Biologische Systeme:

Einzeller & multizelluläre Organismen (Pro- und eukaryotische Mikroorganismen bis zu Höheren Pflanzen)

Zelluläre Ebene – Organellen & Zellkompartimente

Molekülverbände & Einzelmoleküle Bioanalytik – Nukleinsäure- und Proteinanalysen

Nutzung von Experimentalsystemen der Pflanzenwissenschaften, um komplexe organismische und zelluläre Leistungen zu verstehen. Stichworte: Komplexität der Genregulation, Signaltransduktionswege, Struktur & Funktion von Proteinkomplexen, Molekulare Physiologie, ´Metabolic Engineering´, Einsatz molekulargenetischer Erkenntnisse in biotechnologischen Verfahren

SP Molekulare Biologie & Biotechnologie der Pflanzen & Mikroorganismen

Beteiligte Lehrstühle:

LS Allgemeine und Molekulare Botanik

LS Pflanzenphysiologie

LS Biologie der Mikroorganismen

LS Biochemie der Pflanzen

Medizinisches Proteomcenter

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

Methodisch-technische Grundlagen:

•  Transgene Mikroorganismen und Pflanzen

•  Molekulargenetische Verfahren (´Genetic engineering´)

•  Synthese rekombinanter Proteine - Struktur und Funktionsanalysen

•  HPLC, MALDI-TOF, Massenspektrometrie, CD-Spektroskopie, SPR

•  Massenfermentation

•  Real-Time PCR, Array-Systeme, Bioinformatik (Transcriptomics, Proteomics, Lipidomics)

•  Fluoreszenzmikroskopie

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

Mit dem Schwerpunkt assoziiert : Christian Doppler Labor für "Biotechnologie der Pilze"

Protein Research Department

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (Grünalgen in modularen Lebenserhaltungssystemen)

EU-Projekt "CyanoFactory" (Solar biofuel production with (photo)synthetic cell factories)

Mehrere nationale Verbundvorhaben (Membranproteomics; Biowasserstoffproduktion; Mitochondriale Netzwerke von Signalwegen bei der Alterung & der Lebensspannenkontrolle)

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

Methoden: •  Experimentalsysteme:

Bakterien, Algen, Hefen & Hyphenpilze

•  Mikrobiologische Grundtechniken: Steriles Arbeiten, Optimierung von Anzuchtmedien

•  Molekulargenetische Techniken: Herstellung und Analyse transgener Algen und Pilze à Funktionsanalyse von Genen

•  Biochemische Techniken: Isolation und Charakterisierung von Multiproteinkomplexen

•  à Kenntnis von zellulären Signaltransduktionsnetzwerken

•  „Functional Genomics“: Genomics, Transcriptomics, Proteomics à Parallelanalyse der Genexpression

•  Zellbiologische Techniken: Fluoreszenzmikroskopie à Kenntnis zelldynamischer Prozesse

Lehrstuhl für Allgemeine & Molekulare Botanik Prof. Dr. Ulrich Kück http://www.ruhr-uni-bochum.de/allgbotanik/ Projekte : Molekulare Entwicklungsbiologie von Algen und Pilzen

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

Christian Doppler Labor für "Biotechnologie der Pilze" http://www.ruhr-uni-bochum.de/cd-labor/

•  Projekte: Molekulargenetik biotechnologisch relevanter Pilze

•  Frage: Was sind die genetischen Grundlagen bei mikrobiellen Hochproduzenten? Wie werden Biosynthesen von Sekundärmetaboliten genetisch reguliert?

•  Ziel: Gerichtete Änderung der Genexpression (und Proteinbiosynthese) durch "genetic engineering"

•  Organismen: Pilze die Pharmaprodukte produzieren,

wie z.B. Penicillin (ß-Lactamantibiotikum), Cyclosporin A (Immunosuppressivum), Statine (Cholesterinsenker, z.B. Lovastatin), usw.

•  Methoden: „Functional Genomics“, Veränderung von Genom,

Transcriptom und Proteom von biotechnologisch relevanten Hyphenpilzen

Lehrstuhl für Allgemeine & Molekulare Botanik

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

www.rub.de/ngkourist/index.html.de CH3

Ar CO2HCO2H

CH3

Ar CO2HH

CO2

Hochdurchsatz-Screens

Aktives Zentrum einer Decarboxylase

Nachwuchsgruppe Mikrobielle Biotechnologie: Jun.-Prof.Dr. Robert Kourist

Fragestellungen:

•  Optimierung von Enzymen zur Herstellung hochwertiger Pharmastoffe

•  Entwicklung umweltschonender Verfahren zur stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe

Methoden:

•  Gerichtete Evolution – zufallsbasierte Mutagenese kombiniert mit Hochdurchsatz-Screens

•  Rationales Protein Design – zielgerichtete Optimierung von Enzymen auf Basis von Computer-Simulationen

Zentrale Fragestellung : Evolutionäre Anpassung: Wie sind molekulare Prozesse verändert?

Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie (www.rub.de/pflaphy) Ökologische Funktionelle Genomik, Prof. Dr. Ute Krämer

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

Cd, Zn

Arabidopsis halleri

Modell: Schwermetalltoleranz und Schwermetall-Hyperakkumulation

Millionen Jahre her

Arabidopsis thaliana

Vergleich Methodik: Ø „Next-generation sequencing“ (RNA-Seq, gDNA) Ø Quantitative PCR

(Transkriptmengen und Genkopienzahlen) Ø RNA-Interferenz („Silencing“ von Kandidatengenen) Ø Hydrokultur Ø Multi-Elementanalytik Ø Arbeiten am natürlichen Standort

(z.B. Siegerland, Harz)

Zentrale Fragestellung : Wie passen Pflanzen sich an die Verfügbarkeit von Nährstoffen an?

Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie Pflanzliche Metall-Homöostase-Netzwerke, Prof. Dr. Ute Krämer

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

Modell: Nährstoffe Eisen, Zink, Kupfer (oft limitierend); „analoge“ Toxine z.B. Cadmium

Methodik: Ø Vorwärts und reverse Genetik Ø Molekularbiologie (transgene Pflanzen) Ø Zellbiologie Ø Quantitative RT-PCR Ø Pflanzenphysiologische Assays Ø Multi-Elementanalytik Ø Heterologe Expression/Funktionelle

Komplementation

Vom Modellorganismus…

Gerste

… zur menschlichen Ernährung:

Arabidopsis

•  Steuerung Proteintransport zu den versch. Kompartimenten des Chloroplasten (beteiligte Proteine, Energieversorgung, Regulation?) •  Transport eines Makromoleküls durch eine "undurchlässige" Membran?

Zentrale Fragestellung : Proteintransport-Mechanismen in Chloroplasten höherer Pflanzen

Methoden: •  Molekularbiologische Techniken: PCR, Klonierungen, Southern & Northern Blots etc. •  Proteinchemische Techniken: Proteinüberexpression in Bakterien, in vitro Translation von Proteinen; Protein-Protein-Interaktionen •  Pflanzenspezifische Techniken: Chloroplastenisolation und Fraktionierung, in vitro Import Assays, Arabidopsis-Mutanten

Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie (www.rub.de/Danja Schuenemann/) AG Molekularbiologie pflanzlicher Organellen, Prof. Dr. Schünemann

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

Lehrstuhl für Biologie der Mikroorganismen Prof. Dr. Franz Narberhaus (www.rub.de/mikrobiologie)

•  Temperaturmessung durch RNA-Thermometer (Kontrolle der Translation durch Aufschmelzen der Ribosomenbindestelle)

•  Kleine regulatorische RNAs in Agrobacterium tumefaciens •  Regulierte Proteolyse in E. coli •  Phosphatidylcholin bei der symbiontischen & pathogenen

Bakterien-Pflanzen-Interaktion •  N2-Fixierung und Molybdän-Stoffwechel im phototrophen

Bakterium Rhodobacter capsulatus (Dr. Bernd Masepohl)

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

Methoden: Genetik (Mutationen, Reportergen-Fusionen) Biochemie/Strukturbiologie (RNA-Strukturkartierung) Bioinformatik (Suche nach neuen regulatorischen RNAs) Proteomics (Einfluss von Antibiotika)

Biochemie / Molekularbiologie Mutanten, Reportergenfusionen Enzym-Aktivitätstests Abs.- & Fluoreszenz-Spektroskopie Mikroskopie

Globale Ansätze Proteomik (2D-Gele, Massenspektrometrie) Lipidomik Mutanten-Screening

Wie wirken Antibiotika und technische Plasmen? Charakterisierung von Angriffsorten und Wirkmechanismen, physiologische Auswirkungen, Reaktion der Bakterienzelle

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

Lehrstuhl für Biologie der Mikroorganismen AG Mikrobielle Antibiotikaforschung, Prof. Dr. Julia Bandow

Methoden :

AG Redox Proteomics Prof. Dr. Lars Leichert (www.medizinisches-proteom-center.de)

Funktionelle Metagenomik •  Entdeckung neuartiger Enzyme & Biokatalysatoren für die Biotechnologie •  Erschliessung der mikrobiologischen Vielfalt

Methoden:

•  Synthetische Biologie •  Massenspektrometrie •  Protein-Biochemie •  Genetik •  Mikrobiologie •  Bioinformatik •  Metagenomik

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

Stammbaum Thioredoxine im

marinen Metagenom

wildty

pe

Δdsb

A

Δdsb

A +

GOS_269

9315

from

plas

mid

Redox- Biochemie

0

20

40

60

80

100

0.001 0.01 0.1 1 10 100

∆E°= -107 mV

% o

xidi

zed

mM oxidized Glutathion

OxRed

Phenotypische Assays

Phylo- Genetik

Lehrstuhl für Biochemie der Pflanzen: Prof. Dr. Matthias Rögner (www.bpf.rub.de)

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

Fragestellungen: 1) Bioenergetik der Photosynthese

•  Struktur, Funktion, Biogenese und Regulation von Komponenten der photosynthetischen und respiratorischen Elektronentransportkette der Cyanobakterien (3D Kristallisation; NMR – Coop. Prof. R. Stoll)

•  Dynamik energietransduzierender Membransysteme in Cyanobakterien (Spektroskopie coop. MPI MH; Membranproteomics & Lipidomics)

2) Biotechnologie der Photosynthese : Designzelle für Biowasserstoffproduktion

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

Modellorganismus (Cyanobacterium)

Design- proteine

Semiartifizielles System

Zelluläres System

Methoden: •  Isolierung & Charakt.

Membranprotein-mutanten •  Elektrochemie der

"Biobatterie" (RESOLV & Koop. Prof. Schuhmann)

•  Design & Entwicklung neuer Photobioreaktoren; kont. Reaktorsysteme

Lehrstuhl für Biochemie der Pflanzen: AG Photobiotechnologie – Prof. Dr. Thomas Happe

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

Fragestellungen: •  Biogenese, Struktur & Funktion von Hydrogenasen u.a. O2-empfindlichen

Redoxenzymen in Mikroalgen •  Proteindesign von Hydrogenasen für biotechnologische Anwendungen •  Anaerobe, NO-abhängige Signaltransduktionswege

Methoden:

•  Molekularbiologie •  Transcriptomics •  Anaerobes Arbeiten •  Spektroskopie •  Elektrochemie •  Biochemie •  Strukturchemie •  Directed Evolution

SP Molekulare Botanik & Mikrobiologie

Lipidstoffwechsel Hefe

Nachwuchsgruppe Biotechnologie & Proteomik PD Dr. Ansgar Poetsch (www.bpf.rub.de)

Fragestellungen:

•  Entwicklung von Methoden zur Bestimmung des Protein- & Metabolitprofils (u.a. für Altersforschung)

•  Analyse und Veränderung des Stoffwechsels von Mikroorganismen zur Herstellung von Feinchemikalien

Methoden:

•  Massenspektrometrie: Lipidomik & Proteomik

•  Mikrobiologie: Kultivierung, Klonierung, Mutagenese

•  Biochemie: Enzym-/Protein-Assays

•  Bioinformatik: Datenprozessierung/-analyse, Stoffwechselmodellierung

L-Lysin Produzent Corynebacterium

glutamicum