Biologie in unserer Zeit (BiuZ - E-Journal)
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CRISPR-Cas tools for Haloarchaea:
No full textAufgrund ihrer komplexen und ungewöhnlichen Biologie ist die Entwicklung von Werkzeugen für Archaea nicht einfach, und bisher stand kein Werkzeug zur Genrepression zur Verfügung. Fast alle Archaea besitzen jedoch CRISPR-Cas-Systeme, die eine exzellente Quelle für die Entwicklung von Methoden sind. Wie wir am Beispiel des Haloarchaeons Haloferax volcanii zeigen, können diese CRISPRCas-Systeme in Werkzeuge zur Genrepression verwandelt werden: Entfällt nach Deletion der Effektornuklease Cas3 der Abbau der Ziel-DNA, bleibt der Cascade-Komplex gebunden und blockiert den Zugang für die RNA-Polymerase (CRISPRi). Genrepression mittels Cascade ist ein effizientes und wertvolles Werkzeug, um auch in Archaea essentielle Gene studieren zu können. CRISPRi ist modular und kann schnell und einfach durch den Austausch der crRNA gegen ein anderes Zielgen gerichtet werden. Hier fassen wir die Schritte zur Umnutzung des CRISPR-Cas-Systems von H. volcanii zusammen und berichten von Anwendungen aus unserem Labor.Due to their complex and unusual biology, the development of tools for archaea is not simple and so far, no tool for the regulation of gene repression has been available. However, all of archaea have CRISPR-Cas systems, which are an excellent source for the development of new methods. Using haloarchaeon Haloferax volcanii as an example, we show that these CRISPR-Cas systems can be transformed into tools for gene repression: If the degradation of the target DNA does not take place upon deletion of the effector nuclease Cas3, the Cascade complex remains bound and blocks the access for RNA polymerase (CRISPRi). Cascade-based gene repression is an efficient and valuable tool to study essential genes in archaea. CRISPRi is highly modular and can quickly and easily be directed towards a different target gene by the exchange of the crRNA. Here we summarize the steps to repurpose the CRISPR-Cas system of H. volcanii and report on applications in our laboratory
Biologie in unserer Zeit 5/24 - Sonderheft CRISPR-Cas ... mehr als nur Verteidigung
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Teil 3: Mehr Kuhfladen in die Landschaft – oder: Was es mit dem Insektensterben auf sich hat
Full text linkMit Monet lernen, wie grauer Star das Sehvermögen ändert
Full text linkDer französische Impressionist Claude Monet ist für Biolog/-innen ein besonders faszinierender Maler. Zum einen befreite er als junger Künstler die Malerei aus den verstaubten Ateliers der Akademie und führte sie ins Freie. Zum anderen zeigt sein Spätwerk, wie sich die Sicht verändert, wenn sich im Alter die Augenlinsen trüben. Die Ausstellung „Monets Garten“ nähert sich dem Werk des Impressionisten auf interaktive Weise
Irregular terpenes: A new biosynthetic pathway expands the terpene portfolio in bacteria:
No full textDie Sodorifen- und Chlororaphen-Biosynthese zeigen eindrucksvoll, dass sich in Bakterien ein weiterer Weg der Terpenbiosynthese etabliert hat, der zu neuen, bisher unbekannten Naturprodukten führt. Für diese Biosynthesen sind vor allem die Eigenschaften zweier Enzyme, die der bifunktionellen SAMabhängigen FPP-Methyltransferase mit zyklisierender Enzymaktivität und die einer Terpensynthase mit abweichender Substratakzeptanz, als essentiell hervorzuheben. Es wurde somit eine von der C5-basierenden Isoprenregel abweichende Möglichkeit der Modifizierung der klassischen Prenylpyrophosphat-Substrate zu C16- oder C17-zyklisierten Substraten dokumentiert und führt damit zur Erweiterung oder Modifikation des 136 Jahre alten Isoprendogmas.The biosyntheses of sodorifen and chlororaphen demonstrate impressively that in bacteria an additional way of terpene biosynthesis was established which results in the production of new – so far unknown – natural terpene products. For these biosynthetic pathways, especially the properties of two specialized enzymes are responsible. This is on the one hand a bifunctional SAM-dependent FPP-methyltransferase with cyclase activity and on the other hand a terpene synthase with altered substrate specificity. Thus, it has been documented that – deviating from the C5 unit-depending isoprene rule – there is another possibility of modifying classical prenyl pyrophosphates to C16 or C17 cyclized substrates. Subsequently, the 136-year-old isoprene dogma has to be expanded or modified
Offene Daten, offene Wissenschaft?
Full text linkOpen Science bedeutet einen Paradigmenwechsel: In Datenrepositorien zugängliche Originaldaten anderer Autor/-innen werden wie selbst erhobene Forschungsdaten für die Bearbeitung von eigenen, meist übergreifenden Fragestellungen verwendet. Dabei handelt es sich nicht nur um Daten einer Publikation, sondern um alle brauchbaren Daten einer Studie, die sog. Primärdaten. Durch das Teilen von Daten entsteht ein potenzieller Mehrwert. Daraus ergibt sich die Pflicht, auch die eigenen Forschungsdaten offen zugänglich und für andere nutzbar abzulegen (Open Data).Dies bietet – zumal beim Einsatz von Künstlicher Intelligenz – ein enormes wissenschaftliches Potenzial. Damit sich dieses auch entfalten kann, ist es notwendig, mit den Daten nach den FAIR-Prinzipien umzugehen – das heißt, das eigene Datenkonvolut muss auffindbar, zugänglich, interoperabel und nachnutzbar (englisch: findable, accessible, interoperable, and reusable = FAIR) sein.Die FAIR-Prinzipien liegen sowohl dem EU Data Act als auch dem EU Data Governance Act als den beiden Säulen der europäischen Datenstrategie zugrunde, die in eigenen Gesetzen der Mitgliedsländer einen Niederschlag finden. Forschungsdaten aus den Biowissenschaften haben unterschiedliche Inhalte, etwa Biodiversitäts- und Vorkommensdaten, Taxondaten, umweltbiologische bzw. ökologische Daten, nicht-molekulare Analysedaten sowie molekulare, zumeist Sequenzdaten. Sie werden in unterschiedlichen Datenbanken (Open data resources) verwahrt und stehen allen Forschenden zur Verfügung.Nicht für alle Daten einheitlich zu beantworten ist die Frage nach den Eigentumsrechten an dem deponierten Datenkonvolut. Dabei spielen Gesichtspunkte wie die Originalität der Generierung, der Zweck der Nutzung, der Finanzierung des Forschungsvorhabens sowie der zeitlich definierte Schutz der Daten eine Rolle. Das große Potenzial des freien Datenzugangs ist allerdings nicht ohne Schattenseiten, gerade im Hinblick auf den Missbrauch von an sich nützlichen Biodaten (Dual Use of Concern). Gleichwohl ist „Offene Wissenschaft“ – unterstützt durch eine verbindliche Empfehlung der UNESCO – auf dem besten Weg vom Konzept hin zur gelebten guten wissenschaftlichen Praxis.Open science means a paradigm shift: Deposited in a database, data from other researchers are used like data that have been collected by themselves for new research questions, usually of an overarching nature. This approach does not only apply to data which are selected for a publication but also to all trustworthy data, so-called primary data. Sharing data results in a considerable added value. Thus, researchers are obliged to deposit their own research data as “open data” in public databases. In particular in combination with artificial intelligence, this generates an enormous scientific potential. To enable its unfolding, it is necessary that those data researchers provide must meet the principles: findability, accessibility, interoperability, and reusability (FAIR).These principles underlie the EU Data Act as well as the EU Data Governance Act, both of them representing the pillars of the European Data Strategy, and are reflected in the individual laws of the European member states. Research data in biosciences deal with different contents such as: biodiversity and occurrence data, taxon data, environmental and ecological data, non-molecular analysis data, and molecular – predominantly – sequence data. They are stored in domain-specific databases and are at the scientific community’s free disposal.A difficult matter is the right of data ownership, as this question cannot be answered easily. Several aspects must be considered, e. g. ingenuity/originality of the scientific project and its approach, the purpose of the use of the data, the funding of the project, as well as the protection of the data (e. g. for patents) for a defined period of time. Admittedly, the great potential of free access to data is not without dark sides, especially with regard to the misuse of biodata that are actually useful (Dual Use of Concern). Nevertheless, Open science, supported by the binding UNESCO Recommendation, is well on the way of becoming a lived and good scientific practice
Environmental DNA from the past:
No full textAlle Organismen hinterlassen DNA-Spuren in ihrer Umgebung, und diese Spuren können unter den richtigen Bedingungen über sehr lange Zeit erhalten bleiben. Wir können diese alte Umwelt-DNA nutzen, um Arten aus der Vergangenheit zu identifizieren und Zeitreihen ganzer ökologischer Gemeinschaften zu rekonstruieren. Dies ermöglicht bisher nie dagewesene Erkenntnisse über den Wandel der biologischen Vielfalt in zahlreichen Ökosystemen der Vergangenheit. Alte Umwelt-DNA entwickelt sich zu einem Standardansatz in der Ökologie und wird zunehmend genutzt, um zeitliche Biodiversitätsdaten zu liefern – von den Auswirkungen früherer Klimaveränderungen bis hin zum Verständnis der Biodiversitätsgrundlagen vor dem intensiven menschlichen Einfluss des Anthropozäns.All organisms leave DNA traces in their environments, and these traces can be preserved over a very long time under the right conditions. We can use such ancient environmental DNA to identify species from the past, and to reconstruct time series of entire ecological communities. This provides unprecedented insights into biodiversity change in numerous past ecosystems. Ancient environmental DNA is becoming a standard approach in ecology, and it is increasingly used to provide temporal biodiversity data, from the effects of ancient climate change to understanding biodiversity baselines before the intensive human impact of the Anthropocene
Neue Ausschreibung nach großem Erfolg
Full text linkIn 2023 konnte der große Erfolg des deutschen Teams bei der IBO 2022 noch einmal gesteigert werden: mit zwei Goldmedaillen und zwei sehr guten Silbermedaillen errang das deutsche Team einen herausragenden 9. Platz in der Nationenwertung und wurde das beste europäische Team (Abbildung 1)
Healing sickle cell anemia and β-thalassemia:
No full textSichelzellanämie und β-Thalassämie sind Krankheiten, die durch Punktmutationen im Hämoglobin-β-Gen verursacht werden. Beide Krankheiten beeinträchtigen die Gesundheit der Betroffenen erheblich und sind global weit verbreitet. Mit Hilfe der CRISPR-Cas-Technologie wurde das fetale Hämoglobin-F-Gen in CD34+-Stammzellen reaktiviert, wodurch diese Form des Hämoglobins die mutierte b-Variante ersetzen kann. Die Zellen wurden für dieses Verfahren entnommen und später in den Patienten zurückgegeben, so dass die Keimbahn des Patienten nicht beeinflusst wurde. Alle behandelten Patienten bildeten eine gesundheitlich relevante Menge an Hämoglobin F und zeigten deutlich reduzierte oder gar keine Krankheitssymptome mehr. Die EU, Großbritannien und die USA haben diese erste CRISPR-Cas-Therapie bereits zugelassen.Sickle cell anemia and β-thalassemia are diseases caused by point mutations in the hemoglobin β gene. Both diseases significantly affect the health of patients and are widespread worldwide. Using CRISPR-Cas technology, the fetal hemoglobin F gene was reactivated in CD34+ stem cells, allowing this form of hemoglobin to replace the mutated β variant. The cells were harvested for this procedure and later returned to the patient so that the patient’s germline was not affected. All treated patients produced a health-relevant amount of hemoglobin F and showed significantly reduced or no symptoms at all of the disease. The EU, the UK and the USA have already approved this first CRISPR-Cas therapy
Die Regulation der Genaktivität durch microRNA
No full textIm Rahmen ihrer Studien zur Larvalentwicklung von Caenorhabditis elegans entdeckten Victor Ambros und Gary Ruvkun erstmals das Prinzip der posttranskriptionalen Regulation von Genaktivitäten durch microRNA. Sieben Jahre später zeigten Ruvkun und Mitarbeiter anhand der microRNA let-7, dass dieser Mechanismus bei Metazoen bis hin zum Menschen weit verbreitet und nicht nur für die Individualentwicklung, sondern auch für die Physiologie adulter Organismen bedeutsam ist