Biotechnologisch-Biomedizinisches Zentrum Leipzig (BBZ)

Forschungstätigkeit am Zentrum

An der Universität Leipzig wird auf der Grundlage des Rahmenprogramms "Biotechnologie-Offensive Sachsen" der Sächsischen Staatsregierung ein Biotechnologisch-Biomedizinisches Zentrum aufgebaut. Dabei handelt es sich um eines von zwei Bioinnovationszentren in Sachsen. Die Förderperiode hat eine Laufzeit von fünf Jahren (2001-2005) mit einem Finanzvolumen von etwa 19 Mio. Euro. Die finanziellen Mittel werden aus HWP und EFRE zur Verfügung gestellt. Ab 2006 erfolgt die Finanzierung aus dem Haushalt der Universität.

Das Biotechnologisch-Biomedizinische Zentrum ist eine zentrale Einrichtung der Universität Leipzig. Mit der Konzentration auf die Schwerpunkte "Protein Engineering und Therapeutika", "Nanobiotechnologie" und "Biomedizinisches und Cell Engineering" verbindet sich das erklärte Ziel der Universität, mit dem BBZ die Kompetenzen der vorhandenen Arbeitsgruppen und der neuen Professuren zu bündeln. Dem dient auch die Einrichtung von Nachwuchsgruppen. Durch eine eigene Geschäftsführung, die in die Verwaltung des Hochschulbereiches eingebunden ist, ist die Administration und Vergabe der Forschungsmittel effizient organisiert.

Im BBZ sollen vorhandene universitäre biotechnologisch relevante Forschungsrichtungen mit neuen komplementären Forschungsfeldern aber auch außeruniversitären Forschungsrichtungen der Biomedizin und Biotechnologie zusammenarbeiten. Hinzu kommt eine enge Verflechtung von Wissenschaft und Wirtschaft durch die Ansiedlung von etablierten und neu zu gründenden Biotechnologieunternehmen.
Die Aufgaben des BBZ sind:

• Förderung der Forschung und Entwicklung auf den Gebieten der Biotechnologie und Biomedizin sowie verwandten Disziplinen
• Initiierung neuer Studiengänge, Weiterbildungs- und Fortbildungsangebote
• Förderung des Wissenstransfers in wirtschaftliche Aktivitäten

Professuren des BBZ

• Bioanalytik
• Molekularbiologisch-biochemische Prozesstechnik
• Molekulare Pathogenese
• Molekulare Zelltherapie
• Strukturanalytik von Biopolymeren
• Zelltechniken und angewandte Stammzellbiologie

Selbständige wissenschaftliche Nachwuchsgruppen des BBZ

• Angewandte molekulare Evolutionsforschung
• Molekulare Diagnostik - Mikroarray-Techniken
• Molekulare Infektionsmedizin
• Protein Engineering
• Protein-Ligand-Wechselwirkung mittels Ionen-Cyclotron-Resonanz Massenspektrometrie
• Strukturaufklärung membranassoziierter Proteine mittels Festkörper-NMR

Ziel der Forschungsanstrengungen der Professur für Bioanalytik (Prof. Dr. Ralf Hoffmann) ist ein tieferes Verständnis der Regulation von Proteinen durch posttranslationale Modifikationen. Dies sind meist reversible aber auch irreversible chemische Modifikationen einer oder mehrerer definierter Positionen in der Proteinkette. Wichtige und weit verbreitete Beispiele sind Phosphorylierungen (Phosphorsäureester) an den Hydroxylgruppen von Serin, Threonin und Tyrosin oder Glykosylierungen (Zuckereinbau) an Serin, Threonin und Asparagin. Es werden derart modifizierte Proteine mit den modernen Techniken der Bioanalytik (Massenspektrometrie, HPLC, zweidimensionale Gelelektrophorese) analysiert und neue Methoden für weitere, bisher wenig untersuchte Modifikationen erarbeitet.

Ein aktuelles Target der Analysen ist das Tau-Protein, das in stark modifizierter und wahrscheinlich krankhaft veränderter Form (PHF-Tau) bei Patienten mit der Diagnose Alzheimer-Krankheit nachgewiesen wurde. Obwohl die Alzheimer-Krankheit seit Jahrzehnten von vielen Forschergruppen weltweit untersucht wird, sind bis heute die Ursachen unbekannt. Ein möglicher Zugang zur Krankheit ist das Tau-Protein, das in seiner Hauptvariante beim Menschen aus 441 Aminosäuren besteht. Die Arbeiten konzentrieren sich seit mehreren Jahren auf mögliche krankheitsrelevante Veränderungen dieses Proteins im Gehirn von Alzheimer-Patienten. In einer Kooperation mit zwei amerikanischen Gruppen konnten einige neue Modifikationen des humanen Tau-Proteins (PHF-Tau) identifiziert werden. Ferner konnte die Komplexität des Phosphorylierungsmusters in bovinen und humanen Proben mit massenspektrometrischen Techniken und der zwei-dimensionalen Gelelektrophorese belegt werden. Entgegen den Erwartungen scheinen sich die Phosphorylierungsmuster der Proteinpräparationen des Tau- und PHF-Tau-Proteins nur geringfügig zu unterscheiden.

Die Professur für Molekularbiologisch-biochemische Prozesstechnik (Prof. Dr. Andrea A. Robitzki) hat ihre beiden Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte im Bereich des molekularen Tissue Engineering sowie der Wirkstofffindung durch Zell- und Gewebe-basierte Multielektrodenarrays und Nanobiotechnologie erfolgreich etabliert. Ein Höhepunkt der Arbeiten lag in der erstmaligen Entdeckung und Charakterisierung des räumlichen und zeitlichen Genexpressionsmusters des GDNF family receptor a4 in der embryonalen Retina. Durch diese Ergebnisse konnte ein neues Liganden-Rezeptor-Testsystem für die in der Arbeitsgruppe etablierten 3D in vitro Retinamodelle in Verbindung mit einem bioelektronischen Auslesesystem aufgebaut werden. Ein weiteres zukunftsweisendes Diagnostikmodul für Präeklampsie und Transplantatabstoßung konnte durch einen neuen Kardiomyozyten-basierten Biosensor zum hoch sensitiven, ultraschnellen Nachweis von Angiotensinrezeptor 1 (AT1)-Autoimmunantikörper in Seren entwickelt werden. Weitere Forschungsprojekte wurden erfolgreich in den Bereichen Laser-gestützte Kraftsensorik zur Quantifizierung der zellulären Biomechanik, Kollagenmatrix-Verkapselung von aktiven Kardiomyozyten, neue 3D in vitro Netzhautmodelle aus Mammalia als Wirkstoff-Testsysteme sowie oberflächenstrukturierte Polymere zur Mikrolasermanipulation und Biosensorik, gestartet.

Die Professur für Molekulare Pathogenese (Prof. Dr. Manfred Blessing) beschäftigt sich mit der Funktion von Wachstumsfaktoren und Cytokinen. Im Zentrum der Arbeiten stehen Mitglieder der "Transforming Growth Factor-ß" (TGF-ß) Familie. TGF-ß selbst ist ein Faktor mit pleiotropen Wirkungen. TGF-ß ist ein zentraler Regulator des Immunsystems, es fördert die Proliferation bzw. Differenzierung von Mesenchymzellen, wohingegen die Proliferation von Epithelzellen inhibiert wird und TGF-ß moduliert Angiogenese und Apoptose. Aufgrund dieser vielfältigen und teilweise gegenläufigen Wirkungen auf unterschiedliche Zelltypen hat eine Änderung der lokalen Aktivität von TGF-ß gravierende Auswirkungen auf die Funktion von Geweben. Folgerichtig findet man Modifikationen des TGF-ß Systems in einer Vielzahl von Erkrankungen wie Krebs, Fehlsteuerungen des Immunsystems und Regenerationsstörungen. Zur funktionellen Analyse dieses Faktors in den unterschiedlichen Krankheitsszenarien wurde eine Reihe transgener Mauslinien entwickelt, in denen lokal und zelltypspezifisch entweder die Aktivität dieses Faktors, oder die Suszeptibilität gegenüber diesem Faktor moduliert wird. Zunächst werden in diesen Modellen Änderungen der Suszeptibilität gegenüber Krebserkrankungen und Immundefekten mit dem veränderten TGF-ß System korreliert. So konnten z.B. unterschiedlich starke Auswirkungen des Verlusts dieses Systems auf die Tumorigenese in Haut und Leber sowie eine Parallelität mit der Frequenz dieses Verlustes in Hauttumoren und Lebertumoren von Patienten nachgewiesen werden. Des weiteren konnte gezeigt werden, dass der Verlust des TGF-ß Systems in T-Zellen zu einer erhöhten Suszeptibilität gegenüber Asthma, Hepatitis und Arthritis führt, wohingegen eine Verstärkung der Aktivität vor Asthma schützt. Gleichzeitig werden unter Einsatz von hochdichten DNA-Chips zelltypspezifische Zielgene dieses zentralen Regulators identifiziert. Aus diesen Analysen werden neue Kandidatengene erwartet, die aufgrund ihrer Zelltypspezifität zur Entwicklung neuer diagnostischer bzw. prognostischer Verfahren oder therapeutischen Ansätzen führen.

Das Forschungsinteresse der Professur für Strukturanalytik von Biopolymeren (Prof. Dr. Norbert Sträter) liegt in der Anwendung biochemischer und biophysikalischer Methoden, hauptsächlich der Proteinkristallographie, zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Raumstruktur und Funktion von Proteinen. Dabei werden gegenwärtig vor allem Enzyme, insbesondere Metalloenzyme, aber auch andere hinsichtlich katalytischer Reaktivität oder medizinischer und biotechnologischer Bedeutung interessanter Proteine untersucht. Neben der Strukturaufklärung des nativen Proteins steht dabei immer die Charakterisierung des Reaktionsmechanismus und der Funktionsweise des Proteins auf molekularer Ebene im Vordergrund. Aktuelle Projekte konzentrieren sich auf die Katalyse durch Metallenzyme sowie auf pharmakologisch relevante Proteine im Bereich der extrazellulären Rezeptoren und der nachgeschalteten Signaltransduktion. Die Forschung ist an der Schnittstelle zwischen Biowissenschaften und Chemie angesiedelt. Als Beispiel seien hier vor allem die Aufklärung der chemischen Reaktionsmechanismen der Enzyme genannt sowie die Charakterisierung der molekularen Wirkungsweise synthetischer Wirkstoffe an den biologischen Targets durch Aufklärung der entsprechenden Komplexstrukturen.

Die Forschungsinteressen der Professur für Zelltechniken und angewandte Stammzellbiologie (Prof. Dr. Augustinus Bader) liegen auf dem Gebiet der Regenerativen Medizin. So konnten auf dem Arbeitsgebiet Verfahren und Aufbau von Bioreaktoren für die Kultivierung und Stimulation von dreidimensionalen, vitalen und mechanisch widerstandsfähigen Zelltransplantaten bedeutende Erfolge erzielt werden, diese Ergebnisse konnten international wie national patentiert werden. Die speziellen Anforderungen an die Kultivierung von Knorpelzellkonstrukten erfordern für die GMP-gerechte Ausführung den Aufbau und Betrieb eines Minibioreaktors (Imbiotor) mit angeschlossenem Biokreislauf. Porcine und humane Gelenkknorpelzellen werden hierbei in verschiedenen biokompatiblen Stützmatrizes unterschiedlicher Zusammensetzung kultiviert und zur Ausbildung der Knorpelstruktur mechanisch stimuliert. Die Wechselwirkung von Zellen mit den Stützmaterialien wird bioanalytisch charakterisiert und die Transplantate werden einer vergleichenden DNA-Microarray-Genexpressionsanalyse unterzogen. Die Entwicklung der kultivierungsbedingten Struktur des Bioreaktors, der sich durch sehr gute Resultate bei der Proliferation und Differenzierung der Zellen sowie durch eine scherkraftinduzierte Perfusion auszeichnet, ist abgeschlossen. Dieser zweistufige Stimulierungsreaktor beinhaltet eine integrierte Druckapplikation und wird in Zusammenarbeit mit anderen Gruppen des BBZ um ein komplexes Biosensorensystem aufgerüstet.
Eine weitere Entwicklungsrichtung von Bioreaktoren betrifft den Aufbau und die Austestung von modularen Bioreaktoren für Hepatozyten, die sich durch hohe Zellproduktionseffizienz auszeichnen. Durch Überexpression der Telomerase sollen humane Hepatozyten zur Proliferation gebracht und ihr Redifferenzierungspotenzial erhalten werden.
Im Projekt Hautersatz aus dermalen und epidermalen Komponenten aus synthetischen und biokompatiblen Membranen konnten mit Hilfe eines neuen Bioreaktorsystems erste Erfolge bei der gleichzeitigen Kultivierung von humanen Hautzellen erzielt werden.
Die hohe Rejektionsrate, die große Thrombogenizität und die fehlende antimikrobielle Wirksamkeit sowie Biokompatibilität der derzeitig angewendeten Gefäßprothesen stehen im Mittelpunkt des Medimplant-Projektes.
In der Nachwuchsgruppe Angewandte Molekulare Evolution (Dr. Susanne Brakmann) werden Nucleinsäure-Polymerasen und Exonucleasen mit Verfahren der gerichteten Evolution funktional optimiert. Wichtige Ergebnisse des vergangenen Jahres sind die lösliche Expression von drei Polymerasen, die Etablierung von Systemen zur Selektion von DNA- und RNA-Polymerasen in Escherichia coli sowie die Etablierung eines auf FRET-Detektion basierenden RNA-Polymerase-Assays.

Die Nachwuchsgruppe Molekulare Diagnostik - Mikroarray Technologien (Dr. Peter Ahnert) analysiert die Rolle der interindividuellen genetischen Diversität in der Ätiologie und Pathogenese von Autoimmunerkrankungen, insbesondere der rheumatoiden Arthritis. Autoimmunerkrankungen wie die rheumatoide Arthritis (RA) sind komplexe Erkrankungen mit verschiedenen ursächlichen Faktoren. Es ist bekannt, dass genetische Veranlagungen eine Rolle in der Entstehung und im Verlauf der Erkrankung spielen. Man weiß auch, dass andere Genorte als der bekannte HLA Lokus involviert sind. Um welche Gene und welche Varianten dieser Gene es dabei geht, ist hingegen weitgehend unbekannt. Die Analyse von Kandidatengenen und den darin vorkommenden Polymorphismen in Familien- und Fall-Kontroll-Studien kann darüber Aufschluss geben. Höchstwahrscheinlich sind Kombinationen von Genvarianten geringer Penetranz für das Krankheitsgeschehen verantwortlich. Methoden der Systembiologie stellen hier einen Lösungsansatz dar. Ziel des Projektes ist es, einen Beitrag zur Aufklärung der genetischen Komponente der RA zu leisten und Methoden zur genetischen Analyse komplexer Erkrankungen weiterzuentwickeln.

Wir wenden statistische Methoden auf die Analyse biologischer Netzwerke an, um Kandidatengene zu identifizieren, wählen SNPs aus öffentlichen Datenbanken und verwenden das GENOLINK System (basierend auf Primerextension und Massenspektrometrie) für die Genotypisierung. Für die Genotyp-Phänotyp-Analyse werden Methoden der genetischen Statistik sowie Maschinenlernverfahren verwendet.
Die Nachwuchsgruppe Molekulare Infektionsmedizin (Dr. Reinhard Straubinger) befasst sich mit Impfstrategien bei der Lyme-Borreliose des Hundes, mit Persistenzmechanismen von Borrelia burgdorferi und dem Einfluss von IL-23 und IL-17 auf die chronische Lyme-Arthritis. Lyme-Borreliose (im englischen Sprachraum "Lyme disease") ist eine durch Zecken übertragene und durch aktiv bewegliche Bakterien aus der Familie der Spirochäten (Borrelia burgdorferi sensu lato) hervorgerufene Infektionskrankheit bei Mensch und Tier. Trotz einer ausgeprägten humoralen und zellulären Immunantwort des Wirtes und trotz antibiotischer Behandlung können Borrelien in Geweben infizierter Wirte persistieren. Zudem wurde gezeigt, dass Borrelia burgdorferi nicht nur in der typischen Spiralenform vorzufinden ist, sondern dass das Bakterium unter Stressbedingungen sich in kugelförmige Gebilde ("Zysten") verwandeln kann. Das klinische Bild der Krankheit ist beim Menschen durch drei Phasen gekennzeichnet. Tage bis Wochen nach der Infektion mit dem Erreger Borrelia burgdorferi kann sich um die Eintrittspforte die Hautfarbe verändern, welches als eine kreisförmige Rötung zu erkennen ist (Erythema migrans). Wochen bis Monate später können akute Entzündungserscheinungen in Gelenken, dem Nervensystem und im Herzen das klinische Bild prägen. Unter Umständen entwickeln einige Patienten Jahre nach der Infektion chronische Entzündungen in den Gelenken. Die dazu beitragenden Mechanismen sind weitgehend unbekannt. In diesem Zusammenhang untersucht die Gruppe die Pathogenese unterstützende oder sogar auslösende Rolle der Zytokine Interleukin (IL)-23 und IL-17 im Mausmodell. Weiterhin wird der Frage nachgegangen, ob die beobachtete Zystenform die Grundlage für die Persistenz der Infektionen ist, und schließlich wird die Immunantwort im Hund nach Impfung mit handelsüblichen Impfstoffen gegen den Erreger der Lyme-Borreliose, die in Europa und den USA vertrieben werden, quantitativ und qualitativ untersucht.

Arbeitsgebiet der Nachwuchsgruppe Protein Engineering (Dr. Thomas Greiner? Stöffele) ist die Anwendung und Entwicklung von Methoden für das rationale Protein-Design und für die in vitro Evolution von Proteinen. Es wurden vorrangig zwei Projekte bearbeitet. Zum einen wurde die in den letzten Jahren bearbeitete Stabilisierung von Exonuclease III aus E. coli weitergeführt. Hierfür wurden weitere rationale Mutationen in das Protein eingeführt und Assay-Systeme für die in vitro Evolution des Enzyms entwickelt. Ein weiteres zu Exonuclease III homologes Protein aus einem thermophilen Organismus (Methanothermobacter thermautotrophicus) wurde isoliert, rekombinant produziert und charakterisiert. Das Enzym zeigt starke DNA-Bindungseigenschaften kombiniert mit einer schwachen DNase-Aktivität. Zum anderen wurde ein neues Screening-Verfahren zur Durchmusterung von sehr großen Varianten-Bibliotheken von Proteinen entwickelt. An Hand des Beispiel-Enzyms RNase T1 wurde die Methodik erarbeitet und etabliert. RNase T1 spaltet einzelsträngige RNA mit einer sehr hohen Präferenz nach Guanosin-Resten. Unter Anwendung des Verfahrens konnte erstmals eine RNase T1-Variante isoliert werden, welche RNA besser nach Adenosin-Resten spaltet. Dies entspricht einer Verschiebung der Spezifität um einen Faktor 1.000.000. Mit der detaillierten Charakterisierung der Variante wurde begonnen.

Von der Nachwuchsgruppe Protein-Ligand-Wechselwirkung mittels Ionen-Cyclotron-Resonanz-Massenspektrometrie (Dr. Andrea Sinz) werden Methoden und Anwendungsprotokolle für einen Einsatz der Fourier Transformation-Ionen-Cyclotron-Resonanz (FTICR)-Massenspektrometrie zur Analyse komplexer Proteingemische entwickelt. Mit einer Kombination aus mehreren chromatographischen Trennschritten unter Verwendung der Nano-HPLC (High Performance Liquid Chromatography) sollen in Kopplung mit der Nano-ESI (Elektrospray Ionisation)-FTICR-Massenspektrometrie mehrere Hunderte von Proteinen aus komplexen Proteingemischen, wie z.B. E.coli Zell-Lysaten, identifiziert werden.
Weiterhin befasst sich die Gruppe damit, niederaufgelöste dreidimensionale Strukturen von Proteinkomplexen mit einer Kombination von chemischem Cross-Linking und hochauflösender Massenspektrometrie zu bestimmen. Nach der Cross-Linking-Reaction werden die Reaktionsgemische mit Hilfe der Nano-HPLC / Nano-ESI-FTICR-Massenspektrometrie untersucht. Anhand der durch chemisches Cross-Linking erhaltenen ‚Distance Constraints' werden niederaufgelöste dreidimensionale Strukturmodelle für Proteinkomplexe erstellt.
Außerdem werden mit Hilfe der ESI-FTICR-Massenspektrometrie non-kovalente Peptid/Metall-Komplexe charakterisiert. Die Metallbindungsfähigkeiten eines vom Seeigelprotein Bindin abgeleiteten Peptides sowie dessen Mutanten, bei denen Histidinreste durch Serinreste ersetzt wurden, werden mit ESI-FTICRMS untersucht. Sowohl Stöchiometrie als auch relative Bindungsaffinitäten der Peptid/Metall-Komplexe sollen bestimmt werden.

Die Nachwuchsgruppe Strukturaufklärung membranassoziierter Proteine mittels Festkörper-NMR (Dr. Daniel Huster) beschäftigte sich insbesondere mit der Charakterisierung der Struktur und Dynamik membrangebundener Moleküle wie das Ras-Protein, Bacteriorhodopsin und das fusionsfördernde Peptid B18. Dabei wurden insbesondere Strukturinformationen über den membranbindenden C-Terminus des Ras-Proteins sowie über Strukturveränderungen des membrangebundenen B18-Peptides im Verlauf der Fusion gewonnen. Umfangreiche Dynamikuntersuchungen am Bacteriorhodopsin zeigten eine sehr heterogen verteilte schnelle Rückgratdynamik dieses Moleküls. Weitere Untersuchungen wurden zur Beeinflussung der Membranmorphologie durch die Gegenwart von Fluoreszenzsonden, Spinsonden und Cholesterolanaloga durchgeführt. Der Einsatz von paramagnetischen Relaxationsraten zur Bestimmung der Membranproteintopologie wurde erfolgreich demonstriert. In umfangreichen Untersuchungen zur Struktur und Dynamik der makromolekularen Komponenten des Knorpelgewebes konnten die Gewebeeigenschaften auf atomaren Längenskalen beschrieben werden.