Dokument: Development and implementation of optogenetic tools for controlling cellular processes in Chlamydomonas reinhardtii and Physcomitrium patens
| Titel: | Development and implementation of optogenetic tools for controlling cellular processes in Chlamydomonas reinhardtii and Physcomitrium patens | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=69477 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20260729-084648-9 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Deen Rozalén, Odette [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Zurbriggen, Matias [Gutachter] Gould, Sven B. [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Grundlagenforschung und biotechnologische Anwendungen erfordern häufig eine präzise Kontrolle zellulärer Prozesse. Die Synthetische Biologie, insbesondere die Optogenetik, bietet die Möglichkeit, verschiedenste zelluläre Abläufe – wie etwa die Genexpression oder den Ionentransport über unterschiedliche Membranen, darunter auch die Mitochondrienmembran – mit hoher räumlicher, zeitlicher und quantitativer Auflösung mittels lichtgesteuerter Werkzeuge zu regulieren.
Seit den frühen 2000er-Jahren kommen optogenetische Werkzeuge in tierischen Systemen zum Einsatz, ihre Anwendung in Pflanzen begann jedoch erst vor wenigen Jahren. Dieser zeitliche Rückstand ist hauptsächlich auf die zentrale Bedeutung von Licht für das Überleben photosynthetischer Organismen zurückzuführen. Die bisherigen Implementierungen konzentrierten sich überwiegend auf die Modellpflanze Arabidopsis thaliana, während andere grüne Modellorganismen wie Chlamydomonas reinhardtii und Physcomitrium patens bislang vergleichsweise wenig Beachtung fanden. Diese Organismen werden in unterschiedlichen Forschungsfeldern – etwa der Photosynthese oder der Entwicklungsbiologie – genutzt und sind auch für biotechnologische Anwendungen von großem Interesse. Im Rahmen dieser Arbeit erweitern wir das Spektrum optogenetischer Werkzeuge für diese beiden Organismen. In P. patens etablierten wir zunächst das PULSE-System – ein lichtgesteuertes Genexpressionssystem, das unter den üblichen Wachstumsbedingungen, d. h. unter Weißlicht-Dunkel-Zyklen, funktionsfähig bleibt. Zudem implementierten wir erstmals in diesem Moos das CRISPRa-System (CRISPR-Aktivierung), welches die Regulation endogener Promotoren ermöglicht. In Kombination mit dem PULSE-System erlaubte dies eine lichtgesteuerte Kontrolle endogener Genexpression in P. patens. In C. reinhardtii entwickelten wir eine optogenetische Plattform mit verschiedenen charakterisierten Komponenten, die eine standardisierte und effiziente Implementierung optogenetischer Werkzeuge zur Genregulation ermöglicht. Mit dieser „Opto-Toolbox“ und dem Wissen aus der quantitativen Charakterisierung verschiedener molekularer Komponenten – darunter synthetische Promotoren, Optoschalter und andere regulatorische Sequenzen – entwickelten wir das erste optogenetische Repressionssystem in C. reinhardtii, benannt CrBOff. Darüber hinaus schlugen wir Canavanin als neues Selektionssystem mit Antibiotikum-Analogie für C. reinhardtii vor und kombinierten es mit CrBOff, um die Antibiotikaresistenz lichtabhängig zu steuern. Darüber hinaus erzielten wir Fortschritte bei der lichtgesteuerten Regulation mitochondrialer Energetik in C. reinhardtii, indem wir lichtkontrollierte Kanäle und Pumpen (Opsine) in die innere Mitochondrienmembran einschleusten. Zusätzlich entwickelten wir eine Methode zur Messung von Veränderungen des mitochondrialen Membranpotentials dieser Alge. Diese Arbeit demonstriert das enorme Potenzial der Synthetischen Biologie und Optogenetik zur gezielten Steuerung und Untersuchung biologischer Prozesse in verschiedenen Organismen. Wir sind überzeugt, dass die hier entwickelten Werkzeuge fortgeschrittene und anspruchsvolle biotechnologische sowie biologische Studien in P. patens und C. reinhardtii wesentlich beschleunigen und ermöglichen werden.Fundamental research studies and biotechnological applications often require precise control over cellular processes. Synthetic biology, particularly optogenetics, offers the possibility of controlling diverse cellular processes, such as gene expression or ion fluxes across different membranes like the mitochondrial membrane, with high spatiotemporal and quantitative resolution by engineering tools that respond to light. Since the early 2000s, optogenetic tools have been applied in animal systems, but their implementation in plants only began a few years ago. This delay is primary due to the crucial role of light in the survival of photosynthetic organisms. Most implementations have been in the model plant Arabidopsis thaliana, with less focus on other model green organisms such as Chlamydomonas reinhardtii and Physcomitrium patens. These organisms are used in different research fields, including photosynthesis and development, and are also of significant interest for biotechnology. In this thesis, we expand the palette of optogenetic tools available for these two organisms. Firstly, in P. patens, we established the PULSE system, a plant light-controlled gene expression system that is not affected by the normal growth conditions, namely cycles of white light and darkness. Additionally, we implemented for the first time in this moss the CRISPR-activation (CRISPRa) system, which allows control over endogenous promoters, and combined it with the PULSE system to enable light-controlled regulation of endogenous promoters in P. patens. Secondly, in C. reinhardtii, we developed an optogenetic platform with several characterized components for the standardized and rapid implementation of optogenetic tools to control gene expression. Using this opto-toolbox and all the knowledge derived from the quantitative characterization of various molecular components, such as synthetic promoters, optoswitches and other regulatory sequences, we created the first optogenetic repression system in C. reinhardtii, termed CrBOff. Furthermore, we proposed canavanine as a novel antibiotic selection marker for C. reinhardtii and combined it with CrBOff to control antibiotic resistance with light. Moreover, we made progress towards generating light-controlled mitochondria energetics in C. reinhardtii by targeting light-controlled channels and pumps (opsins) into the inner mitochondrial membrane, and we presented a method to monitor changes in mitochondrial membrane potential of this alga. This work demonstrates the extensive potential that synthetic biology and optogenetic offer for controlling and studying various biological processes in different organisms. We believe that the tools developed in this work will accelerate and enable more advanced and sophisticated biotechnological and biological studies in P. patens and C. reinhardtii. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 29.07.2026 | |||||||
| Dateien geändert am: | 29.07.2026 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 26.07.2024 | |||||||
| Datum der Promotion: | 11.12.2024 |
