.: 030/264921-50

Anzeigenleitung Oliver Schnell Tel. 030/264921-45, o.schnell@biocom.de Leserservice Angelika Werner, Tel. 030/264921-40 Graphik-Design Michaela Reblin Druck: Druckhaus Humburg GmbH, 28325 Bremen

www.laborwelt.de 50 | 12. Jahrgang | Nr. 6/2011

50_LW6_11_Ausblick.indd 50

Für einen regelmäßigen Bezug von LABORWELT ist eine kostenlose Registrierung unter www.biocom.de oder per Fax erforderlich.

Namentlich gekennzeichnete Beiträge stehen in der inhaltlichen Verantwortung der Autoren.

Alle Beiträge sind urheberrechtlich geschützt.

Ohne schriftliche Genehmigung des BIOCOM Verlages darf kein Teil in irgendeiner Form reproduziert oder mit elektronischen Systemen verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. © BIOCOM AG, Berlin

BIOCOM AG

Inserentenverzeichnis Analytik Jena AG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Astra Biotech GmbH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Beckman Coulter GmbH . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Berlin Partner GmbH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 BIO .NRW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . U3 BIOCOM AG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11, 31 Candor Bioscience GmbH . . . . . . . . . . . . . . . 15 Fördergesellschaft IZB mbH . . . . . . . . . . . . . 15 Graduate School Life Science . . . . . . . . . . . . 43 Hochschule Biberach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Kimberly Clark Professional . . . . . . . . . . . . . 37 Licor Biosciences GmbH . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 New England Biolabs GmbH . . . . . . . . . . . . U4 Norgenta GmbH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Porvair Sciences Ltd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Promocell GmbH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Protagen AG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 S4L - Science for Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 SOCOREX ISBA S .A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Vorschau Heft 1/2012

Themen

Zellbiologie & Aktuelles

Mit dem Start einer umfassenden LABORWELT-Online-Plattform, die die Printausgabe ergänzt, wird LABORWELT 2012 noch informativer und moderner . Im gedruckten Methodenjournal finden sich im neuen Jahr ein Haupt- und zwei aktuelle Themenschwerpunkte, begleitet von Expertenkommentaren und vielem neuen .

Das LABORWELT-Hauptthema Zellbiologie beleuchtet neue FACS-Anwendungen und Imagingverfahren sowie die Entdeckung, dass Makrophagen eine Rolle bei der adaptiven Immunantwort spielen .

Expertenpanel Zellkulturmedien

Werbekunden bietet diese Ausgabe eine optimale Plattform für ihre Produkt-und Imageanzeigen . Reservieren Sie Ihren Werbeplatz in der LABORWELT-Themenausgabe bis spätestens zum 02 . März 2012 . Ergänzend zum Thema „Zellbiologie“ lassen wir Experten zu aktuellen Entwicklungen im Anwendungssfeld „Zellkulturmedien“ zu Wort kommen . Informationen zu Ihrer möglichen Teilnahme gibt Oliver Schnell (Tel .: +49-30264921-45, E-Mail: o .schnell@biocom .de) .

LABORWELT

18.11.2011 10:51:33 Uhr

B

W

& e t i n g P R f ür di e ark o l M c h no gie in NR e t io

n

M

I n te r n a t ale & ion io n a t d un Ko n fe re l e a N sen nz s e e

Te c

Co

hn

ologie Trans

ng eru i z g n & Fina vo nB ps iotech Start-U ac

fe

r

& Bereits tel rche l he c andortdat ung Re on St en v

hin

Na

ch

wuc

hs f ö r der un

g

bio.nrw.de Busyness for Biotech.

BIO.NRW Cluster Biotechnologie Nordrhein-Westfalen katalysiert zentral die nachhaltige Entwicklung der Stärken der nordrhein-westfälischen Biotechnologie.

BIO.NRW aktiviert Kooperationen zwischen Forschung, Unternehmen, Investoren und Politik.

Tel.: +49 - 211 - 385469 - 9200 • E-Mail: bio.nrw@bio.nrw.de

51_LW6_11_BIONRW.indd 1

17.11.2011 11:10:44 Uhr

Ein PuffEr für 200 EnzymE

Restriktionsenzyme von New England Biolabs new England Biolabs bietet ihnen die größte Auswahl an restriktionsenzymen weltweit! unser optimiertes nEBuffer System garantiert eine unerreichte Enzymkompatibilität - 1 Puffer für 200 Enzyme - inklusive der bewährten Standardund der neuartigen High fidelity (Hf ™) Enzymvarianten: Hf ™ Enzyme sind funktionsoptimierte restriktasen mit dramatisch reduzierter Star-Aktivität und einer unerreichten Performance. restriktionsenzyme - nEB!

ihr Vorteil:

new England Biolabs seit 1975 weltweit die nummer 1 in restriktionsenzymen: NEB Restriktionsenzyme* gesamt (inkl. 23 HF-Enzyme)

4

250

6

166

Enzyme mit 100% Aktivität im gleichen Puffer

für 177 nEB Standard Enzyme sowie alle 23 Hf™ Enzyme garantiert der nEBuffer 4 eine 100% Aktivität im Einzel- oder Doppelverdau

276

r rekombinante Enzyme C Time-Saver qualifizierte Enzyme

4 nur 1 Puffer für 200 Enzyme:

C flexible reaktionszeiten:

Einsetzbar vom Time-Saver™ Verdau in nur 5 min bis zum übernachtverdau

E R

200

Enzyme mit 37°C Optimum

Hf Enzyme - Engineered for Performance!

Dramatisch reduzierte Star Aktivität: Hf Enzyme mit bis zu 62.500-fach erhöhter Genauigkeit

Günstiger Preis

209

*Zahlenangaben inkl. HF-, Homing- und Nicking Enyzmes

Cloning & Mapping

DNA AmplificAtioN & pcR

RNA ANAlysis

New England Biolabs GmbH, frankfurt/main Deutschland

pRotEiN ExpREssioN & ANAlysis

GENE ExpREssioN & cEllulAR ANAlysis

www.neb-online.de

Tel. 0800/246-5227 (kostenfrei in D) Tel. 00800/246-52277 (kostenfrei in A) fax. +49/(0)69/305-23149 email: info@de.neb.com

NEB_RE_buffer_deutsch_B_2011_a_21x29.indd 1 52_LW6_11_NEB.indd 1

16.11.201111.11.11 17:58:2709:15 Uhr