"
Team:Heidelberg
From 2008.igem.org
-
Home
Available Languages
Bacterial killers from a genetic construction kit
English back
Under supervision of Prof. Dr. Roland Eils, a team of undergraduate students develops a biological machine that can detect and kill pathogens or even cancer cells – 84 teams from all over the world participate in the Synthetic Biology iGEM competition.
iGEM (international Genetically Engineered Machines Competition) is a competition organized by MIT (Massachusetts Institute of Technology) in Boston, USA, since 2005 and has become one of the largest international competitions in the field of science. This year 84 teams of undergraduate students compete against each other, and for the first time three teams from Germany join the competition. The project of the Heidelberg team is directed by Prof. Dr. Roland Eils from University of Heidelberg and the German Cancer Research Center (DKFZ).
Synthetic Biology is a young field in science, which combines classic gene technology with an engineering approach. Similar to the construction of an airplane, Synthetic Biology uses simple gene building blocks for the construction of new complex systems with distinct functions. These gene building blocks are collected in a database by iGEM and can be used by all participants of the competition. So far, the collection contains more than 1000 gene building blocks, due to the continuous development of new parts over the last years. This summer all teams work on self-developed projects which will then be presented in the beginning of November at the “Jamboree” in Boston. Several prizes in different categories will be awarded.
The Heidelberg team consists of 15 students of the University of Heidelberg and one student of the TU Darmstadt, all with a different scientific background including Molecular Biotechnology, Biology and Mathematics. The students are supported by advisors from the group of Victor Sourjik (ZMBH; University of Heidelberg) and from the division of Roland Eils (University of Heidelberg and DKFZ). The project itself is carried out in the newly founded Bioquant building, a center for qualitative analysis of molecular and cellular biological systems.
The Heidelberg team is developing a biological machine that is able to detect and specifically kill pathogens or even cancer cells. In a proof of principle study the team has genetically reengineered two E. coli strains into a prey and a killer strain.
The system consists of two modules: a module for the recognition of the pathogen-presenting prey cell by the killer strain, and a module for directed movement of the killer cells towards their prey. The team utilizes the natural sensing and movement system of E. coli bacteria, which in nature is used to sense nutrients, by redesigning the receptors of the killer strain to sense a molecular cocktail secreted by the prey strain.
After arriving at the prey, an additional gene module is activated which then leads to the death of the pathogen or the cancer cell. The Heidelberg team follows two different strategies to achieve the killing. The first strategy focuses on bacterial toxins, the other one uses viruses specific for bacteria. Toxins are normally produced by certain bacterial strains to kill other bacteria. However, these toxins are also able to kill cancer cells, making this approach possibly suitable for the elimination of cancer cells. For the test system the team uses genetic information of bacterial toxin production. This information will be introduced into the killer-cells and modified to only become active once the killer strain reaches the prey strain. Activation then leads to toxin production and release, finally resulting in killing of the prey-cell.
The second approach for killing the prey uses bacterial viruses, which naturally infect E. coli cells. During infection the phage inject its genetic information into the bacterium, forcing it to produce new phages, which are released afterwards. Free phages are then again able to attack other bacteria. In this approach the team specifically takes advantage of the domino effect, which allows killing a high number of prey cells with only a few killer cells.
In addition to the experimental work in the laboratory, an important part of the work involves computational modeling of both the sensing and killing module. The model simulations allow the prediction of system behavior under various conditions and help to better design the experimental work.
The Heidelberg team is in the middle of its project work. The students are working day and night for three months on this ambitious project. Initial results have been achieved for both the experimental and the modeling parts. The team aims to accomplish its project goals by the jamboree competition in early November at MIT in Boston and to thus compete with international teams from renowned places such as Harvard, Cambridge and Tokyo.
Bakterienkiller aus dem Gen-Baukasten
Deutsch back
Beim international renommierten iGEM-Wettbewerb geht zum ersten Mal ein Heidelberger Team an den Start - Unter der Leitung von Professor Dr. Roland Eils entwickeln Heidelberger Studenten eine biologische Maschine, die Krankheitserreger oder auch Tumorzellen erkennen und spezifisch abtöten kann - 84 studentische Teams aus der ganzen Welt nehmen am Wettbewerb teil.
iGEM (international Genetically Engineered Machines competition) ist ein Wettbewerb in Synthetischer Biologie, der seit 2005 vom Massachusetts Institute of Technology in Boston ausgerichtet wird und sich seither zu einem der größten internationalen Wettbewerbe im Wissenschaftsbereich entwickelt hat. In diesem Jahr stehen sich 84 studentische Teams aus der ganzen Welt gegenüber, darunter erstmals drei Teams aus Deutschland. Die Projektleitung der Heidelberger Gruppe hat Prof. Dr. Roland Eils (Universität Heidelberg und Deutsches Krebsforschungszentrum).
Die Synthetische Biologie ist eine sehr junge Wissenschaft. Im Gegensatz zur klassischen Gentechnologie wird hier ein ingenieurwissenschaftlicher Ansatz in die Biologie eingebracht. Ähnlich wie bei der Konstruktion eines Flugzeugs aus verschiedenen vorgefertigten Bauteilen verwendet die synthetische Biologie einfache Gen-Bausteine und kombiniert diese zu neuen komplexen Systemen mit bestimmten Funktionen. iGEM sammelt die Gen-Bausteine in einer Datenbank, deren Repertoire über die vergangenen Jahre hinweg auf derzeit mehr als 1000 angewachsen ist. Diese Bausteine stehen allen Teilnehmern des Wettbewerbs zur Verfügung.
Die Teams arbeiten während der Sommersemesterferien an ihren Projekten. Anfang November werden beim Finale in Boston die Ergebnisse präsentiert und mehrere Preise in den einzelnen Kategorien vergeben. Der Wettbewerb wurde ursprünglich ins Leben gerufen, um die in den Sommermonaten oft leerstehenden Laborräume der Universitäten zu nutzen und den Studenten in einer sehr frühen Phase ihres Studiums die Möglichkeit zu eigenständiger Projektarbeit zu geben.
Im Heidelberger iGEM-Team arbeiten 15 Studenten der Universität Heidelberg und eine Studentin der TU Darmstadt aus den Bereichen Molekulare Biotechnologie, Biologie und Mathematik zusammen. Sie werden unterstützt von Betreuern aus der Arbeitsgruppe von Victor Sourjik im ZMBH der Universität Heidelberg und aus der Abteilung von Roland Eils (Universität Heidelberg und Deutsches Krebsforschungszentrum). Die Arbeiten selbst werden am Bioquant, dem erst 2007 ins Leben gerufenen neuen Zentrum für quantitative Analy-se molekularer und zellulärer Biologischer Systeme, durchgeführt.
Das Heidelberger Team plant eine biologische Maschine, die Krankheitserreger oder auch Tumorzellen erkennen und spezifisch abtöten kann. Als Modell dafür entwickeln die Studenten ein künstliches System aus zwei Stämmen des Darmbakteriums E. coli: einem „Beutestamm“, der die Krankheitserreger repräsentiert, und einem „Killerstamm“. Dazu modifizieren die Nach-wuchswissenschaftler die genetischen Informationen der Bakterien.
Das Heidelberger Team muss zwei zentrale Probleme lösen: Zum einen sollen die Killerbakterien ihre Beute erkennen und sich zielgerichtet darauf zu bewegen können. Dazu wird das natürliche Wahrnehmungs- und Bewegungssystem der E. coli-Bakterien, das in der Natur zum Beispiel zum Aufspüren von Nährstoffen dient, ausgenutzt.
Zum anderen müssen die Killerbakterien mit einem effizienten Tötungs-Modul ausgestattet werden. Hier verfolgt das Team zwei verschiedene Strategien. Die For-scher setzen sowohl auf bakterienspezifische Viren als auch auf bestimmte Gifte, die auch gegen Tumorzellen wirksam sind.
Neben der praktischen Arbeit im Labor simuliert ein Teil des Teams das Testsystem am Computer, um Vorher-sagen über das Verhalten von „Beute“ und „Killer“ unter verschiedenen Bedingungen zu gewinnen. Diese Erkenntnisse ermöglichen eine zielgerichtete Planung der Laborversuche.
Die Arbeit an diesem sehr ehrgeizigen Projekt ist bereits in vollem Gange, die Studenten tüfteln über drei Monate hinweg Tag und Nacht an ihrem Bakterienkiller aus dem Gen-Baukasten. Erste Erfolge konnten sowohl bei der Computersimulation als auch bei der Laborar-beit verbucht werden. Das Team ist fest entschlossen, das Projekt bis zum Finale in Boston im November weit voranzubringen und gegenüber der harten Konkurrenz mit internationalen Größen aus Harvard, Cambridge und Tokio erfolgreich zu bestehen.
Bakteryjni zabójcy z taśmy montażowej
Pod opieką Prof. Dr Rolanda Eilsa zespół studentów rozpoczął pracę nad konstrukcją biologicznego urządzenia potrafiącego wykryć i zabić patogeny i komórki rakowe – 84 zespoły z całego świata współzawodniczą w ramach międzynarodowej konkurencji iGEM.
Międzynarodowy konkurs na genetycznie zmodyfikowane maszyny – International Genetically Engineered Machines (iGEM) – to największe przedsięwzięcie tego typu organizowane od 2005 roku przez MIT (Massachusetts Institute of Technology, Boston, USA). W tym roku 84 zespoły uczniów szkół średnich oraz studentów wspomaganych przez opiekunów z najznamienitszych uczelni świata przygotowują się do walki o nagrody i wyróżnienia w ramach Biologii Syntetycznej. Po raz pierwszy do tej konkurencji przystępują aż trzy zespoły z Niemiec. Projekt zespołu z Heidelbergu nadzorowany jest przez Prof. Dr Rolanda Eilsa z Uniwersytetu w Heidelbergu oraz Niemieckiego Centrum Badań nad Rakiem (DKFZ).
Biologia syntetyczna to dziś najmłodsza dziedzina nauk przyrodniczych, powstała w wyniku integracji nauk biologicznych, inżynieryjnych i matematycznych. Podobnie jak w przypadku budowy domu, mostu czy samolotu, gdzie najbardziej skomplikowane elementy składają się z niezliczonej ilości podsystemów i elementów podstawowych, tak i biologia syntetyczna wykorzystuje najbardziej podstawowe elementy kodu genetycznego celem zbudowania nowych, skomplikowanych, funkcjonalnych systemów biologicznych. Te podstawowe cegiełki (BioBricks) dostępne są dla uczestników konkursu w centralnym rejestrze iGEM oraz stanowią ustandardyzowany punkt wyjścia dla wszystkich zespołów. Każdy zespól otrzymuje cały atlas cegiełek, zawierający ponad 1000 elementów, modułów i systemów, a projekty zakończone sukcesem wzbogacają istniejący katalog. Przez całe lato zespoły studentów pod czujnym okiem swoich opiekunów będą pracować w uniwersyteckich laboratoriach i przed komputerami nad projektami własnego pomysłu, które następnie zaprezentują w listopadzie na “Jamboree” w Bostonie. Najlepsze projekty w każdej kategorii otrzymają nagrody i wyróżnienia.
Zespół Heidelbergu składa się z 15 studentów Uniwersytetu w Heidelbergu oraz jednego studenta z Politechniki w Darmstadt, z różnym doświadczeniem i wykształceniem, od biotechnologii przez biologię, po matematykę. Opiekunami zespołu są Victor Sourjik (Centrum Biologii Molekularnej (ZMBH), Uniwersytet w Heidelbergu), oraz pracownicy wydziału Prof. Rolanda Eilsa (Uniwersytet w Heidelbergu oraz Niemieckie Centrum Badań nad Rakiem (DKFZ)). Projekt prowadzony jest w nowo powstałym Centrum molekularnej i komórkowej analizy systemów biologicznych – Bioquant.
Zespół pracuje nad biologiczną maszyną zdolną wykryć i zabić patogeny, a docelowo również komórki rakowe. Jako eksperyment zespół zaprojektował i skonstruował dwa szczepy bakterii E.coli, szczep “zabójców” i szczep “ofiar”.
Cały system składa się z dwóch receptorów jednoznacznie rozpoznających molekularny koktail wydzielany przez ofiarę, modułu chemotaktycznego pozwalającego na przemieszczanie się komórki atakującej w kierunku celu, oraz modułu “zabójcy”, którego uruchomienie prowadzi do śmierci komórki docelowej. Receptory i moduł chemotaktyczny to zmodyfikowane elementy E.coli, które w środowisku naturalnym służą lokalizacji substancji odżywczych. Zespól pracuje nad dwoma strategiami prowadzącymi do śmierci komórki docelowej. Pierwsza strategia koncentruje się na bakteryjnych toksynach, podczas gdy druga wykorzystuje wirusy.
Toksyny produkowane przez niektóre szczepy bakterii, pozwalają im kontrolować otoczenie poprzez zabijanie konkurujących z nimi bakterii, są ponadto wystarczająco silne, aby również doprowadzić do śmierci komórki rakowej. System cytotoksyczny zmodyfikowany tak, aby jego aktywacja zakończona produkcją i wydzieleniem toksyn mogła nastąpić jedynie po zlokalizowaniu komórki docelowej zostanie wklonowany do szczepu zabójców.
Druga strategia wykorzystuje bakteryjne wirusy charakterystyczne dla E.coli. Podczas infekcji bakteriofag wstrzykuje do komórki bakteryjnej swój kod genetyczny, wymuszając produkcję kolejnych cząsteczek wirusowych, a w końcowym rozrachunku jej śmierć i uwolnienie nowych wirusów, atakujących kolejne bakterie. Podejście to wykorzystuje efekt domina, który pozwala na zabicie dużej liczby bakterii, przy stosunkowo niewielkiej ilości komórek-zabójców.
Jako nieodłączny element pracy laboratoryjnej, zespól prowadzi komputerowe modelowanie nowo zaprojektowanych elementów. Symulacje tego modelu pozwalają na analize zachowania systemu, oraz usprawniają planowanie pracy eksperymentalnej.
Aktualnie zespół Heidelbergu znajduje się na półmetku swego projektu. Studenci pracując dzień i noc osiągnęli już wstępne rezultaty zarówno w części komputerowego modelowania jak i pracy eksperymentalnej. Cały zespół jest przekonany, iż osiągnie zaplanowany cel przed prezentacją wyników na początku listopada na MIT w Bostonie i wystartuje z pozycji pozwalającej na konkurowanie z międzynarodowymi zespołami z Harvardu, Cambridge czy Tokio.
|}
