Synthetische Biologie

Was ist Synthetische Biologie?

Die Synthetische Biologie ist ein hoch interdisziplinärer relativ neuer Forschungszweig, der sich an der Schnittstelle zwischen Molekularbiologie, Chemie und den Ingenieur- und Materialwissenschaften etabliert[1]. Primär nach ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien ausgerichtet, werden in der Synthetischen Biologie bekannte biologische Einheiten verändert, neu kombiniert oder umprogrammiert und so für definierte Zwecke in lebenden Systemen nutzbar gemacht.

Die Synthetische Biologie bietet somit ein enormes Potential für verschiedenste Anwendungen und wird bereits jetzt zur Verbesserung von Diagnostika und Medikamenten, zur Generierung von Biosensoren, zur Produktion neuartiger Biomaterialien und Biobrennstoffe und zur Optimierung pflanzlicher Eigenschaften eingesetzt. Die große Stärke dieser neuen Forschungsdisziplin liegt in der versatilen Natur lebender Zellen, die einfache Zucker, Fette und Eiweiße auf verschiedenste Weise verstoffwechseln oder synthetisieren und damit zu enormen Produktionsfabriken werden können. Durch gezielte Steuerung der Zellen mittels funktionalisierter Materialien können ganze Zellverbände spezifisch reprogrammiert und damit zum Nutzen für die Umgebung verändert werden.

Darüber hinaus ermöglichen die mittels Synthetischer Biologie generierten Werkzeuge, wie z.B. funktionalisierte Partikel oder durch Licht steuerbare Zellen, einen neuartigen und innovativen Zugang zu zentralen Fragen der biologischen Grundlagenforschung.

[1] dfg.de/dfg_magazin/forschungspolitik_standpunkte_perspektiven/synthetische_biologie/index.html

Wissenschaftliche Exzellenz

Der FB 02 hat sich in den vergangenen Jahren in einen ausgesprochen leistungsstarken Bereich an der Universität Bremen entwickelt. Die Mitglieder des FB 02 publizieren in international renommierten Journalen und haben bereits in nationalen und internationalen kompetitiven Verfahren Verbundprojekte eingeworben und erfolgreich geleitet. Allein die Einwerbung von vier ERCs Grants durch drei Frauen ist ein Alleinstellungsmerkmal sein. Es ist das Ergebnis einer effizienten und auf Nachhaltigkeit angelegten Gleichstellungspolitik der Universität Bremen und spiegelt das hohe Niveau der molekularbiologischen Forschung an der Universität Bremen.

Infrastrukturelle Stärken

 

Bildgebung

Der FB 02 hat in den vergangenen Jahren hochauflösende state-of-the-art Methoden für die Bildgebung und Untersuchung hochkomplexer Metabolitprofile mittels Massenspektrometrie etabliert. Die Kombination der Technologien bildet eine wichtige infrastrukturelle Basis für die Entwicklung der Synthetischen Biologie.

Am FB2 wurde ein nicht-invasives Bildgebungsverfahren mittels Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) etabliert. Hier werden neuartige Kontrastmittel für funktionelle in vivo-Bildgebung getestet. Die Technologie ermöglicht die Beobachtung, Charakterisierung und Beeinflussung komplexer zellulärer Wechselwirkungen im lebenden Organismus. MRT-Analysen aus Geweben werden mit MALDI-Bildgebung kombiniert, um 3D-Datensätze für die Analyse der Verteilung von spezifischen Signalen zu schaffen. Hier arbeiten Studierende der Neurowissenschaften und der Molekularbiologie synergistisch zusammen, um Signaleigenschaften zu analysieren.

Datenanalyse bildgebender Verfahren

In Kooperation mit der Technomathematik (FB 3) hat der FB 02 eine DFG-geförderte MALDI Imaging Core Facility etabliert. MALDI-Imaging-Massenspektrometrie (MALDI-Imaging), ist eine der vielversprechendsten innovativen Messtechnologien in der Biochemie. Sie ermöglicht die komplette Molekulargewichtsverteilung über die Gesamtoberfläche eines Gewebsschnittes gleichzeitig und ohne die Notwendigkeit für chemische Markierungen oder Antikörpern zu visualisieren. Eine solche molekulare Histologie mittels Massenspektrometrie basierter Bildgebung ermöglicht eine neue Dimension der Charakterisierung von Zellen und Geweben.

Darüber hinaus lassen sich mit der neuartigen Methode organismische, zelluläre und auch pharmakologische Interaktionen sowie Wechselwirkungen mit verschiedenen Materialien darstellen. Die Technomathematik hat neue EDV-Programme für die Analyse der komplexen 3-dimensionale Messdaten entwickelt (EU Projekt 3D Massomics: FB 03 und FB 02). Solche Programme sind für große Mengen von Daten von besonderer Bedeutung. Studenten der Technomathematik und Biologie arbeiten schon jetzt zusammen und entwickeln Modelle, um komplexe biologische Mechanismen zu analysieren. Dadurch wird eine Plattform für die Analyse von großen biologischen Datensätzen immer weiter entwickelt und verbessert.

Für die Darstellung komplexer Aktivitätsmuster wurden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Mikrosensoren, -aktoren und -systeme IMSAS und der CU „I-See“ 200-Kanal Mikro-Elektrokortikographie-Verfahren entwickelt. Diese Technologie erlaubt die Beobachtung und Beeinflussung dynamischer kognitiver Prozesse sowie der Informationsverarbeitung in der Großhirnrinde. Sie erlaubt die zeitlich vergleichsweise sehr langsame, funktionelle Bildgebung mittels des MRT mit vergleichbarer räumlicher Auflösung und einer zeitlichen Auflösung im Millisekunden-Bereich zu ergänzen.

Nucleic Acid Analysis Facility (NAA), Bioinformatik und Analytik

Zur Unterstützung der Synthese, Modifikation und Neukombination von genetischem Material wird derzeit eine Nucleic Acid Analysis Facility (NAA) etabliert. Sie bietet beispielsweise eine Plattform für modernes Next Generation Sequencing und für Transkriptomanalysen. Zur Auswertung großer Datensätze kooperiert sie  mit der neu gegründeten Bioinformatik-Unit.

Mikromanipulation einzelner Zellen

Der FB2 hat eine von der Volkswagenstiftung geförderte Mikroinjektionsplattform etabliert. Durch die gezielte Mikroinjektion können Chemikalien und Nukleinsäuren gezielt in einzelne Zellen eingebracht werden und bezüglich ihres Potentials zur molekularen und/oder strukturellen Reprogrammierung von Zellen untersucht werden. Am FB2 wird die Mikroinjektionstechnik derzeit auf Pflanzenzellen, Ratten und Fröschen angewendet, soll aber auf andere Organismengruppen ausgeweitet werden und kann zum Screening ganzer Substanzbibliotheken eingesetzt werden.

Vernetzungen mit anderen Fachbereichen

Die Ingenieur- und Materialwissenschaften der Universität Bremen sind im Bereich der funktionalisierten Partikeltechnologie weltweit führend. Durch die Integration dieser Expertise in die Biowissenschaften können Zellorganellen, Zellen und ganze Gewebeverbände spezifisch beeinflusst werden. Die gezielte Steuerung und Programmierung von Zellen ist essentiell in vielen Bereichen der Grundlagenforschung, der Mikrobiologie (Interaktion Organismus-Mikrobiom, Interaktion Mineral-Mikrobe), in der (Pflanzen-) Biotechnologie (funktionalisierte Oberflächen, Molecular Pharming, Biofuels ) und der Medizin (funktionalisierte Krebstherapie, Neuroprothetik, Diagnostik, Transplantationsmedizin, Tissue Engineering, Diabetologie). Damit hat die Synthetische Biologie mit der Entwicklung spezifischer Werkzeuge zur Zellprogrammierung auch einen  starken Einfluss auf die Gesundheitswissenschaften.

Exzellente Lehre im Bachelor Biologie

Im Bachelor Biologie am Fachbereich 2 wird auf der Basis des Forschenden Lernens studiert und gelehrt. In den Lehrveranstaltungen und Praktika der grundständigen Module werden Eigenständigkeit und wissenschaftliches Denken und Arbeiten ebenso gefördert wie solide Methoden- und Fachkompetenz. Im 3. Studienjahr wählen Vollfachstudierende eins von vier , in dem wissenschaftliches Arbeiten in enger Anbindung an Arbeitsgruppen gelernt wird und eine inhaltliche Fokussierung stattfindet.

Daneben iniiert der Fachbereich 2 derzeit ein Exzellenzprogramm "Synthetische Biologie" für überdurchschnittlich qualifizierte Bachelorstudierende: Beim Modul "Lab-Top", einem studienbegleitenden Praktikum von zwei Jahren, werden Studierende bereits nach dem zweiten Semester in die Arbeitsgruppen des FB 02 integriert. Die jeweilige Laborassoziation bleibt über zwei Jahre bestehen. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass sich die Studierenden über einen langen Zeitraum eine Fachexpertise aneignen können, die sie in die Situation versetzt, eigene Forschungsprojekte zu konzipieren und durchzuführen. Begleitet wird das Praktikum durch halbjährige Symposien, in denen die Studierenden ihre Projekte und Ergebnisse vorstellen. Damit stellt das Modul einen Prototyp des "Forschenden Lernens" dar.

Das Exzellenzmodul "Nanopartikel und Säugerzellen" wird für sehr gute Studierende im 5. Fachsemester angeboten, die freie Kapazitäten für dieses zusätzliche Studienangebot haben. Das Modul vermittelt moderne, sehr aktuelle und forschungsnahe Inhalte in Theorie und Praxis, die nicht Inhalt anderer Module des Biologiestudiums sind. Neben einer intensiven theoretischen Vorbereitung werden wichtige experimentelle Methoden (steriles Arbeiten mit Säugerzellkulturen, Synthese und Charakterisierung von fluoreszierenden magnetischen Eisenoxidpartikeln, Zellvitalitätstest, Fluoreszenzmikroskopie, etc) erlernt und für die Beantwortung selbstbestimmter Forschungsfragen zur Biokompatibilität, Aufnahme und Metabolisierung von Nanopartikeln durch Zellen eingesetzt. Mit diesem Ansatz des „Forschenden Lernens“ soll den Studierenden Faszination und Spaß an aktueller und selbstbestimmter Forschung vermittelt werden.

Master Biochemistry and Molecular Biology

Das Internationale Masterprogramm "Biochemistry and Molecular Biology (BMB)" zielt auf eine praxisorientierte Ausbildung der Studierenden in den Bereichen Genetik und Molekulargenetik, zelluläre Funktionsprinzipien, biochemische Grundlagen physiologischer Prozesse und deren pharmakologische Beeinflussung, sowie entwicklungsbiologische Anpassungsmechanismen von der zellulären bis zur organismischen Ebene. In der Spezialisierung MicroSys werden bereits stark angewandte Aspekte der Synthetischen Biologie zusammen mit den Hochschulen Bremen und Bremerhaven implementiert. Die hohe Qualität des von den Molekularen Biowissenschaften gemeinschaftlich entworfenen Lehrkonzepts wird durch die starke Nachfrage nach den Bremer Bachelor- und Masterabsolventen an Forschungsinstitutionen in Bremen (AWI, MPI) sowie an anderen deutschen Universitäten und Forschungseinrichtungen und die bei der Evaluation als beispielhaft niedrig angesprochene Abbrecherquote des Masterprogramms unterstrichen.