Die Technologieplattform PolyOmics am Centrum für Biotechnologie der Universität Bielefeld

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1 Die Technologieplattform PolyOmics am Centrum für Biotechnologie der Universität Bielefeld Jörn Kalinowski Institut für Genomforschung und Systembiologie Centrum für Biotechnologie, Universität Bielefeld

2 Die Technologieplattform PolyOmics im Wettbewerb BIO.NRW Antragsteller: Prof. Dr. A. Pühler, Senior Research Group Genomics of Industrial Microorganisms Prof. Dr. Karsten Niehaus, Department of Proteome and Metabolome Research Dr. Jörn Kalinowski, Technology Platform Genomics Weitere geförderte Plattformen - Biokatalyse (Uni Dortmund) - Expression (FZ Jülich) - Aufarbeitung (Uni Dortmund; BMBF)

3 Das Centrum für Biotechnologie der Universität Bielefeld (CeBiTec) Institute for Bioinformatics Institute for Genome Research and Systems Biology Institute for Biophysics and Nanoscience Institute for Biochemistry and Bioengineering International Graduate School in Bioinformatics and Genome Research The laboratory building of the Center for Biotechnology at Bielefeld University Technology Platform Genomics Bioinformatics Resource Facility

4 PolyOmics am CeBiTec Genom- und Metagenomsequenzierung Transkriptomforschung, DNA-Microarrays Proteomforschung, Massenspektrometrie Metabolomforschung und Fluxomics Bioinformatik von Genom/Postgenomdaten

5 Projektziele Genom-basierte Entwicklung von Produktionsstämmen und Optimierung von Produktionsprozessen Optimierung von Produktionsprozessen durch Analyse von Produktionsstämmen unter Fermentationsbedingungen Aber: vorwettbewerblich (Forschung)!

6 Genom-basierte Entwicklung von Produktionsstämmen Optimierung der Hochdurchsatz-Genomsequenzierung und der metabolischen Modellierung von Produktionsorganismen Entwicklung eines Verfahrens zur Generkennung bei einzelligen Eukaryonten durch Hochdurchsatzsequenzierung von cdna Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur Genomreduktion von Bakterien Entwicklung von Genregulationssystemen für den fermentativen Einsatz

7 Optimierung der Hochdurchsatz-Genomsequenzierung und der metabolischen Modellierung von Produktionsorganismen Bacterial Genomes Sequenced at the Center of Biotechnology at Bielefeld University Bacterial Strain Agriculture Genome Size [Mb] Microarray Reference Sinorhizobium meliloti Galibert et al., Science 293, (2001) Azoarcus sp. BH Krause et al., Nature Biotechnol. 24, (2006) Xanthomonas campestris pv. vesicatoria Thieme et al., J.Bacteriol. 187, (2005) Xanthomonas campestris pv. campestris B100 Clavibacter michiganensis pv. michiganensis J. Biotechnology 134, (2008) J. Bacteriology 190, (2008) Environment Alcanivorax borkumensis SK Schneiker et al., Nature Biotechnol 24, (2006) Industrial Production Corynebacterium glutamicum ATCC Kalinowski et al., J.Biotechnol. 104, 5-25 (2003) Corynebacterium jeikeium K Tauch et al., J.Bacteriol. 187, (2005) Sorangium cellulosus So ce Schneiker et al, Nature Biotechnol 25, (2007)

8 Das Genom des Aminosäureroduzenten Corynebacterium glutamicum Circular representation of the C. glutamicum ATCC chromosome. J. Kalinowski et al. (2003) J. Biotechnol., 104:5-26

9 B B Rekonstruktion von Metabolismus und Transport Isoleucine Valine Sucrose Glucose Fructose Threonine Isoleucine brnq ilvd ilvc ilvbn ilva thre Pyruvate Threonine metb aecd -NH2 thrc thrb Homoserine Methionine - S - H2N OOH metx meth mete metf -NH2 brnef ilve mety Homocysteine Valine H2N hom OOH pdxr Keto-isovalerate Aspartate semialdehyde dapa dapb dapd dapc ddh dape dapf mure Meso-Diaminopimelate lysa Lysine -NH2 lysg lyse Pantothenate Beta-alanine -NH2 N = O panc ilvc panb asd lysc Aspartate lysi pand Cell wall synthesis mqo ppc pck fruk scrb pfka pgi pfk Glucose-6 Fructose-6 Fructose-1,6-BisP Oxalacetate mdh fum ptsi ptsh ptss Sucrose-6 = O = O ptsi ptsh ptsg Phospho transferase system (PTS) acee pyc lpd lpda Acetyl-CoA sdhabc glta = O acea aceb mez = O -CoA Citrate HOO- pyk P-enol eno gpm pgk Pyruvate 2-Glycerate 3-Glycerate pyruvate HOO- ppsa HOO- sucab -CoA acn icd poxb = O zwf2 devb gnd rpe tal = O pentose phosphate pathway tkt rpi prsa rbsk pgma Acetate ptsi ptsh ptsf Fructose-1 fda Dihydroxy acetone = O Glycerine aldehyde-3 Glycerate 1,3-BisP HOO- NH2- tpi = O gap Lysine

10 Genombasierte Stammoptimierung bei C. glutamicum Ohnishi et al. Appl. Microbiol. Biotechnol.58, 217ff (2002)

11 Sequenziertechniken am CeBitec 454/Roche 454 GS FLX TM Sequencer (Roche Diagnostics) Currently 0.5 Gbp/10 hour run (400 bp reads) ~ 2-8 bacterial genomes or 1 yeast/fungus at 25fold coverage

12 Sequenziertechniken am CeBiTec Solexa/Illumina 454 GS FLX TM Sequencer (Roche Diagnostics) Solexa TM Genetic Analyzer (Illumina) Currently 55 Gbp/10 days run (100 bp reads) ~ a mammalian genome at 15fold coverage

13 Sequenziertechniken am CeBitec Assembly

14 Genomsequenzierung am CeBitec 454/Roche Ein vollständiges Genom mit einem Schuß! Automatische Rekonstruktion des Stoffwechsels

15 Optimierung von Produktionsprozessen mittels Expressions- und Metabolitanalysen Erprobung von neuen genomischen Microarrays für Produktionsorganismen und Transkriptom-Sequenzierung Entwicklung von Methoden zur Identifizierung von kleinen regulatorischen RNAs bei industriell relevanten Bakterien Erweiterung von Metabolitdatenbanken durch die Analyse metabolischer Mutanten Entwicklung optimierter Quenching-Methoden für zelluläre Enzymaktivitäten

16 Optimierung von Produktionsprozessen mittels Expressions- und Metabolitanalysen - Datenaufnahme Wildtype Producer Glukose, Laktat /[g/l], po2 /[%] exponentielles Wachstum keine Begasung Begasung C-Quelle eingeschaltet verbraucht T1 T2 T3 T4 T5 T Rührerdrehzahl /rpm, ln[od600] *100 On-line / Off-line Process parameters Zeit /[ h] Glukose /[g/l] Laktat /[g/l] po2 /[%] Rührerdrehzahl /[rpm] ln[od600]*100 Product quantification Transcriptome analysis Metabolome analysis

17 Optimierung von Produktionsprozessen mittels Expressions- und Metabolitanalysen - Datenintegration

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!