Einrichtungen innerhalb des Centre for Synthetic Biology

Das Zentrum für Synthetische Biologie zeichnet sich durch seinen Fokus auf die technologiegetriebene biologische Forschung aus. Dazu nutzen wir verschiedene Techniken und Plattformen.

CompuGene Robotics Platform

Die zentral zugängliche Robotikplattform des LOEWE Schwerpunktes CompuGene erlaubt die Charakterisierung von molekularen Komponenten im Hochdurchsatzverfahren. Diese ist Teil des weltweiten Zusammenschlusses “Global Biofoundry Alliance", in der führende Forschungsstandorte im Bereich der synthetischen Biologie ihre Plattformen registrieren.

3D Bioprinting Lab

3D-Bioprinting ist eine digitalisierte Biofabrikationstechnologie, die das Konzept der additiven Fertigung zur Erzeugung von dreidimensionalen Gewebe-Äquivalenten anwendet. Lebende Zellen, die in eine als „Bioink“ bezeichnete Hydrogelmatrix eingebettet sind, werden schichtweise gedruckt, um die Makroanatomie des betreffenden Ziel-Gewebes zu rekonstruieren. Nach dem Druckprozess werden die Vorläuferstrukturen für mehrere Wochen in speziellen Bioreaktoren oder in einem Wirtorganismus kultiviert, um zu reifen und eine biofunktionale Gewebeeinheit zu bilden.

Das Bioprinting-Labor des Centre for Synthetic Biology ist am Institut für BioMedizinische Drucktechnik (Prof. Blaeser) der TU Darmstadt angesiedelt. In diesem innovativen 3D-Biofabrikationspark erforschen und entwickeln führende Wissenschaftler und Partner aus der Industrie die technologischen Grundlagen für den Transfer synthetischer, biogedruckter Gewebe in die Anwendung. Die Synthetische Biologie stellt dabei ein zur Biofabrikation synergetisches Forschungsfeld dar, das es erlaubt, die bisherigen Grenzen zu überwinden und das Anwendungsspektrum aktueller 3D-Bioprinting-Ansätze signifikant zu erweitern.

Mikrofluidik

Die Tropfenmikrofluidik hat sich zu einer Lab-on-a-Chip-Plattform für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt. Jeder Tropfen kann als ein Reaktionsbehälter betrachtet werden. Die Fähigkeit, Zellen in die Tröpfchen einzukapseln, ermöglicht es diesen Plattformen, Einzelzellforschung zu betreiben. Monodispergierte Tröpfchen in Picolitergröße können mit Kilohertzraten erzeugt werden. Daher können mit Tröpfchenplattformen quantitative Studien an großen Zellpopulationen durchgeführt werden. Diese Technik wird in den Gruppen von Heinz Koeppl undThomas Burg entwickelt.

Aptamere

Bild: Beatrix Suess

Aptamere sind kurze, einzelsträngige Nukleinsäuren, die ein Zielmolekül mit hoher Affinität und Spezifität binden können. Mit Aptameren können somit hochspezifische Biosensoren entwickelt werden, sie können aber auch als synthetische RNA Schalter für die Genexpression verwendet werden. Die Technologie, diese Aptamere herzustellen, nennt sich SELEX und ist als Core Technology im Centre for Synthetic Biology in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Beatrix Süß etabliert.

Einzel-Nanokanal-Plattform für Nanofluidik und Nanosensorik

Geätzte Ionenspurmembranen werden am GSI Helmholtzzentrum in Darmstadt durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Schwerionen und chemisches Ätzen hergestellt. Porendichte und Porenanordnung werden durch die Bestrahlungsbedingungen bestimmt. Die Porendichte kann zwischen 1 Pore pro Probe und ~ 1010 Ionen/cm2 eingestellt werden. Porengröße und Geometrie werden durch die Ätzparameter gesteuert. Typische Porendurchmesser liegen zwischen ~ 10 nm und wenigen Mikrometern. Mit dieser Technik werden zylindrische, konische, bikonische und kugelförmige Poren hergestellt.

Mithilfe der Ionenspurtechnologie werden auch einzelne Nanoporen in Polymerfolien (wie Polyethylenterephthalat, Polycarbonat und Polyimid) hergestellt. Dazu werden Polymerfolien an der Einzelionen-Bestrahlungsanlage an der X0-Beamline des UNILAC-Linearbeschleunigers der GSI bestrahlt und anschließend die einzelne Ionenspur selektiv chemisch geätzt.

Mehrere Gruppen aus der ganzen Welt aus Biologie, Chemie und Materialwissenschaften entwickeln Funktionalisierungsstrategien für die Oberfläche einzelner Polymer-Nanoporen, um charakteristische Ionentransporteigenschaften zu erzielen und hochempfindliche und hochselektive neuartige Nanoporen-Sensoren zu entwickeln. Die einzelnen Nanoporen dienen auch als Modellsysteme, um den Transport von Ionen und Molekülen im Confinement zu untersuchen.

Strukturbiologie

Ein wichtiges Ziel von Gruppen innerhalb des Centre ist die Entwicklung einer in silico molekularen Simulations- und Analysepipeline für die synthetische Biologie und molekulare Systembiologie, um a) biologische und biophysikalische Phänomene auf mehreren Skalen zu untersuchen und b) Biomoleküle und funktionelle Biomaterialien zu entwickeln. Zu diesem Zweck konzentrieren sich die Gruppen von Kay Hamacher und Heinz Koeppl auf die Integration von Techniken für effiziente Simulationen, grobkörnige Modelle und Strukturmodellierungsansätze mit handelsüblichen, sequenzbasierten Bioinformatik-Softwarepaketen.

Mikroskopie

Das Zentrum für Synthetische Biologie verfügt über verschiedene Mikroskope für die fortgeschrittene Licht- und Elektronenmikroskopie. Die abteilungs- und gruppeneigenen Mikroskope des Fachbereich Biologie sind hier aufgeführt. Auch in im Fachbereich Chemie gibt es insbesondere in Kooperation mit dem Merck-Lab @ TU-Darmstadt eine Vielzahl von Mikroskopen.