Arbeitsgruppe Prof. Dr. E. A. Galinski

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  Aktuelle Forschungsprojekte

Einführung in das Forschungsgebiet

Die Arbeitsgruppe Galinski untersucht das biotechnologische Potential sogenannter extremophiler Mikroorganismen, die an (aus menschlicher Sicht) extreme Standorte angepaßt sind. Diese "Extremisten" besiedeln Lebensräume wie z.B. heiße Quellen, polare Regionen, Permafrostzonen, saure/alkalische/saline Gewässer und trockene Substrate wie z.B. durch Trocknen oder Kandieren bzw. Pökeln konservierte Lebensmittel.

Dabei ist zu unterscheiden zwischen solchen Organismen, die ungünstige Lebensbedingungen durch die Ausbildung von Sporen und anderen Dauerstadien lediglich in einem Zustand latenten Lebens überbrücken, und denjenigen, die aufgrund ihrer physiologischen Besonderheiten permanent an diese Bedingungen adaptiert sind. Innerhalb der zweiten Gruppe lassen sich zwei Prinzipien erkennen:
(a) Anpassung durch weitreichende Veränderungen des Enzymapparates und der Zellstrukturen
(b) Anpassung aufgrund spezifischer physiologischer Fähigkeiten zur Produktion bzw. Akkumulation von Schutzstoffen

Mikroorganismen, die die Strategie der Anpassung durch Schutzstoffe verfolgen, sind biotechnologisch interessant, da die von ihnen gebildeten bzw. genutzten Naturstoffe auch technisch Verwendung finden können (z.B. als Stabilisatoren in der Enzymtechnik, als wasserbindende Substanzen, zur Trockenkonservierung von biologischem Material etc.).

Forschungsschwerpunkte

Die Forschungsinteressen liegen sowohl auf grundlagen- als auch auf anwendungs-orientiertem Gebiet. Im Zentrum der Untersuchungen stehen zur Zeit extrem halophile und halotolerante Eubakterien, die durch Biosynthese oder effektive Transportmechanismen Streßschutzstoffe (sogenannte kompatible Solute) in großen Mengen anreichern.. Diese osmotisch aktiven Substanzen verhindern den Flüssigkeitsausstrom in das Medium (Austrocknen) und verdanken ihren Namen der Tatsache, daß sie auch in hoher cytoplasmatischer Konzentration (bis ca. 2 Molal) den Zellmetabolismus nicht beeinträchtigen. Man weiß inzwischen, daß kompatible Solute abgesehen von ihrer Funktion als stoffwechselverträgliche Osmotika auch wichtige Schutzfunktionen gegenüber Enzymen und Zellstrukturen übernehmen und in einem Milieu geringer Wasseraktivität (Trockenstreß) Hydrathüllen stabilisieren und biologische Aktivität bewahren

Unsere Arbeiten haben zu der Entdeckung geführt, daß bei Bakterien hauptsächliche Aminosäuren (und Derivate), Betaine und Ectoine die Schutzfunktion übernehmen. Bei den Ectoinen handelt es sich um eine bisher unbekannte Verbindungsklasse, die zumindest bei aeroben heterotrophen Bakterien zu den am häufigsten vorkommenden Verbindungen gehört. Die Ectoine sind für den Biotechnologen deshalb von besonderem Interesse, weil sie offensichtich besonders wirksame Schutzstoffe darstellen und trotz ihrer weiten Verbreitung in der Natur nur wenig über ihre chemischen Eigenschaften bekannt ist.

Unter Ausnutzung des natürlichen Biosynthesepotentials und spezifischer Exportmechanismen von Produzentenstämmen wurde ein völlig neuartiges Produktionsverfahren entwickelt, das sogenannte Bakterienmelken (s. Abb.). Dabei macht man sich die natürliche Fähigkeit zunutze, daß durch plötzliches Verdünnen des hochsalinen Kulturmediums eine rasche Freisetzung der angereicherten kompatiblen Solute erzwungen werden kann. Auf diese Weise kann durch periodische Wechselschocks (Hochsalzmedium - Wasser) semikontinuierlich Ectoin "abgemolken" werden, ohne daß sich die eingesetzte Biomasse verbraucht. Das Verfahren wurde patentiert und wird von unserem Industrieparter (bitop GmbH, Witten) erfolgreich zur Massenproduktion von Ectoin im 1000-l Maßstab eingesetzt. Mögliche Anwendungen dieser Schutzsubstanz liegen im Bereich der Protein-, Membran- und DNA-Stabilisierung bzw. in der Verwendung als Feuchtigkeitsspender in Körperpflegemitteln.

Die weitere Forschung in diesem Bereich konzentriert sich darauf, die bisher noch nicht verstandenen Mechanismen der Stabilisierung von Biomolekülen aufzuklären, die Produktionsverfahren zu verbessern und die molekulare Regulation der Ectoinbiosynthese und der Transportmechanismen aufzuklären.

Das molekularbiologische Team meiner Arbeitsgruppe hat den Ectoin-Biosyntheseweg aufgeklärt, die Gene isoliert und in E.coli exprimiert. Wir konnten zeigen, daß durch die Übertragung der Fähigkeit zur Ectoinproduktion in sensitiven Organismen ein erhöhtes Maß an Osmotoleranz erzielt wird. Daraus eröffnet sich die Möglichkeit durch "Genetic Engineering" Salz- und Trockentoleranz auf andere Lebewesen (und möglicherweise auch auf Kulturpflanzen) zu übertragen.

Methoden und Techniken

• Spezialbioreaktoren für die Hochzelldichtefermentation von extremophilen Mikroorganismen (Batch-, Fed-Batch- und Dialyseverfahren)
• HPLC-Analytik für Kationen, Anionen, Zucker, Polyole, Aminosäuren, zwitterionische kompatible Solute
• Standardtechniken der Molekularbiologie
• FT-NIR-Spektroskopie zur Untersuchung der Wechselwirkung von Schutzstoffen mit Wasser
• DS-Kalorimetrie für thermodynamische Untersuchungen der Solut-(Zell)-Wechselwirkung
• Fluoreszenzspektroskopie zur Analyse von Konformationsänderungen von Proteinen in Lösung

  Mitarbeiter

   Lehre

VORLESUNGEN

 8193   Galinski         Einführung in die Biotechnologie
                                    Do 12 -14 Uhr, Beginn Do 10.04.08
                                    Hörsaal IfMB

BLOCKÜBUNGEN

Zeitgruppe II: 19.05.2008 - 13.06.2008

8380   Galinski,         Microorganisms as expression systems
            Ludwig,           Pflichtpraktikum im Masterstudiengang
            Kurz                 Molecular Biotechnology,
                                     Blocklabor IFMB, 4st., 02.06.-13.06.08

LABORÜBUNG

8262   Galinski          Spezielle Methoden der Mikrobiologie 
                                    8 st. (n.A.), IFMB

SEMINARE

8286   Galinski         Mikrobielle Biotechnologie
                                   Seminar für Diplomanden u.
                                   Doktoranden
                                   3 st., nach Vereinbarung, IFMB

8288    Galinski        Mikrobielle Anpassungsmechanismen
              d. Kurz         Blockseminar  21.04.-25.04.08
                                   n.V. 16-20 Uhr
                                   Vorbesprechnug: 18.03.08, 16 Uhr c.t.,
                                   Seminarraum IFMB

8287     Galinski,       Mikrobiologische Seminar
              Fakoussa     Do 17-19 Uhr
                                   Siehe Aushang zu Semesterbeginn! Anmeldetermin bis 17.04.08 verlängert
                                   (Bitte in Liste eintragen)

ANLEITUNG ZU SELBSTÄNDIGER WISSENSCHAFTLICHER ARBEIT

8349                             Übungen, 2 st (n. A.),  IFMB
                                      Biochemie und Biotechnologie
                                      extremophiler Mikroorganismen