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Biomimetisches Modellsystem der Zellwand von Archaeen

Projektleitung
Schuster Bernhard, Projektleiter/in
Laufzeit:
01.10.2016-30.09.2021
Programm:
Einzelprojekte
Art der Forschung
Grundlagenforschung
Projektpartner*innen
University of Vienna, Wien, Österreich.
Funktion des Projektpartners: Partner
Mitarbeiter*innen
Nagy Kinga, Projektmitarbeiter/in (bis 21.11.2019)
Pfeifer Kevin, Projektmitarbeiter/in (bis 31.07.2021)
Beteiligte BOKU-Organisationseinheiten
Institut für Synthetische Bioarchitekturen
Gefördert durch
Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) , Sensengasse 1, 1090 Wien, Österreich
Abstract
Archaeen sind eine der ältesten Lebensformen die auf der Erde existieren. Diese einzelligen Organismen leben oft in extremen Biotopen. Viele Vertreter der Archaeen besitzen die Fähigkeit bei sehr hohen Temperaturen (d.h. über 80 °C), sehr niedrigen oder hohen pH-Werten, hohen Salzkonzentrationen oder hohen Drücken zu leben. Da bei vielen Archaeen die Zellhülle nur aus einer sehr dünnen Fettschicht (Lipidmembran), die von einer kristallinen Proteinschicht umhüllt wird, besteht, stellt sich die Frage wie die Natur diese hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Umweltbedingungen bewerkstelligt.
Das Projekt „Herstellung und Charakterisierung von künstlichen archaealen Zellhüllen und deren Bedeutung als Modellmembran“ beschäftigt sich mit der Isolierung der biologischen Bausteinen (Lipide und Proteine) und dem Nachbau künstlicher Zellhüllen daraus. Es soll die Frage geklärt werden wie die Selbstorganisation der Etherlipide und der Oberflächenproteine im Detail abläuft. Zudem geht das Projekt der Frage nach welche Eigenschaften der Biomoleküle selbst und deren Verankerung untereinander zu den makroskopischen Zellhüllen mit erstaunlicher Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Biotopbedingungen führen. Zu diesem Zweck werden erstmals ausgewählte Stämme von Archaeen im Bioreaktor gezüchtet und daraus die Grundbausteine, das sind Oberflächenproteine und Fette (sogenannte Etherlipide), isoliert. Zusätzlich können die Oberflächenproteine auch genetisch hergestellt und verändert werden. So können Ankergruppen in das Protein eingefügt werden um dann spezifisch an die Etherlipide binden zu können. Dies ist ein neuer Ansatz den noch keine Forschergruppe zuvor versucht hat. Durch Anwendung des Bauprinzips, das in der Natur zu beobachten ist, werden Schicht für Schicht die Zellhüllstruktur von Archaeen nachgebaut. Dabei wird jeder Schritt mittels modernsten mikroskopischen und Oberflächen-sensitiven Techniken verfolgt und analysiert werden. Es kommen dabei neben hochauflösender Licht- und Fluoreszenzmikroskopie auch ein Elektronen- und ein Rasterkraftmikroskop als bildgebende Methoden zum Einsatz. Als wichtigste Oberflächen-sensitive Methoden seien die Oberflächenplasmonenresonanz Spektroskopie und die Schwingquarzmikrowaage mit Dissipationsmessung genannt. Diese Methoden dienen zur Bestimmung der Morphologie, Schichtausbildung, Dicke (im Nanometerbereich) und Beschaffenheit der Schichten.
Aus den Ergebnissen dieses Projektes können wertvolle Erkenntnisse bezüglich der Isolierung und vor allem der Selbstorganisation von Zellwandbausteinen gewonnen werden. Aus diesem Wissen heraus können Oberflächenbeschichtungen mit sehr spezifischen Eigenschaften (z.B. antihaftend oder selbst-reinigend) hergestellt werden. Als weitere Einsatzgebiete sind biomimetische Membransysteme zu nennen, mit denen man die Zellwände der Archaeen studieren und modellieren kann. Letztere haben aber auch ein großes Potential um als Modellsysteme zu dienen, in denen man Membran-aktive Peptide und Membranproteine einbauen und systematisch untersuchen kann. Damit könnte es auch möglich sein hoch sensitive Diagnose- und Sensorsysteme zu entwickeln.
Schlagworte
Biophysik; Mikrobiologie; Bionik (211905); Nanobiotechnologie;
Biomimetik und künstliche Bioarchitekturen; Nanobiotechnologie; Selbst-Assemblierung von archaealen S-Schichtproteinen; S-Schichtproteine und Etherlipide von Archaeen; Zellwandstruktur von Archaeen;
Publikationen

Rittmann, SK-M; Pfeifer, K; Palabikyan, H; Ergal, I; Schuster, B (2021): Archaea in der Biotechnologie.

BioSpektrum, 27, 96-99; ISSN 0947-0867 FullText FullText_BOKU

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Schuster, B. (2019): Generation and characterization of artificial archaeal cell envelope structures and their relevance as model membrane platforms.

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* Abby, SS; Melcher, M; Kerou, M; Krupovic, M; Stieglmeier, M; Rossel, C; Pfeifer, K; Schleper, C; (2018): Nitrosocaldus cavascurensis, an Ammonia Oxidizing, Extremely Thermophilic Archaeon with a Highly Mobile Genome..

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** Mauerhofer, LM; Reischl, B; Schmider, T; Schupp, B; Nagy, K; Pappenreiter, P; Zwirtmayr, S; Schuster, B; Bernacchi, S; Seifert, AH; Paulik, C; Rittmann, SKMR Physiology and methane productivity of Methanobacterium thermaggregans.

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* Schuster, B (2018): S-Layer Protein-Based Biosensors.

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Schuster, B. (2018): Generation and characterization of artificial archaeal cell envelope structures and their relevance as model membrane platforms .

Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung - FWF, 1

Damiati, S; Haslam, C; Kodzius, R; Awan, SA; Schuster, B (2018): Exploiting Natural Nanomaterials in Biosensor Technology.
[11th International Conference on Advanced Nanomaterials (ANM), Aveiro, Portugal, JUL 18 - 20, 2018]

In: ANM (Hrsg.), ANM2018

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Schuster, B (2018): S-layer protein lattice as a key component in biosensor development.
[4th International Conference on Electrochemistry, Rome, Italy, 11.06.2018 - 12.06.2018]

In: Conference Series Ilc LTD, UK (Hrsg.), Proceedings of 4th International Conference on Electrochemistry

Schuster, B (2018): S-layer protein-based biosensors.
[European Congress on Biotechnology ECB2018, Geneva, Switzerland, JUL 1 - 4, 2018]

In: European Federation of Biotechnology EFB (Hrsg.), European Congress on Biotechnology, p. 63 FullText

Schuster, B (2017): Generation and characterization of artificial archaeal cell envelope structures and their relevance as model membrane platforms .

FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung, 1

Schuster, B (2016): Generation and characterization of artificial archaeal cell envelope structures and their relevance as model membrane platforms .

FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung, 1

Vorträge

Czernohlavek, C; Schuster, B (2018): Formation of hybrid polymer/lipid membranes on a crystalline protein lattice.

306th International Conference on Nanoscience, Nanotechnology and Advanced Materials (IC2NM), JAN 22-23, 2018, Venice

PFEIFER, K; ZINK, I; WIMMER, E; SCHLEPER, C (2018): Phenotype characterization of a SlaB knock-down in Sulfolobus sulfataricus .

12th International Congress of Extremophiles, SEP 16-20, 2018, Ischia, ITALIEN

Damiati, S; Zayni, S; Küpcü, S; Sinner, EK; Sleytr, UB; Schuster, B (2017): Bioinspired Nanoscale Sensors for Diagnostic and Pharmaceutical Applications.

The 8th International Congress Nanotechnology in Medicine and Biology, MAR 20-22, 2017, Krems

Damiati, S; Zayni, S; Sleytr, UB; Schuster, B; Sinner, EK (2017): Integration of VDAC protein into 2D-Protein-Lipid Membrane.

International workshop on biosensors for dementia, JUN 13-14, 2017, Plymouth

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