Projektbeschreibung
Hochaufgelöste Genexpression auf Einzelmolekülebene
Das EU-finanzierte Projekt DYNOME untersucht die Kinetik der Genexpression auf Einzelzell- und Einzelmolekülebene, um herauszufinden, wie statistische Gesetze die biologische Variabilität regulieren. Dabei werden mehrere innovative Ansätze kombiniert: eine hochauflösende Detect-and-Bleach-Strategie, mehrfarbige Barcodes zur Parallelkontrolle von bis zu sechs Genen, Lineage-Tracking-Tools und Lab-on-a-Chip-Bioreaktoren zur Kontrolle der Wachstumsbedingungen. Mit der biodynamischen Plattform kann die Dynamik der Genexpression bei Einzelmolekülen und -zellen für mehrere Gene und Generationen gleichzeitig überwacht werden. DYNOME ist ein Modellsystem, um stochastische Entscheidungsereignisse auf Bakterien und eukaryotische Zellen anzuwenden. Analysiert wird der stochastische Phänotypenwechsel (an Bacillus subtilis), die Entwicklung nicht genetisch vermittelter Arzneimittelresistenz (an Escherichia coli) und Zellzykluskontrolle (an Saccharomyces cerevisiae). Indem die zelluläre Individualität mit kinetischen Modellen untersucht wird, könnten künftig bahnbrechende Arzneimittel gegen bakterielle Infektionen, neue Zellfunktionen sowie allgemeine Konzepte für biologische Variabilität entwickelt werden.
Ziel
Gene expression is an inherently stochastic process. Random expression bursts cause tremendous cell-to-cell variations in mRNA and protein levels. The consequences are beneficial in some instances, e.g. in cell differentiation, and harmful in others, e.g. in bacterial drug tolerance. A key interest in biology is therefore to decipher the kinetics that characterise this noise. What is the distribution of transcription rates in a cell population? Are gene expression dynamics heritable? Do gene networks communicate via the Morse code of expression burst? Detailed answers to these questions are pending due to insufficient methods to temporally resolve gene expression noise at single-molecule resolution. A transparent cell is needed for which transcription and translation kinetics is accessible for many genes in parallel. DYNOME is my answer to this challenge. DYNOME combines (i) a super-resolution detect-and-bleach strategy, (ii) multi-colour barcoding to monitor up to six genes in parallel, (iii) a lineage tracking tool, and (iv), lab-on-a-chip bioreactors to steer growth conditions. Using this innovative bio-dynamics platform, I will monitor gene expression dynamics at the single-molecule level for many genes in single cells at the same time over many generations. My targets for DYNOME are stochastic decision-making events in bacteria and in eukaryotic cells that include (i) a stochastic phenotype switch (B. subtilis), (ii) the development of non-genetic drug resistance (E. coli), and (iii) cell cycle control (S. cerevisiae). The results will reach far beyond these organisms. Decrypting cell-individuality with kinetic models will be a breakthrough both in basic and in applied sciences with impacts on the development of drugs against bacterial invasions, the design of new and useful functionalities in cells, and on our understanding of how biological variability arises from the laws of statistical physics.
Wissenschaftliches Gebiet (EuroSciVoc)
CORDIS klassifiziert Projekte mit EuroSciVoc, einer mehrsprachigen Taxonomie der Wissenschaftsbereiche, durch einen halbautomatischen Prozess, der auf Verfahren der Verarbeitung natürlicher Sprache beruht. Siehe: https://op.europa.eu/en/web/eu-vocabularies/euroscivoc.
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