Wir interessieren uns für die regulatorischen Interaktionen von Gram-positiven Bakterien mit ihrer Umwelt, sowie für ihre Adaptionsprozesse auf Umweltveränderungen. Dieser Informationsfluss zwischen einer Zelle und ihrer Umgebung wird als Signaltransduktion bezeichnet. Als hauptsächliche Modellorganismen unserer Forschung dienen hierbei Bacillus subtilis (Firmicutes = Gram-positive mit niedrigem G+C Gehalt) sowie Streptomyces venezuelae (Actinobacteria = Gram-positive mit hohem G+C Gehalt). Des Weiteren bearbeiten wir auch noch biotechnologische Fragestellungen mit der nicht-konventionellen Hefe Yarrowia lipolytica.

Ein Kerngebiet unserer Forschung besteht in der Identifizierung und Charakterisierung neuartiger Signaltransduktionsmechanismen (Zweikomponentensysteme oder sog. ECF-Sigmafaktoren), wobei vor allem die Frage, WIE Bakterien ihre Umweltreize wahrnehmen im Mittelpunkt steht. Desweiteren interessieren wir uns für die molekularen Grundlagen regulatorischer Spezifität an Schnittstellen der Reizweiterleitung. Ein dritter Fokus befasst sich mit der Einbettung solcher Systeme in komplexe Signaltransduktionskaskaden und Regulationsnetzwerke. Um ein umfassendes (systembiologisches) Verständnis zu erlangen kombinieren wir Methoden der vergleichenden Genomik mit klassischen molekulargenetischen und biochemischen Ansätzen. Desweiteren finden auch Einzelzellanalysen und mathematische Modellierungen Anwendung. Mittels solcher Forschungsansätze haben wir eine Reihe ungewöhnlicher Zweikomponentensysteme charakterisiert, die an der Vermittlung von Antibiotikaresistenzen beteiligt sind. Desweiteren konnten wir zeigen, dass es sich bei ECF-Sigmafaktoren um einen fundamentalen und hochgradig diversen Mechanismus bakterieller Signaltransduktion handelt, wobei zahllose neuartige ECF-abhängige Regulationswege identifiziert werden konnten.

Letztlich wird unsere Arbeit es uns erlauben, regulatorische Systeme gezielt zu verändern und neu in Zellen zu verschalten. Solche modifizierten regulatorischen Schalter sollen dazu verwendet werden komplexe Expressionsprogramme, z.B. bei der Antibiotikaproduktion, in zellbasierten Biofabriken zu steuern. Weitere Inhalte unserer Forschung auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie sind die Entwicklung standardisierter genetischer Werkzeuge für Bacillus subtilis, sowie die Evaluierung ihrer Endosporen als enzymatisch funktionalisierte biologische Partikel.

***********English***********

We are interested in how Gram-positive bacteria communicate with, and respond to changes occurring within their environment. The information flow between a cell and its surrounding is called signal transduction. Our primary model organisms are Bacillus subtilis (Firmicutes: low G+C Gram-positive) and Streptomyces venezuelae (Actinobacteria: high G+C Gram-positive). In addition, we also study the biotechnological use of the nonconventional yeast Yarrowia lipolytica.

Our primary research focus is to identify and characterize signal transducing systems (two-component systems, TCSs, and extracytoplasmic function sigma factors, ECFs) involved in mediating bacterial stress responses with a special emphasize on HOW bacteria detect their input signal, i.e. the mechanism of stimulus perception. Moreover, we investigate the molecular basis for the specificity of interaction interfaces in bacterial signaling. A third central area of research is to understand how those systems are embedded in and wired within complex regulatory networks and global signaling cascades.

To gain such systems biology understanding, we combine approaches from comparative genomics, molecular genetics, and biochemistry, with single cell studies and mathematical modeling. This strategy was successfully used to characterize unusual TCSs involved in mediating antibiotic resistance. Moreover, we established ECFs as the third pillar of bacterial signal transduction and identified numerous novel mechanisms of ECF-dependent signal transduction.

Our work will ultimately allow us to re-design and deliberately re-wire regulatory systems. The resulting novel switches will be used to orchestrate complex expression programs in cell-based biofactories. Other Synthetic Biology projects focus on the development of standardized genetic tools for Bacillus subtilis and the use of their endospores as enzymatically functionalized microparticles.

Research Area

• Gene regulation and extracytoplasmic function sigma factors
• Stress response signaling and two-component systems
• Synthetic Biology and applied microbiology