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08.11.2010

Die Meister der Zellschaltkreise

Lässt sich das Leben nachbauen? Seit einigen Jahren versucht das innovative Feld der Synthetischen Biologie, zelluläre Bauteile zu neuen Systemen zusammenzusetzen, die etwa pharmazeutisch gewünschte Eigenschaften haben. Gerade einmal anderthalb Jahre alt ist die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Wilfried Weber in Freiburg am Zentrum für Biologische Signalstudien (BIOSS), am ersten deutschen Lehrstuhl für Synthetische Biologie überhaupt. Und schon gibt es wieder eine Premiere: Der Lehrstuhlinhaber Weber hat als erster Wissenschaftler der Universität Freiburg den renommierten Starting Grant des European Research Council (ERC) erhalten. Seine Forschung auf dem Gebiet der intelligenten Materialien soll in Zukunft mit 1,5 Millionen Euro ausgebaut werden. Auch eine Doktorandin aus der Gruppe hat kürzlich einen Preis erhalten. Webers Team kombiniert Zellbausteine neu, mit vielen verschiedenen Fragestellungen. Dabei nutzen die „Zellingenieure“ das interdisziplinäre Umfeld der Uni Freiburg. Was kann man heute mit einem molekularen Baukasten konstruieren?

Intelligente Materialien

Was wäre gewonnen, wenn man Teile der Zelle nachbauen könnte? Ein Beispiel ist ein Projekt im Bereich der Materialforschung. Webers Team gelang es zusammen mit Materialforschern, Chemikern und Ingenieuren der Universität Freiburg, Materialien zu entwickeln, die auf Kommando therapeutische Substanzen abgeben können. Die Forscher kombinierten hierzu künstliche Polymere mit biologischen Signalsystemen. Sie bauten auf die Oberfläche von mikroskopischen Behältern Rezeptoren, die sie zuvor aus Zellen isoliert hatten. Die Rezeptoren können Signalmoleküle binden, die von außen zugegeben werden. Sie übermitteln die Anwesenheit dieser Signalmoleküle ins Innere, wo andere Moleküle den Inhalt der Behälter nach außen freisetzen. „Solche intelligenten Behälter könnten in der Medizin eingesetzt werden“, sagt Weber. „Bisher gibt es hauptsächlich Materialien, die ihre Eigenschaften nach Veränderung der Temperatur oder des pHs verändern können, aber man kann im menschlichen Körper nicht einfach die Temperatur oder den pH beliebig erhöhen.“ Weber und sein Team haben die Behälter bereits für Testzwecke in Mäuse eingepflanzt. Sie wiesen nach, dass nach der Zugabe der Signalsubstanz über das Trinkwasser oder über eine Injektion ein Therapeutikum ins Blut der Tiere abgegeben wurde.
Zu sehen ist eine Petrischale, in der auf einem Glasplättchen vier durchsichtige Tropfen aufgetragen sind.
Intelligente Materialien, die als Depots für therapeutische Wirkstoffe verwendet werden (Tropfen). (© Christian Geraths)

Für diese Arbeit erhielt der Forscher den renommierten Starting Grant des European Research Council (ERC), der mit 1,5 Millionen Euro dotiert ist. In den nächsten Jahren können er und sein Team damit die Arbeit im Bereich der intelligenten Materialien weiter verfolgen. „Der Grant ist eine große Anerkennung und Motivation, um das Konzept der Synthetischen Biologie auf dem Gebiet der Materialwissenschaften weiter auszubauen“, sagt Weber. Die Kombination von Materialforschung und Synthetischer Biologie interessiert auch die Schwedin Maria Karlsson, eine Doktorandin im Team, die kürzlich mit dem mit 10.000 Euro datierten Barbara-Hobom-Preis des Freiburger Exzellenz-Zentrums für Biologische Signalstudien (BIOSS) ausgezeichnet wurde. Dieser Preis wird verliehen, um vielversprechende Promotionsprojekte zu fördern. Karlsson, die schon in Singapur, Spanien, Schweden oder in der Schweiz geforscht hat, hat in der Arbeitsgruppe für Synthetische Biologie genau die richtige Forschungsumgebung gefunden. Sie untersucht jetzt, wie man zelluläre Signalsysteme mit Materialien kombinieren kann. Das Ziel ist, Wachstum und Differenzierung von Zellen genau steuern zu können.

Die optimale Infrastruktur für Innovationen

Neben diesem Projekt verfolgen die Wissenschaftler noch andere Ansätze. Sie haben kürzlich zum Beispiel ein Interface geschaffen zwischen einem elektronischen Schaltkreis und einer Zelle. Ein Schaltkreis ist in der Lage, eine Signalsubstanz abzugeben, die in der Zelle direkt Gene anschalten kann. Es handelt sich um einen künstlich konstruierten Genschalter, der somit elektronisch umstellbar ist und theoretisch jede gewünschte zelluläre Antwort auslösen kann. Für welche Anwendungen so etwas dienen könnte, ist noch nicht klar. Es handelte sich um den Beweis, dass so etwas überhaupt möglich ist, einen sogenannten proof of principle. Die Kombination von elektronischen Schaltkreisen und entsprechend modifiziertem biologischem Material wurde jedenfalls zum ersten Mal mit Erfolg durchgeführt.

Im therapeutischen Bereich hat die Arbeit des Weber-Teams schon jetzt zahlreiche Anwendungen ermöglicht. Bereits vor einigen Jahren gelang es Weber (damals an der ETH Zürich) und der von ihm mitgegründeten BioVersys GmbH durch Kombination von biologischen Bausteinen die Resistenz des Tuberkulosebakteriums gegenüber einem Antibiotikum auszuschalten. Die Optimierung dieser Anwendung wird jetzt in der BioVersys GmbH weitergeführt. Außerdem entwickelte das Freiburger Team Biosensoren, die verbotene Antibiotika in Lebensmitteln wie Milch nachweisen können. Es bleibt abzuwarten, mit welchen Überraschungen die Forschungsgruppe, die knapp zwanzig Mitarbeiter umfasst, in Zukunft noch aufwarten wird. „In der interdisziplinären Umgebung der Universität Freiburg, wo wir zum Beispiel im Rahmen von BIOSS mit Physikern, Systembiologen, Chemikern, Ingenieuren, Informatikern oder Mikrosystemtechnikern kooperieren, ist jedenfalls die optimale Infrastruktur für Innovation geschaffen“, sagt Weber.
Ein Beitrag von:
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mn - 08.11.2010
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

Weitere Informationen zum Beitrag:
Prof. Dr. Wilfried Weber
Institut für Biologie II
BIOSS - Centre for Biological Signalling Studies
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Engesserstraße 4b
79108 Freiburg
Tel.: +49 761/203 97654
Fax: +49 761/203 97660
E-Mail: wilfried.weber(at)biologie.uni-freiburg.de

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