@phdthesis{Pramanik2023,
  author    = {Pramanik, Shreya},
  title     = {Protein reconstitution in giant vesicles},
  doi       = {10.25932/publishup-61278},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-612781},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {VIII, 132},
  year      = {2023},
  abstract  = {Das Leben auf der Erde ist vielf{\"a}ltig und reicht von einzelligen Organismen bis hin zu mehrzelligen Lebewesen wie dem Menschen. Obwohl es Theorien dar{\"u}ber gibt, wie sich diese Organismen entwickelt haben k{\"o}nnten, verstehen wir nur wenig dar{\"u}ber, wie "Leben" aus Molek{\"u}len entstanden ist. Die synthetische Bottom-up-Biologie zielt darauf ab, minimale Zellen zu schaffen, indem sie verschiedene Module wie Kompartimentierung, Wachstum, Teilung und zellul{\"a}re Kommunikation kombiniert. Alle lebenden Zellen haben eine Membran, die sie von dem sie umgebenden w{\"a}ssrigen Medium trennt und sie sch{\"u}tzt. Dar{\"u}ber hinaus haben alle eukaryotischen Zellen Organellen, die von intrazellul{\"a}ren Membranen umschlossen sind. Jede Zellmembran besteht haupts{\"a}chlich aus einer Lipiddoppelschicht mit Membranproteinen. Lipide sind amphiphile Molek{\"u}le, die molekulare Doppelschichten aus zwei Lipid-Monoschichten oder Bl{\"a}ttchen bilden. Die hydrophoben Ketten der Lipide sind einander zugewandt, w{\"a}hrend ihre hydrophilen Kopfgruppen die Grenzfl{\"a}chen zur w{\"a}ssrigen Umgebung bilden. Riesenvesikel sind Modellmembransysteme, die Kompartimente mit einer Gr{\"o}ße von mehreren Mikrometern bilden und von einer einzigen Lipiddoppelschicht umgeben sind. Die Gr{\"o}ße der Riesenvesikel ist mit der Gr{\"o}ße von Zellen vergleichbar und macht sie zu guten Membranmodellen, die mit einem Lichtmikroskop untersucht werden k{\"o}nnen. Allerdings fehlen den Riesenvesikelmembranen nach der ersten Pr{\"a}paration Membranproteine, die in weiteren Pr{\"a}parationsschritten in diese Membranen eingebaut werden m{\"u}ssen. Je nach Protein kann es entweder {\"u}ber Ankerlipide an eines der Membranbl{\"a}ttchen gebunden oder {\"u}ber seine Transmembrandom{\"a}nen in die Lipiddoppelschicht eingebaut werden. Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung von Riesenvesikeln und der Rekonstitution von Proteinen in diesen Vesikeln. Außerdem wird ein mikrofluidischer Chip entworfen, der in verschiedenen Experimenten verwendet werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden anderen Forschern helfen, die Protokolle f{\"u}r die Herstellung von GUVs zu verstehen, Proteine in GUVs zu rekonstituieren und Experimente mit dem mikrofluidischen Chip durchzuf{\"u}hren. Auf diese Weise wird die vorliegende Arbeit f{\"u}r das langfristige Ziel von Nutzen sein, die verschiedenen Module der synthetischen Biologie zu kombinieren, um eine Minimalzelle zu schaffen.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Demin2022,
  author    = {Demin, Paul},
  title     = {Blaulicht-aktivierbares Proteinexpressionssystem in Saccharomyces cerevisiae},
  doi       = {10.25932/publishup-55969},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559696},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {127},
  year      = {2022},
  abstract  = {Synthetische Transkriptionsfaktoren bestehen wie nat{\"u}rliche Transkriptionsfaktoren aus einer DNA-Bindedom{\"a}ne, die sich spezifisch an die Bindestellensequenz vor dem Ziel-Gen anlagert, und einer Aktivierungsdom{\"a}ne, die die Transkriptionsmaschinerie rekrutiert, sodass das Zielgen exprimiert wird. Der Unterschied zu den nat{\"u}rlichen Transkriptionsfaktoren ist, sowohl dass die DNA-Bindedom{\"a}ne als auch die Aktivierungsdom{\"a}ne wirtsfremd sein k{\"o}nnen und dadurch k{\"u}nstliche Stoffwechselwege im Wirt, gr{\"o}ßtenteils chemisch, induziert werden k{\"o}nnen. Optogenetische synthetische Transkriptionsfaktoren, die hier entwickelt wurden, gehen einen Schritt weiter. Dabei ist die DNA-Bindedom{\"a}ne nicht mehr an die Aktivierungsdom{\"a}ne, sondern mit dem Blaulicht-Photorezeptor CRY2 gekoppelt. Die Aktivierungsdom{\"a}ne wurde mit dem Interaktionspartner CIB1 fusioniert. Unter Blaulichtbestrahlung dimerisieren CRY2 und CIB1 und damit einhergehend die beiden Dom{\"a}nen, sodass ein funktionsf{\"a}higer Transkriptionsfaktor entsteht. Dieses System wurde in die Saccharomyces cerevisiae genomisch integriert. Verifiziert wurde das konstruierte System mit Hilfe des Reporters yEGFP, welcher durchflusszytometrisch detektiert werden konnte. Es konnte gezeigt werden, dass die yEGFP Expression variabel gestaltet werden kann, indem unterschiedlich lange Blaulichtimpulse ausgesendet wurden, die DNA-Bindedom{\"a}ne, die Aktivierungsdom{\"a}ne oder die Anzahl der Bindestellen, an dem sich die DNA-Bindedom{\"a}ne anlagert, ver{\"a}ndert wurden. Um das System f{\"u}r industrielle Anwendungen attraktiv zu gestalten, wurde das System vom Deepwell-Maßstab auf Photobioreaktor-Maßstab hochskaliert. Außerdem erwies sich das Blaulichtsystem sowohl im Laborstamm YPH500 als auch im industriell oft verwendeten Hefestamm CEN.PK als funktional. Des Weiteren konnte ein industrierelevante Protein ebenso mit Hilfe des verifizierten Systems exprimiert werden. Schlussendlich konnte in dieser Arbeit das etablierte Blaulicht-System erfolgreich mit einem Rotlichtsystem kombiniert werden, was zuvor noch nicht beschrieben wurde.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{ChandrakanthShetty2021,
  author    = {Chandrakanth Shetty, Sunidhi},
  title     = {Directed chemical communication in artificial eukaryotic cells},
  doi       = {10.25932/publishup-53364},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-533642},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2021},
  abstract  = {Eukaryotic cells can be regarded as complex microreactors capable of performing various biochemical reactions in parallel which are necessary to sustain life. An essential prerequisite for these complex metabolic reactions to occur is the evolution of lipid membrane-bound organelles enabling compartmental- ization of reactions and biomolecules. This allows for a spatiotemporal control over the metabolic reactions within the cellular system. Intracellular organi- zation arising due to compartmentalization is a key feature of all living cells and has inspired synthetic biologists to engineer such systems with bottom-up approaches. Artificial cells provide an ideal platform to isolate and study specific re- actions without the interference from the complex network of biomolecules present in biological cells. To mimic the hierarchical architecture of eukaryotic cells, multi-compartment assemblies with nested liposomal structures also re- ferred to as multi-vesicular vesicles (MVVs) have been widely adopted. Most of the previously reported multi-compartment systems adopt bulk method- ologies which suffer from low yield and poor control over size. Microfluidic strategies help circumvent these issues and facilitate a high-throughput and robust technique to assemble MVVs of uniform size distribution. In this thesis, firstly, the bulk methodologies are explored to build MVVs and implement a synthetic signalling cascade. Next, a polydimethylsiloxane (PDMS)-based microfluidic platform is introduced to build MVVs and the significance of PEGylated lipids for the successful encapsulation of inner com- partments to generate stable multi-compartment systems is highlighted. Next, a novel two-inlet channel PDMS-based microfluidic device to create MVVs encompassing a three-step enzymatic reaction cascade is presented. A directed reaction pathway comprising of the enzymes α-glucosidase (α-Glc), glucose oxidase (GOx), and horseradish peroxidase (HRP) spanning across three compartments via reconstitution of size-selective membrane proteins is described. Furthermore, owing to the monodispersity of our MVVs due to microfluidic strategies, this platform is employed to study the effect of com- partmentalization on reaction kinetics. Further integration of cell-free expression module into the MVVs would allow for gene-mediated signal transduction within artificial eukaryotic cells. Therefore, the chemically inducible cell-free expression of a membrane protein alpha-hemolysin and its further reconstitution into liposomes is carried out. In conclusion, the present thesis aims to build artificial eukaryotic cells to achieve size-selective chemical communication that also show potential for applications as micro reactors and as vehicles for drug delivery.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kirchhofer2021,
  author    = {Kirchhofer, Tabea},
  title     = {The development of multi - compartmentalised systems for the directed organisation of artificial cells},
  doi       = {10.25932/publishup-52842},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-528428},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {II, 126},
  year      = {2021},
  abstract  = {Membrane contact sites are of particular interest in the field of synthetic biology and biophysics. They are involved in a great variety of cellular functions. They form in between two cellular organelles or an organelle and the plasma membrane in order to establish a communication path for molecule transport or signal transmission. The development of an artificial membrane system which can mimic membrane contact sites using bottom up synthetic biology was the goal of this research study. For this, a multi - compartmentalised giant unilamellar vesicle (GUV) system was created with the membrane of the outer vesicle mimicking the plasma membrane and the inner GUVs posing as cellular organelles. In the following steps, three different strategies were used to achieve an internal membrane - membrane adhesion.},
  language  = {en}
}
@article{delaCruzMachensMesserschmidtetal.2019,
  author    = {de la Cruz, Jorge Gonzalez and Machens, Fabian and Messerschmidt, Katrin and Bar-Even, Arren},
  title     = {Core Catalysis of the Reductive Glycine Pathway Demonstrated in Yeast},
  series = {ACS synthetic biology},
  volume    = {8},
  journal   = {ACS synthetic biology},
  number    = {5},
  publisher = {American Chemical Society},
  address   = {Washington},
  issn      = {2161-5063},
  doi       = {10.1021/acssynbio.8b00464},
  pages     = {911 -- 917},
  year      = {2019},
  abstract  = {One-carbon (C1) compounds are attractive microbial feedstocks as they can be efficiently produced from widely available resources. Formate, in particular, represents a promising growth substrate, as it can be generated from electrochemical reduction of CO2 and fed to microorganisms in a soluble form. We previously identified the synthetic reductive glycine pathway as the most efficient route for aerobic growth on formate. We further demonstrated pathway activity in Escherichia coli after expression of both native and foreign genes. Here, we explore whether the reductive glycine pathway could be established in a model microorganism using only native enzymes. We used the yeast Saccharomyces cerevisiae as host and show that overexpression of only endogenous enzymes enables glycine biosynthesis from formate and CO2 in a strain that is otherwise auxotrophic for glycine. We find the pathway to be highly active in this host, where 0.125 mM formate is sufficient to support growth. Notably, the formate-dependent growth rate of the engineered S. cerevisiae strain remained roughly constant over a very wide range of formate concentrations, 1-500 mM, indicating both high affinity for formate use and high tolerance toward elevated concentration of this C1 feedstock. Our results, as well the availability of endogenous NAD-dependent formate dehydrogenase, indicate that yeast might be an especially suitable host for engineering growth on formate.},
  language  = {en}
}
@article{BrechunArndtWoolley2018,
  author    = {Brechun, Katherine Emily and Arndt, Katja Maren and Woolley, G. Andrew},
  title     = {Selection of protein-protein interactions of desired affinities with a bandpass circuit},
  series = {Journal of molecular biology : JMB},
  volume    = {431},
  journal   = {Journal of molecular biology : JMB},
  number    = {2},
  publisher = {Elsevier},
  address   = {London},
  issn      = {0022-2836},
  doi       = {10.1016/j.jmb.2018.11.011},
  pages     = {391 -- 400},
  year      = {2018},
  abstract  = {We have developed a genetic circuit in Escherichia coli that can be used to select for protein-protein interactions of different strengths by changing antibiotic concentrations in the media. The genetic circuit links protein-protein interaction strength to beta-lactamase activity while simultaneously imposing tuneable positive and negative selection pressure for beta-lactamase activity. Cells only survive if they express interacting proteins with affinities that fall within set high- and low-pass thresholds; i.e. the circuit therefore acts as a bandpass filter for protein-protein interactions. We show that the circuit can be used to recover protein-protein interactions of desired affinity from a mixed population with a range of affinities. The circuit can also be used to select for inhibitors of protein-protein interactions of defined strength. (C) 2018 Elsevier Ltd. All rights reserved.},
  language  = {en}
}
@misc{LukanMachensColletal.2018,
  author    = {Lukan, Tjaša and Machens, Fabian and Coll, Anna and Baebler, Špela and Messerschmidt, Katrin and Gruden, Kristina},
  title     = {Plant X-tender},
  series = {Postprints der Universit{\"a}t Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe},
  journal   = {Postprints der Universit{\"a}t Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe},
  number    = {990},
  issn      = {1866-8372},
  doi       = {10.25932/publishup-44628},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-446281},
  pages     = {21},
  year      = {2018},
  abstract  = {Cloning multiple DNA fragments for delivery of several genes of interest into the plant genome is one of the main technological challenges in plant synthetic biology. Despite several modular assembly methods developed in recent years, the plant biotechnology community has not widely adopted them yet, probably due to the lack of appropriate vectors and software tools. Here we present Plant X-tender, an extension of the highly efficient, scarfree and sequence-independent multigene assembly strategy AssemblX,based on overlapdepended cloning methods and rare-cutting restriction enzymes. Plant X-tender consists of a set of plant expression vectors and the protocols for most efficient cloning into the novel vector set needed for plant expression and thus introduces advantages of AssemblX into plant synthetic biology. The novel vector set covers different backbones and selection markers to allow full design flexibility. We have included ccdB counterselection, thereby allowing the transfer of multigene constructs into the novel vector set in a straightforward and highly efficient way. Vectors are available as empty backbones and are fully flexible regarding the orientation of expression cassettes and addition of linkers between them, if required. We optimised the assembly and subcloning protocol by testing different scar-less assembly approaches: the noncommercial SLiCE and TAR methods and the commercial Gibson assembly and NEBuilder HiFi DNA assembly kits. Plant X-tender was applicable even in combination with low efficient homemade chemically competent or electrocompetent Escherichia coli. We have further validated the developed procedure for plant protein expression by cloning two cassettes into the newly developed vectors and subsequently transferred them to Nicotiana benthamiana in a transient expression setup. Thereby we show that multigene constructs can be delivered into plant cells in a streamlined and highly efficient way. Our results will support faster introduction of synthetic biology into plant science.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Naseri2018,
  author    = {Naseri, Gita},
  title     = {Plant-derived transcription factors and their application for synthetic biology approaches in Saccharomyces cerevisiae},
  doi       = {10.25932/publishup-42151},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421514},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {187},
  year      = {2018},
  abstract  = {Bereits seit 9000 Jahren verwendet die Menschheit die B{\"a}ckerhefe Saccharomyces cerevisiae f{\"u}r das Brauen von Bier, aber erst seit 150 Jahren wissen wir, dass es sich bei diesem unerm{\"u}dlichen Helfer im Brauprozess um einzellige, lebende Organismen handelt. Und die B{\"a}ckerhefe kann noch viel mehr. Im Rahmen des Forschungsgebietes der Synthetischen Biologie soll unter anderem die B{\"a}ckerhefe als innovatives Werkzeug f{\"u}r die biobasierte Herstellung verschiedenster Substanzen etabliert werden. Zu diesen Substanzen z{\"a}hlen unter anderem Feinchemikalien, Biokraftstoffe und Biopolymere sowie pharmakologisch und medizinisch interessante Pflanzenstoffe. Damit diese verschiedensten Substanzen in der B{\"a}ckerhefe hergestellt werden k{\"o}nnen, m{\"u}ssen große Mengen an Produktionsinformationen zum Beispiel aus Pflanzen in die Hefezellen {\"u}bertragen werden. Dar{\"u}ber hinaus m{\"u}ssen die neu eingebrachten Biosynthesewege reguliert und kontrolliert in den Zellen ablaufen. Auch Optimierungsprozesse zur Erh{\"o}hung der Produktivit{\"a}t sind notwendig. F{\"u}r alle diese Arbeitsschritte mangelt es bis heute an anwendungsbereiten Technologien und umfassenden Plattformen. Daher wurden im Rahmen dieser Doktorarbeit verschiedene Technologien und Plattformen zur Informations{\"u}bertragung, Regulation und Prozessoptimierung geplant und erzeugt. F{\"u}r die Konstruktion von Biosynthesewegen in der B{\"a}ckerhefe wurde als erstes eine Plattform aus neuartigen Regulatoren und Kontrollelementen auf der Basis pflanzlicher Kontrollelemente generiert und charakterisiert. Im zweiten Schritt erfolgte die Entwicklung einer Technologie zur kombinatorischen Verwendung der Regulatoren in der Planung und Optimierung von Biosynthesewegen (COMPASS). Abschließend wurde eine Technologie f{\"u}r die Prozessoptimierung der ver{\"a}nderten Hefezellen entwickelt (CapRedit). Die Leistungsf{\"a}higkeit der entwickelten Plattformen und Technologien wurde durch eine Optimierung der Produktion von Carotenoiden (Beta-Carotin und Beta-Ionon) und Flavonoiden (Naringenin) in Hefezellen nachgewiesen. Die im Rahmen der Arbeit etablierten neuartigen Plattformen und innovativen Technologien sind ein wertvoller Grundbaustein f{\"u}r die Erweiterung der Nutzbarkeit der B{\"a}ckerhefe. Sie erm{\"o}glichen den Einsatz der Hefezellen in kosteneffizienten Produktionswegen und alternativen chemischen Wertsch{\"o}pfungsketten. Dadurch k{\"o}nnen zum Beispiel Biokraftstoffe und pharmakologisch interessante Pflanzenstoffe unter Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen, Reststoffen und Nebenprodukten hergestellt werden. Dar{\"u}ber hinaus ergeben sich Anwendungsm{\"o}glichkeiten zur Bodensanierung und Wasseraufbereitung.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Hochrein2017,
  author    = {Hochrein, Lena},
  title     = {Development of a new DNA-assembly method and its application for the establishment of a red light-sensing regulation system},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404441},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {146},
  year      = {2017},
  abstract  = {In der hier vorgelegten Doktorarbeit wurde eine Strategie zur schnellen, einfachen und zuverl{\"a}ssigen Assemblierung von DNS-Fragmenten, genannt AssemblX, entwickelt. Diese kann genutzt werden, um komplexe DNS-Konstrukte, wie beispielsweise komplette Biosynthesewege, aufzubauen. Dies dient der Produktion von technisch oder medizinisch relevanten Produkten in biotechnologisch nutzbaren Organismen. Die Vorteile der Klonierungsstrategie liegen in der Schnelligkeit der Klonierung, der Flexibilit{\"a}t bez{\"u}glich des Wirtsorganismus, sowie der hohen Effektivit{\"a}t, die durch gezielte Optimierung erreicht wurde. Die entwickelte Technik erlaubt die nahtlose Assemblierung von Genfragmenten und bietet eine Komplettl{\"o}sung von der Software-gest{\"u}tzten Planung bis zur Fertigstellung von DNS-Konstrukten, welche die Gr{\"o}ße von Mini-Chromosomen erreichen k{\"o}nnen. Mit Hilfe der oben beschriebenen AssemblX Strategie wurde eine optogenetische Plattform f{\"u}r die B{\"a}ckerhefe Saccharomyces cerevisiae etabliert. Diese besteht aus einem Rotlicht-sensitiven Photorezeptor und seinem interagierenden Partner aus Arabidopsis thaliana, welche in lichtabh{\"a}ngiger Weise miteinander agieren. Diese Interaktion wurde genutzt, um zwei Rotlicht-aktivierbare Proteine zu erstellen: Einen Transkriptionsfaktor, der nach Applikation eines Lichtpulses die Produktion eines frei w{\"a}hlbaren Proteins stimuliert, sowie eine Cre Rekombinase, die ebenfalls nach Bestrahlung mit einer bestimmten Wellenl{\"a}nge die zufallsbasierte Reorganisation bestimmter DNS-Konstrukte erm{\"o}glicht. Zusammenfassend wurden damit drei Werkzeuge f{\"u}r die synthetische Biologie etabliert. Diese erm{\"o}glichen den Aufbau von komplexen Biosynthesewegen, deren Licht-abh{\"a}ngige Regulation, sowie die zufallsbasierte Rekombination zu Optimierungszwecken.},
  language  = {en}
}
@misc{MachensBalazadehMuellerRoeberetal.2017,
  author    = {Machens, Fabian and Balazadeh, Salma and M{\"u}ller-R{\"o}ber, Bernd and Messerschmidt, Katrin},
  title     = {Synthetic Promoters and Transcription Factors for Heterologous Protein Expression in Saccharomyces cerevisiae},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-403804},
  pages     = {11},
  year      = {2017},
  abstract  = {Orthogonal systems for heterologous protein expression as well as for the engineering of synthetic gene regulatory circuits in hosts like Saccharomyces cerevisiae depend on synthetic transcription factors (synTFs) and corresponding cis-regulatory binding sites. We have constructed and characterized a set of synTFs based on either transcription activator-like effectors or CRISPR/Cas9, and corresponding small synthetic promoters (synPs) with minimal sequence identity to the host's endogenous promoters. The resulting collection of functional synTF/synP pairs confers very low background expression under uninduced conditions, while expression output upon induction of the various synTFs covers a wide range and reaches induction factors of up to 400. The broad spectrum of expression strengths that is achieved will be useful for various experimental setups, e.g., the transcriptional balancing of expression levels within heterologous pathways or the construction of artificial regulatory networks. Furthermore, our analyses reveal simple rules that enable the tuning of synTF expression output, thereby allowing easy modification of a given synTF/synP pair. This will make it easier for researchers to construct tailored transcriptional control systems.},
  language  = {en}
}