Bioprogrammierbare Materialien

Bioprogrammierbare Materialien
Bakterien werden mit intelligenten Funktionen versehen, beispielsweise für Anwendungen in den Bereichen der Biosensorik und des Wirkstofftransports.

Die Juniorforschungsgruppe Bioprogrammierbare Materialien erforscht ein junges multidisziplinäres Feld, das synthetische Biologie und Biomaterialien kombiniert. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung von Materialien mit genetisch programmierten Funktionalitäten, die für Biosensorik geeignet sowie in der Lage sind, auf Stimuli hin Medikamente langfristig freizusetzen und das Zellverhalten zu beeinflussen. Mit Werkzeugen aus der synthetischen Biologie werden Proteine und Mikroben so programmiert, dass sie intelligente und nützliche Funktionen erfüllen. Diese technisierten biologischen Gebilde werden dann in entsprechend entwickelte polymere Matrizen eingearbeitet. Das Ergebnis sind Kompositmaterialien mit sehr vielseitigen Funktionalitäten, einer großen Bandbreite an Steuerbarkeit und in situ-Kontrollmöglichkeiten.

FORSCHUNG

In der Gruppe Bioprogrammierbare Materialien kombinieren wir genetisch programmierte lebende Organismen wie Bakterien mit polymeren Matrizen wie Hydrogelen, um intelligente Verbundmaterialien zu erzeugen, die als technische lebende Materialien (ELMs) bezeichnet werden. Unsere ELMs sind für eine Reihe von biomedizinischen Anwendungen wie Biosensorik und Arzneimittelabgabe durch Innovationen sowohl in den lebenden als auch in den nicht lebenden Komponenten konzipiert:

    Stimuli-responsive Drug-Sekretion in Bakterien

    Bakterien sind ein wesentlicher Bestandteil des Mikrobioms des Körpers, wobei mehrere einheimische und probiotische Arten dem Menschen natürliche gesundheitliche Vorteile verleihen. Bakterien werden auch in der pharmazeutischen Industrie in großem Umfang als Biofabriken zur Herstellung einer Vielzahl von Arzneimitteln eingesetzt. Unsere Forschung vereint diese beiden Merkmale, indem sie medizinisch relevante Bakterien wie E. coli, Lactobacilli und Corynebacterium entwickelt, um therapeutische Moleküle direkt im Körper dort zu produzieren und abzusondern, wo sie benötigt werden. Da die Bakterien auf natürliche Weise im Körper gedeihen, kann eine langfristige Freisetzung des Arzneimittels aufrechterhalten werden. Wir entwickeln die Bakterien so, dass sie antimikrobielle, entzündungshemmende und regenerative Medikamente in Form von Peptiden, Proteinen und enzymatisch synthetisierten Biomolekülen zur Behandlung chronischer Krankheiten produzieren und freisetzen.

    Aufgrund von Unterschieden in Patientenprofilen und Krankheitsverläufen ist es äußerst wünschenswert, die Aktivität dieser therapeutischen Bakterien zu personalisieren und anzupassen, um ihre Wirksamkeit sicherzustellen. Dafür entwickeln wir genetische Module, die es externen Reizen ermöglichen, die Wirkstofffreisetzung „anzuschalten“. Stimuli wie Licht, Wärme und kleine Moleküle ermöglichen die Fernsteuerung der Bakterien, und Stimuli wie Krankheitsbiomarker ermöglichen die Autoregulation der bakteriellen Aktivität als Reaktion auf das Fortschreiten der Krankheit. Stimuli-responsive genetische Module werden ebenfalls als zusätzliche Ebene der Biosicherheit entwickelt, um sicherzustellen, dass Bakterien nicht außerhalb ihrer beabsichtigten Implantatumgebung überleben. Während viele der von uns verwendeten genetischen Module für E. coli entwickelt wurden, statten wir auch probiotische Bakterien wie Laktobazillen und Corynebacterium mit ähnlichen Funktionen aus – eine Herausforderung, die durch die Erweiterung des Spektrums an ELM-fähigen Organismen und Funktionen erhebliche Belohnungen verspricht.

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    Graphical interpretation of a stimuli-responsive drug-releasing bacterial biofactory

    Neuste Veröffentlichungen:

    Hydrogele für die bakterielle Einkapselung und Werkzeuge zum Verständnis des bakteriellen Verhaltens in Gefangenschaft

    Damit die therapeutischen Bakterien eine Krankheit behandeln können, müssen sie den Krankheitsort besiedeln und eine Population aufbauen, die groß genug ist, um wirksame Arzneimitteldosen bereitzustellen. In Zusammenarbeit mit der Gruppe „Dynamische Biomaterialien“ entwickeln wir Hydrogelmatrizen, die günstige Umgebungen für das Wachstum und die Funktion der Bakterien bieten. Diese Hydrogele wurden entwickelt, um die Größe der enthaltenen Bakterienpopulation mechanisch zu kontrollieren und gleichzeitig ihre Funktionalität zu maximieren. Das Hydrogel-Netzwerk ermöglicht die Diffusion von Nährstoffen, Metaboliten und Arzneimitteln in die und aus der Matrix, verhindert gleichzeitig das Entweichen von Bakterien und bietet Schutz vor Immunzellen. Die Materialkomponente bietet daher ein zusätzliches Maß an Biosicherheit für die Verwendung von gentechnisch veränderten Bakterien im Körper. Im Rahmen dieser Forschung haben wir festgestellt, dass bestimmte mechanische Eigenschaften der Hydrogele das Wachstum und den Stoffwechsel der darin enthaltenen Bakterien beeinflussen, ähnlich wie dies in natürlichen Biofilmen der Fall ist. Dies wiederum wirkt sich auf die Leistungsfähigkeit der Bakterien in Bezug auf Reizreaktion und Arzneimittelproduktion aus. Daher untersuchen wir das in Hydrogelen eingeschlossene bakterielle Verhalten, ganze mechanische Eigenschaften können eingestellt werden. Dabei entwirren wir das Zusammenspiel zwischen kollektivem bakteriellem Verhalten und sie umgebenden mechanischen Kräften. Abgesehen davon, dass es uns ermöglicht, die Leistung unserer konstruierten lebenden Materialien zu optimieren, dient es auch als künstliche Biofilmplattform, um grundlegende Einblicke in das potenzielle Verhalten von Bakterien in verschiedenen Bereichen natürlicher Biofilme zu gewinnen. Wir verwenden Mikroskopie, biochemische und genetische Assays, um das Wachstum und das Stoffwechselverhalten der Bakterien im Laufe der Zeit zu bestimmen.

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    Neuste Veröffentlichungen:

    • Bhusari, S.; Sankaran, S.; del Campo, A. Regulating Bacterial Behavior within Hydrogels of Tunable Viscoelasticity. Advanced Science 2022, 9 (17), 2106026. https://doi.org/10.1002/advs.202106026.
    • Bhusari, S.; Kim, J.; Polizzi, K.; Sankaran, S.; Campo, A. del. Encapsulation of Bacteria in Bilayer Pluronic Thin Film Hydrogels: A Safe Format for Engineered Living Materials. bioRxiv – https://doi.org/10.1101/2022.09.29.510162.

    Kooperationen:

    Diese Forschungsanstrengungen sind auch Teil mehrerer Kooperationen innerhalb zweier Konsortien – (i) Leibniz Wissenschaftscampus – Living Therapeutic Materials (LSC LifeMat) und (ii) Sonderforschungsbereich on Physikalische Modellierung von Nichtgleichgewichtsprozessen in biologischen Systemen (SFB 1027).

    Finanzierung:

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    Innovative Elektronenmikroskopie 3

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