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Elektronenbilanz für die Biomassesynthese: Hat mein Professor Recht?

Elektronenbilanz für die Biomassesynthese: Hat mein Professor Recht?



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Ich lerne für meine Prüfung und bin auf diese Notizen gestoßen, die der Professor selbst geschrieben hat. Er spricht über die allgemeine Reaktion der Biomasseproduktion in einem Bioreaktor:

$$ce{C6H12O6 + NH4+ + O2 -> $mathrm{C_wH_xO_yN_z}$ + CO2 + H2O + H+} ext{(nicht bilanziert)}$$

Irgendwann macht er die "Reduktionsbilanz" für diese Reaktion: Er berechnet den "Reduktionsgrad" der Elemente (den er genauso definiert wie ich die Oxidationszahl) und hier kommt das Problem.

Er gibt den "Reduktionsgrad" von an C in Glukose ist +4 und der von Ö in Ö2 ist -2.

Unterscheidet sich "Reduktionsgrad" von der Oxidationszahl? Gibt es bestimmte Möglichkeiten, Oxidationszahlen zu berechnen, wenn Sie über Biomasse sprechen?

Danke für deine Hilfe.


Die Bedingungen sind unterschiedlich.
Die Oxidationszahl ist der Unterschied in der Anzahl der Elektronen (nicht der Paare) von der elementaren Form (die für viele Elemente nur auf dem Papier existiert) eines Atoms.
Reduktionsgrad ist ein seltenerer Begriff, der im Grunde die Anzahl der Elektronen ist, die Atome in einem Molekül pro Atom eines bestimmten Elements abgeben. Sie wird formal berechnet, indem die Anzahl der Elektronen, die zum Erreichen einer vollen Schale (H=1, C=4, N=-3, O=-2, P=5, S=6 usw.) abgegeben wurden, dividiert durch die Anzahl der ein bestimmtes Element, aber das ist verwirrender als alles andere.
Kohlenstoff kann viermal oxidiert werden, z.B. Methan > Methanol > Formaldehyd > Formiat > Kohlendioxid (kein biologischer Weg, nur ein Beispiel), während Sauerstoff zweimal reduziert werden kann: zu Wasserstoffperoxid und dann zu Wasser. Als Beweis produzieren die meisten O2-abhängigen Enzyme Wasserstoffperoxid (z.B. FADH2-Enzyme). Das ist eine Cheat-Methode, um herauszufinden, woher diese Zahlen stammen.
Ich würde empfehlen, die formalen Berechnungen der Oxidationszahlen zu vergessen – in der Biologie werden Oxidationszahlen von Kohlenstoff im Allgemeinen nicht diskutiert.
Ich öffne die kurze Klammer der Oxidationsstufen von Kohlenstoff, nur um darauf hinzuweisen, dass sie nicht diese sind: -1 für eine Wasserstoffbindung, +1 für Sauerstoff und 0 für eine C-C-Bindung. Kohlenmonoxid hat daher eine Oxidationsstufe von +4, während ein C in Glucose (im Durchschnitt) eine -1 hat. Molekularer Sauerstoff hat zwei identische Atome, daher ist 0. Elementarer Kohlenstoff hat 6 Elektronen, so dass Sie hypothetisch nicht mehr als +6 Kohlenstoff entfernen können. Hier ist es wichtig herauszufinden, wie oft ein Kohlenstoff in einem Molekül oxidiert werden kann, d. h. wie viele Elektronenpaare ein Molekül abgeben kann, wenn jedes Mal NAD+ (Katabolismus) oder NADP+ (Anabolismus) reduziert wird Schlüssel zur Zelle. Eine Dehydratase entfernt eine Hydroxylgruppe und hinterlässt ein Alken, aber sie führt keine Redoxreaktion durch: Die Geometrie ist nicht mehr sp3, sondern sp2, und die Oxidationsstufe hat sich in diesem Kohlenstoff um 1 verringert, aber Kohlenstoff hat seine Elektronen behalten -der andere Kohlenstoff stieg bei der Deprotonierung um 1 an, so dass keine Nettoänderung und kein NADH erzeugt wird.
Es ist wichtig zu wissen, wie viele Elektronenpaare von Glukose zu Kohlendioxid abgegeben werden, da Zellen sie nicht verschwinden lassen können und ein terminaler Elektronenakzeptor entweder in Form von Atmung oder Fermentation benötigt wird. Es gibt ein weiteres Konzept, das des Reduktionspotentials. In der Natur werden verschiedene Formen von terminalen Elektronenakzeptoren verwendet: Sauerstoff, Fe(III), Sulfat usw. und diese haben unterschiedliche "Energie"-Niveaus, bei denen sie die Elektronen aufnehmen (Reduktionspotential, gemessen in Volt), was sich in unterschiedliche Mengen von . übersetzt Energie, die während der Reaktion abgesaugt werden kann.


Synthese eines funktionellen Biomasse-Hydrogels auf Ligninbasis mit hoher Quell- und Adsorptionsfähigkeit gegenüber Acid Red 73

Als Rohstoff wurde in dieser Studie Natriumligninsulfonat (LS) verwendet. Acrylamid (AM) und Acryloxyethyltrimethylammoniumchlorid (DAC) wurden auf LS durch die radikalische Pfropfcopolymerisation gepfropft, um ein funktionelles Biomasse-Terpolymer-Hydrogel-Adsorptionsmittel (LAD) auf Ligninbasis zu synthetisieren. Die Auswirkungen verschiedener Faktoren auf die LAD-Adsorption von Acid Red (AR 73) wurden mit der statischen Adsorptionsmethode untersucht. LAD adsorbiertes AR 73 (C0= 100 mg·L –1 ) für 2 h, um das Gleichgewicht zu erreichen, und die Gleichgewichtsadsorptionskapazität und -entfernungsrate betrugen 47,59 mg·g –1 bzw. 95,18 %. Das Quellverhältnis des hergestellten LAD-Hydrogels für 2 h betrug 25 g·g –1 , und die Wasserverlustrate in Ethanol-Lösungsmittel in 120 min betrug 93,51 %. Die Adsorption von AR 73 durch LAD stimmte mit dem Langmuir-Isothermen-Adsorptionsmodell überein. Diese Adsorption war eine Einzelmoleküladsorption mit einer maximalen Adsorptionskapazität von 409,84 mg·g –1 . Die Adsorption war ein Prozess der spontanen Wärmefreisetzung und Entropiereduktion. Die Adsorptionskinetik entsprach dem Modell pseudo-zweiter Ordnung und die Aktivierungsenergie der Adsorption betrug 2.501 kJ·moL −1 . Darüber hinaus war der Adsorptionsmechanismus eine elektrostatische Anziehung und umfassende Auswirkungen der physikalischen und chemischen Adsorption und Wasserstoffbindung. Das LAD-Hydrogel-Adsorptionsmittel hat eine bemerkenswerte Adsorptionswirkung auf AR 73 und kann als effizientes und recycelbares Biomasse-Adsorptionsmittel zur Behandlung von anionischem Farbstoffabwasser verwendet werden.

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Abstrakt

Die Forschung und Technologieübersetzung in der synthetischen Biologie stößt bei Regierungen und privaten Investoren in Asien auf zunehmendes Interesse, wo die Technologie ein großes Potenzial hat, eine nachhaltige biobasierte Wirtschaft voranzutreiben. Diese Perspektive gibt einen Überblick über die neuesten Entwicklungen in den Schlüsseltechnologien der synthetischen Biologie und deren Anwendung in der Bioherstellung, Medizin, Ernährung und Landwirtschaft in Asien. Die auf Asien ausgerichteten Stärken in der synthetischen Biologie zum Wachstum der biobasierten Wirtschaft, wie Fortschritte in der Genom-Editierung und die Präsenz von Biogießereien in Kombination mit der Verfügbarkeit natürlicher Ressourcen und riesiger Märkte, werden ebenfalls hervorgehoben. Die potenziellen Hindernisse für die nachhaltige Entwicklung des Bereichs, einschließlich unzureichender Infrastruktur und Politik, mit Vorschlägen zu deren Überwindung durch den Aufbau öffentlich-privater Partnerschaften, wirksamerer multilateraler Zusammenarbeit und eines gut entwickelten Governance-Rahmens werden vorgestellt. Schließlich wird die Rolle von Technologie, Bildung und Regulierung bei der Eindämmung potenzieller Biosicherheitsrisiken untersucht. Durch diese Diskussionen sind Interessenvertreter aus verschiedenen Gruppen, einschließlich Wissenschaft, Industrie und Regierung, voraussichtlich besser in der Lage, zur Etablierung von Innovations- und Bioökonomie-Hubs in Asien beizutragen.


Einführung

Kohlenstoffbilanz der Permafrostzone

Die Vereinten Nationen haben sich zum Ziel gesetzt, die Erwärmung auf 2 °C über den vorindustriellen Temperaturen zu begrenzen, um das Risiko der schädlichsten Folgen des Klimawandels zu mindern (UNEP 2013). Um das globale Klima innerhalb dieses Ziels zu halten, müssen die Rückwirkungen der Ökosysteme auf den Klimawandel verstanden werden, damit angemessene Grenzwerte für menschliche Emissionen festgelegt werden können. Wenn sich die hohen Breiten erwärmen, wird ein größerer Teil des großen Permafrost-Kohlenstoffpools der Zersetzung, Verbrennung und dem hydrologischen Export ausgesetzt sein (Harden et al 2012, Schuur et al 2015). Bis 2100 könnten bis zu 220 Petagramm (Pg) Kohlenstoff aus dem Boden der Permafrostregion freigesetzt werden und bis 2300 500 Pg (MacDougall et al 2012, Schuur et al 2013), die 10–30 % der Treibhausgasemissionen ausmachen, die erforderlich sind, um das globale Klimasystem über das 2 °C-Ziel hinaus zu bringen (Schäfer et al 2014). Modelle prognostizieren, dass ein Teil der Kohlenstofffreisetzung aus dem Permafrost durch eine Zunahme der arktischen und borealen Primärproduktivität aufgrund der verlängerten Vegetationsperiode, CO ., ausgeglichen wird2 Düngung und Nährstofffreisetzung aus sich zersetzender organischer Bodensubstanz. Viele Prozesse und Dynamiken, von denen bekannt ist, dass sie die Biomasseakkumulation beeinflussen, wie Ökosystemstörungen und Nährstoffbeschränkungen, werden jedoch in aktuellen Modellen unvollständig dargestellt oder fehlen et al 2010, Koven et al 2011, Schäfer et al 2011, Koven et al 2015b). Ebenso berücksichtigen nur wenige Modelle, die die zukünftige Kohlenstofffreisetzung aus dem Permafrost vorhersagen, Waldbrandemissionen, und keines berücksichtigt den hydrologischen Kohlenstofffluss (Qian et al 2010, Koven et al 2011, Schäfer et al 2011, MacDougall et al 2012, Schäfer et al 2014), obwohl vergangene hydrologische Flüsse simuliert wurden (McGuire et al 2010, Laudon et al 2012, Kicklighter et al 2013). Trotz klarer politischer Implikationen dieses Klimafeedbacks schränkt eine beträchtliche Unsicherheit sowohl hinsichtlich des Kohlenstoffeintrags als auch des Kohlenstoffausstoßes unsere Fähigkeit ein, die Kohlenstoffbilanz der Permafrostregion zu modellieren. Um die besten verfügbaren quantitativen und qualitativen wissenschaftlichen Informationen zum Tragen zu bringen (Joly et al 2010) zu diesem Klima-Feedback präsentieren wir Ergebnisse aus Expertenumfragen, die darauf hindeuten, dass es wenig Konsens über das Ausmaß und sogar die Anzeichen einer Veränderung der Biomasse in hohen Breiten gibt, während die meisten Forscher erwarten, dass die Feueremissionen und der hydrologische organische Kohlenstofffluss bis zum Ende des Jahrhunderts.

Gutachten

Wenn Daten spärlich sind, Managemententscheidungen jedoch dringend sind, werden seit langem Expertenurteile verwendet, um mögliche Systemreaktionen und das Risiko gefährlicher oder unerwünschter Ergebnisse einzuschränken (Zickfeld et al 2010, Morgan 2014). Es gibt mehrere Methoden zum Sammeln und Kombinieren von Expertenmeinungen, einschließlich formeller Experteninterviews, interaktiver Software und Umfragen (Aspinall 2010, Javeline et al 2013, Morgan 2014). Während die Expertenbewertung Fragen der zukünftigen Systemreaktion nicht definitiv beantworten kann, ergänzt sie Modellierung und empirische Ansätze, indem sie die Synthese formaler und informeller Systeminformationen ermöglicht und Forschungsprioritäten identifiziert (Abbildung 1 Sutherland et al 2013, Morgan 2014). Der Ansatz ähnelt dem Konzept von Ensemblemodellen, bei denen mehrere Schätzungen, die auf unterschiedlichen Annahmen und Daten basieren, eine robustere Schätzung und Varianzmessung liefern. Da es sich bei der Versuchseinheit um einen einzelnen Forscher handelt, repräsentiert jeder Datenpunkt eine Integration von quantitativem Wissen aus Modellierungs-, Feld- und Laborstudien sowie qualitativen Informationen basierend auf professionellen Meinungen und persönlichen Erfahrungen mit dem System. Die Expertenbewertung wurde bei der Risikobewertung und Vorhersage von Naturkatastrophen, menschlichen Auswirkungen auf Ökosysteme und Kipppunkten im Klimasystem verwendet (Halpern et al 2008, Lenton et al 2008, Aspinall 2010). In einer Umgebung mit begrenzten Daten wie der Permafrostregion ermöglicht die Expertenbewertung die formale Berücksichtigung einer Reihe von Faktoren, die bekanntermaßen die Kohlenstoffbilanz beeinflussen, aber für die Einbeziehung in Modelle nicht ausreichend quantifiziert sind. Für die Kohlenstoffbilanz des Permafrosts umfassen diese Faktoren die Nährstoffdynamik, nichtlineare Verschiebungen in der Vegetationsgemeinschaft, menschliche Störungen, Land-Wasser-Interaktionen und die Beziehung der Permafrostdegradation mit dem Wasserhaushalt.

Abbildung 1. Konzeptuelles Modell der Rolle der Expertenbewertung bei der Generierung und Vermittlung von wissenschaftlichem Verständnis. Modellierung und Feldforschung generieren ein quantitatives und qualitatives Verständnis des Systems (in diesem Fall der Permafrostzone). Die Expertenbewertung synthetisiert das aktuelle Verständnis einschließlich qualitativer Informationen, die noch nicht in numerischen Modellen oder Feldstudien enthalten sind. Diese Synthesen bieten der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine Perspektive und der nicht-wissenschaftlichen Gemeinschaft ganzheitliche Zusammenfassungen des Wissensstandes mit dem Ziel, das Management des Systems zu verbessern.

Da genaue empirische oder modellbasierte Bewertungen der kritischen Faktoren, die die Kohlenstoffbilanz der Permafrostregionen beeinflussen, in naher Zukunft unwahrscheinlich sind (Harden et al 2012) haben wir Schätzungen der Komponenten der Netto-Kohlenstoffbilanz von Ökosystemen von 98 Experten für Permafrostregionen gesammelt (Tabelle 1). Wir hatten zwei Hauptziele: (1) das aktuelle Verständnis des Zeitpunkts und des Ausmaßes der Ansammlung von Biomasse außerhalb des Bodens, des hydrologischen organischen Kohlenstoffflusses und der Kohlenstoffemissionen von Waldbränden zu bewerten und (2) die wichtigsten Unsicherheitsquellen in der Kohlenstoffbilanz in hohen Breiten zu identifizieren, um zukünftige Forschung informieren.

Tabelle 1. Zusammensetzung und Eigenschaften der Teilnehmergruppe.

Biomasse Lauffeuer Hydrologischer Fluss
Anzahl der Befragten 46 34 35
Durchschnittliche Antworten pro Frage a 41 28 32
Primäre Studienregion
Asien 10 3 8
Europa 12 5 9
Nordamerika 27 27 18
Zirkumpolar 12 6 9
Primäres Studienbiom
Arktis 31 13 27
Borealis 27 29 18
Beide 14 9 12
Durchschnittliche Modellierung/Feld-Selbstbewertung b 3.6 3.7 4.1
Kombinierte langjährige Erfahrung 762 533 521
Verhältnis männlich:weiblich 2.6 2.8 4.9

Hintergrundinformationen zu Umfrageteilnehmern. Experten könnten mehrere Studienregionen und Biome angeben. a Nicht alle Experten haben zu allen Fragen Schätzungen abgegeben. b Experten bewerteten sich selbst auf einer Skala von 1 bis 5, wobei 1 = exklusiver Modellierer und 5 = exklusiver Feldforscher.


Jährliche Überprüfung der Pflanzenbiologie

ZIELE UND UMFANG DES ZEITSCHRIFTS: Die Jährliche Überprüfung der Pflanzenbiologie, seit 1950 veröffentlicht, behandelt die bedeutenden Entwicklungen auf dem Gebiet der Pflanzenbiologie, einschließlich Biochemie und Biosynthese, Genetik, Genomik und Molekularbiologie, Zelldifferenzierung, Gewebe-, Organ- und Ganzpflanzenereignisse, Akklimatisierung und Anpassung sowie Methoden und Modellorganismen.

Fruchtentwicklung und Reifung

Studien an Trockenfrüchten (wie dem kleinen Unkraut Arabidopsis) und fleischigen Früchten (wie unserem Freund, der Tomate) zeigen starke Ähnlichkeiten in den molekularen Schaltkreisen, die die Fruchtentwicklung und -reifung steuern, was Auswirkungen auf die Verbesserung der Ernte hat.

Mehrjährige Körner und Ölsaaten

Die derzeitigen Anbaumethoden bringen beispiellose Erträge, haben aber ihren Preis für das Ökosystem. Bodenerosion, Treibhausgasemissionen und Wasserverschmutzung resultieren aus der modernen Landwirtschaft. Welche Alternativen gibt es? Einige Wissenschaftler untersuchen das Potenzial von mehrjährigen Getreide- und Ölsaaten, um diese landwirtschaftlichen Herausforderungen zu lindern. Diese können die Gesundheit des Ökosystems unterstützen, aber auch weiterhin den Bedarf einer wachsenden Bevölkerung an getreideintensiveren Nahrungsmitteln decken?


Lust auf synthetische Biologie

Orangenschale wäre ohne Limonen ganz so pikant. Und Heimbäcker und Mixologen sind die einzigen, die das zu schätzen wissen. Limonen, das bis auf 5 % des ätherischen Öls von Orangenschalen ausmacht, wird industriell als Geschmacksquelle für Lebensmittel und als Duftstoff für Kosmetika und Haushaltsprodukte verwendet. Es wird auch als Ausgangsbasis für verschiedene pharmazeutische Produkte und als lösemittel- und entfettender Reiniger verwendet.

Das bei diesen Anwendungen verwendete Limonen ist ein Nebenprodukt der Saftindustrie. Die Familie Soudijin aus Bradenton, Florida, handelt in ihrem Unternehmen Florida Worldwide Citrus mit Limonen und etwa einem Dutzend anderer Zitrusnebenprodukte. Laut Produktmanager Matthew Soudijin, einem Enkel des Unternehmensgründers, ist der Preis für Limonen während der COVID-19-Pandemie weltweit in die Höhe geschossen, da die Nachfrage nach Reinigungsmitteln auf Verzögerungen bei der Zitrusernte und -verarbeitung durch globale Stillstände und Verlangsamungen stürzt .

Das Geschäft war schon hart. Die Orangenernte in Florida ist in den letzten Jahren stark zurückgegangen, da sich Citrus Greening, eine bakterielle Infektion, die durch Insektenschädlinge verbreitet wird, im ganzen Staat ausbreitet. Während Florida Worldwide Citrus einst hauptsächlich mit lokalen Produkten handelte, kommt der Großteil des Angebots heute von Erzeugern in anderen Ländern. Unvorhersehbares Wetter, das weltweit zunimmt, kann die Ernteerträge weiter beeinträchtigen.

&bdquoDer Preis schwankt tendenziell mit der Ernte&ldquo, sagte Soudijin und fügte hinzu, dass diese Schwankungen für unzufriedene Kunden sorgen können. &bdquoWenn Getränke- und Aromenhersteller 2 Dollar pro Kilo zahlen und dann sechs Monate später doppelt so viel, sehen sie das als Problem an.&bdquo

Um ihre Produktionskosten zu stabilisieren, würden diese Unternehmen lieber eine zuverlässige synthetische Quelle verwenden. Aber obwohl Limonen ein einfaches Molekül ist, hat es einen chiralen Haken: einen Kohlenstoff, dessen Bindungen auf zwei Arten angeordnet werden können, wodurch entweder D- oder L-Enantiomere entstehen. Während Zitrusfrüchte nur D-Limonen produzieren, produzieren viele Synthesemethoden eine Mischung der beiden Enantiomere. Die Mischung namens Dipenten eignet sich gut zum Entfetten von Ölwellen, kann jedoch für Duft- und Geschmackszwecke verwendet werden, denn während D-Limonen einen angenehmen Zitrusduft hat, riecht L-Limonen nach Terpentin.

Genau solche Probleme lösen synthetische Biologen gerne mit Enzymen, die von Natur aus stereoselektiv sind. Die industrielle Produktion von Vitaminen, Penicillin, Aminosäuren und vielen anderen chiralen Produkten hängt von der Fermentation im kommerziellen Maßstab unter Verwendung von Mikroben ab, die so konstruiert sind, dass sie molekulare Umwandlungen durchführen, die Zucker aus den Medien in wertvollere Moleküle umwandeln. Aber im Gegensatz zu vielen dieser Produkte ist Limonen für Zellen giftig.

Sarah Reisinger, Vizepräsidentin für Forschung und Entwicklung in der Biotechnologie beim Aromenhaus Firmenich, sagte im April gegenüber der Zeitschrift Parfümeur & Flavorist: &bdquoIch glaube, in den kommenden Jahren wird das Tempo der Einführung erneuerbarer Biotech-Inhaltsstoffe zunehmen&rdquo Sie fügte hinzu: &bdquoIch glaube, dass Biotech-Produkte bieten zusätzlich zur Erneuerbarkeit die Zuverlässigkeit, Konsistenz der Produktzusammensetzung und die Kosten, die die Branche braucht.&rdquo

In der Vergangenheit war Limonen so günstig erhältlich, dass es sich gelohnt hat, die Herausforderungen bei der Herstellung durch Fermentation zu meistern. Aber könnte Limonen jetzt mit einem Risiko von 300 Millionen US-Dollar zu einem dieser biotechnologischen Inhaltsstoffe werden?

Von Tricks des Fermentationshandels bis hin zu völlig neuen Ansätzen haben Forscher in Wissenschaft und Industrie eine Vielzahl von Möglichkeiten entwickelt, um ihre Organismen am Leben zu erhalten und gleichzeitig die Expression und Produktion von Limonen zu optimieren und einige neue Ansätze, deren Befürworter argumentieren, dass &ldquoalive&rdquo überbewertet wird. Sie werden immer besser darin, Limonen und verwandte Moleküle effizienter herzustellen. Ob diese Ansätze genügend Effizienz bringen, um biofermentiertes Limonen auf den Markt zu bringen, bleibt abzuwarten.

Auf Monoterpene hinarbeiten

Einen Organismus zu modifizieren, um ein neues Molekül zu produzieren, kann eine Herausforderung sein. Neue Stoffwechselwege können anderen Prozessen, die die Zelle zum Überleben braucht, Energie oder Bausteine ​​stehlen und den Organismus belasten. In einigen Fällen können sich das gewünschte Produkt oder seine Metaboliten bei ausreichend hohen Konzentrationen sogar als toxisch für den Organismus erweisen.

Claudia Vickers ist Direktorin der Future Science Platform in Synthetic Biology bei der australischen Commonwealth and Industrial Research Organization und hat auch ein Labor an der University of Queensland. Sie konzentriert sich in ihrer akademischen Arbeit auf die Entwicklung von Mikroben zur Erzeugung von Monoterpenen, einer Klasse von Molekülen einschließlich Limonen, die ungewöhnlich schwer herzustellen sind.

&bdquoDas Interessante an (Terpenen) ist, dass sie „modular sind&rdquo, sagte Vickers.&ldquoSie beginnen mit einem Fünf-Kohlenstoff-Produkt, das eine Prenylphosphat-Einheit aufweist, und es gibt eine Reihe von Kondensationsreaktionen, um Moleküle mit fünf, 10, 15, 20 (Kohlenstoff) herzustellen.&rdquo Nach dieser Verkettung von Untereinheiten verwenden andere Enzyme Energie aus dem verbleibenden Phosphat Gruppe, um molekulare Umwandlungen vorzunehmen, die die Terpenoidfamilie diversifizieren: das Molekül in zyklische Strukturen verdrehen oder seine Doppelbindungen oxidieren, um Methyl- oder Hydroxylgruppen hinzuzufügen.

Etwa 70.000 Terpene und Terpenoide sind bekannt. Ihre Funktionen sind fast ebenso zahlreich. Pflanzen verwenden Terpene zur Abwehr von Pflanzenfressern und als Bestandteile von Harzen, Hormonen und Zellmembranen sind die kleinsten, wie Limonen, flüchtig und an der intraspezifischen und artenübergreifenden Erkennung beteiligt. Vickers, der als Pflanzenbiologe ausgebildet wurde, sagte: &bdquoSie&rsquosind an fast allem beteiligt.&rdquo

Alle Zellen erzeugen Isopentenylpyrophosphat und Dimethylpyrophosphat, die beiden Fünf-Kohlenstoff-Vorstufen, und die meisten verwenden sie, um viel größere Lipide wie Sterine herzustellen. Pflanzen können jedoch ungewöhnlicherweise die 10-Kohlenstoff-Moleküle erzeugen, die als Monoterpene bekannt sind, wie Menthol, Limonen und Pinen. Mikroben dazu zu bringen, diese Moleküle zu produzieren, sei eine Herausforderung, sagte Vickers.

Die Future Science Platform führt einen Katalog von DNA, die für Enzyme mit unterschiedlichen Funktionen aus verschiedenen Organismen kodiert. Vickers nennt es ein Teile-Repository und beschwört eine Mischung aus Addgene und AutoZone. Limonen ist ein beliebtes Zielterpen unter Stoffwechselingenieuren, da es einen Teil, ein aktives und gut charakterisiertes Enzym, gibt, das es in einem einzigen Schritt aus einem 10-Kohlenstoff-Vorläufer namens GPP herstellt.

Grundsätzlich sollte es möglich sein, dieses Enzym in einem Organismus, der bereits GPP herstellt, zu exprimieren und dann das Produkt zu ernten. Aber Vickers warnt vor solch vereinfachendem Denken.

&bdquoEs ist wichtig zu verstehen, man kann &rsquot reingehen, alles massiv hochregulieren, sich die Hände bürsten und loslegen &lsquoRichtig, Arbeit erledigt&rsquo&rdquo, sagte sie. &ldquoDas gibt dir oft das Produkt. Es geht oft darum, den Fluss im Pfad auszugleichen.&rdquo

In Bierhefe beispielsweise fügt das Enzym, das die IPP- und DMAPP-Untereinheiten verbindet, auch sofort eine zweite IPP-Untereinheit hinzu. Die Zufuhr von mehr Vorläufern in der Hoffnung, die GPP-Produktion zu steigern, ohne dieses Enzym zu modifizieren, würde die Menge an Limonen in der Zelle nicht erhöhen, sondern würde einfach zu mehr 15-Kohlenstoff-Produkt führen. Das direkte Entfernen des angreifenden Enzyms ist jedoch keine Option, da die Zelle später auf ihrem Syntheseweg Metaboliten benötigt, um am Leben zu bleiben.

Vickers schreibt einer Postdoc in ihrem Labor zu, eine Lösung entwickelt zu haben, die den bedingten Abbau des Enzyms beinhaltet, das mit der Limonen-Synthase konkurriert. Durch die Kombination des induzierbaren Abbaus mit der Erfassung des erforderlichen Produkts, sagte Vickers, &bdquo.Wir haben ein Gleichgewicht zwischen gesundem Wachstum der Zellen und der Ableitung von Kohlenstoff zum Monoterpen gefunden&bdquo

Trial-and-Error-Ansätze wie dieser sind Grundpfeiler des Metabolic Engineering. Wissenschaftler führen eine Änderung ein und verwenden dann Metabolomik, um ihre Wirkung auf eine technisch hergestellte Mikrobe zu bewerten und Engpässe vor dem gewünschten Produkt zu identifizieren.

Sollte jemand einen Weg finden, hohe Limonen-Titer zu produzieren, ohne einen anderen essentiellen Metaboliten zu kannibalisieren, wartet noch ein weiteres Problem: Bei einer ausreichend hohen Konzentration können Limonen und andere Monoterpene Mikroben abtöten, die sie produzieren. Es wird angenommen, dass die kleinen hydrophoben Kohlenwasserstoffe in Zellmembranen eingebaut werden und die Integrität der Zelle beeinträchtigen.

&bdquoBis heute hat der Großteil der Produktion dieser Verbindungen nicht ein Niveau erreicht, das hoch genug ist, um tatsächlich Toxizität zu erzeugen&ldquo, sagte Vickers, &ldquowas bedauerlich ist, denn wir versuchen, ein hohes Niveau zu erreichen!&ldquo

Bekämpfung der Toxizität

Synthetische Biologen haben Wege gefunden, die schädlichen Auswirkungen von Naturprodukten, die sie in großen Mengen herstellen möchten, zu beheben. Schließlich tötet selbst Ethanol Mikroben in einer ausreichend hohen Konzentration ab, die den Menschen seit Jahrtausenden nicht daran gehindert hat, es durch Fermentation zu produzieren.

Jay Keasling, Professor an der University of California, Berkeley, der das Unternehmen für synthetische Biologie Amyris gründete, sagte: &bdquoIch würde sagen, dass sie alle einfach sind, aber es gibt einige Tricks.&rdquo

Der beliebteste Trick besteht darin, eine neue Mikrobe auszuwählen, die eine höhere Toleranz für das Produkt hat. Das funktioniert am besten, wenn ein leicht konstruierter Alternativorganismus das Molekül besser verträgt. Wenn nicht, verwenden einige Labore die gerichtete Evolution, indem sie die interessierende Mikrobe in steigenden Konzentrationen des gewünschten Produkts züchten, um nach Mutationen zu selektieren, die mehr Widerstandsfähigkeit liefern.

Ingenieure können auch Maßnahmen ergreifen, um die schädlichen Auswirkungen der Verbindung auf die Mikrobe zu mildern: zum Beispiel Transporter einzubauen, um sie aus der Zelle zu entfernen, den Weg zu konzipieren, um das Produkt in einer Organelle zu sequestrieren, die das schädliche Molekül von wichtigen Zellfunktionen fernhält, oder Hinzufügen einer Modifikation wie eines Zuckers, der das Molekül ungiftig macht und dann nach der Isolierung des Produkts entfernt wird. Das Labor von Keasling erzielte einst eine 90-fache Steigerung der Limonen-Ausbeute, indem es E. coli mit einem Stoffwechselweg ausstattete, der die Produktion eines Vorläufermoleküls und eines Cytochroms steigert, das das Limonen hydroxyliert und verhindert, dass es sich in Membranen integriert.

Es gibt auch Lösungen, die vollständig außerhalb der Zelle liegen. Laut Vickers besteht der effektivste Weg, um die schädlichen Wirkungen von Limonen zu verringern, darin, die Organismen, die es produzieren, in einer Emulsion eines ungiftigen organischen Lösungsmittels zu züchten, das das hydrophobe Limonen extrahiert. &bdquoDie Moral dieser Geschichte ist, dass wir als Stoffwechselingenieure oft versuchen, nach ausgefallenen genetischen Lösungen zu suchen&rdquo, sagte sie. &bdquoAber es könnte eine viel einfachere Prozesslösung geben.&rdquo

Abgesehen davon, dass ein neuer Stoffwechselweg überlebensfähig gemacht wird, sagen einige Biologen, gibt es einen grundlegenderen Konflikt im Zentrum des Metabolic Engineering. Michael Jewett, Professor und Direktor des Center for Synthetic Biology an der Northwestern University, sagte, dass die Tendenz zellulärer Systeme zur Homöostase oft mit den Funktionen kollidiert, die ein Ingenieur gerne einführen würde.

&bdquoIch möchte eine ganze Menge von etwas machen, was die Zelle&rsquot interessiert&rdquo sagte Jewett. &bdquoWir landen also in diesem Tauziehen &hellip zwischen dem, was die Evolutions- und Anpassungsziele der Zelle hingeführt haben mögen, und meinen technischen Prozesszielen, nämlich Titern, Raten und Ausbeuten.&rdquo

Jewett&rsquos Lab ist eines der wenigen, das an einem unkonventionellen Ansatz zur Lösung des Konflikts arbeitet. &bdquoWir haben gerade das Seil durchgeschnitten&ldquo, sagte er. &ldquoAnstatt uns auf den Chassis-Organismus selbst zu konzentrieren, (wir) konzentrieren wir uns auf die molekulare Maschinerie &ndash nicht nur innerhalb des Organismus, sondern auch außerhalb davon.&rdquo

Synthetische Biochemie

Jewetts Labor arbeitet oft mit zellfreien Produktionssystemen aus Bakterienlysaten, die seiner Meinung nach einige praktische Eigenschaften eines biologischen Systems bieten, den Ingenieur jedoch nicht zwingen, so hart gegen die Zelle zu kämpfen.

&bdquoZellfreie Systeme &bdquo.hellip kann Moleküle produzieren, die ansonsten für Zellen toxisch sind&rdquo, sagte er. &bdquoSie können tatsächlich giftige Rohstoffe wie vorbehandelte Biomasse verwenden, und wir betrachten dies auch als eine wirklich spannende Prototyping-Strategie.&ldquo

Durch die zellfreie Translation von Enzymen im Lysat von E. coli und das anschließende Mischen der mit Enzymen angereicherten Lysate in einem Prozess, der mit dem Mischen eines Cocktails vergleichbar ist, umgeht Jewett&rsquos Labor die Hürde, die Expressionsniveaus zahlreicher Enzyme, die in ein Genom eingeführt werden, zu optimieren .

&bdquoSie können das Problem der Synthese von Biosynthesewegen auf das einfache Mischen von Lösungen durch Liquid Handling reduzieren&rdquo, sagte er.

Das Verfahren behält viele der vorteilhaften Aspekte eines Zellsystems bei, zum Beispiel produziert die Glykolyse in Rohlysat ständig Energie und Enzym-Cofaktoren aus Zuckern. Es beseitigt alle Probleme, die durch ein toxisches Produkt entstehen können. In einem kürzlich erschienenen Artikel über die Limonenbiosynthese berichtet das Labor von Jewett über die zellfreie Optimierung eines Syntheseweges, der Glucose in Limonen in neun enzymatischen Schritten umwandelt. Beim Testen der Effizienz homologer Enzyme aus verschiedenen Organismen fanden sie heraus, dass bestimmte Kombinationen unerwartet dramatische Ertragsverbesserungen bewirkten.

&bdquoEhrlich gesagt, sind wir nur durch die Fähigkeit, die Proben zu analysieren, beschränkt&rdquo, sagte Jewett. &bdquoWir könnten 100.000 verschiedene Kombinationen von Signalweg-Enzymen herstellen, aber das würde meine Doktorandin mit dem (Massenspektrometer) lange brauchen.&rdquo

Das Forschungsteam betrachtet ihren Ansatz als Werkzeug für das Prototyping, bevor neue Stämme entwickelt werden, sobald der Weg mit der höchsten Ausbeute gefunden ist, sagen sie, dass er in eine Mikrobe eingeführt werden kann.

&ldquoAktivitäten im Topf&rdquo

Noch weiter weg von einem Zellsystem ist der Ansatz der synthetischen Biochemie Jim Bowie, Professor an der University of California, Los Angeles, leistet Pionierarbeit im Labor und bei seinem Mitbegründer Invizyne.

&bdquoDie Idee ist ganz einfach&ldquo, sagte Bowie. &bdquoWir haben eine biochemische Transformation, die wir durchführen wollen, und eine Reihe von Enzymen, die diese Schritte ausführen. Lassen Sie uns also einfach diese Enzyme ausdrücken und diese Aktivitäten in einen Topf geben. Und jetzt haben wir einen biochemischen Weg.&rdquo

Dieser Ansatz beruht stark auf einer Reinigung, bei der nur die Enzyme und Cofaktoren, die direkt an der Umwandlung von Glucose in ein gewünschtes Produkt beteiligt sind, in ein abgespecktes Reaktionsgemisch eingebracht werden. Bowie argumentiert, dass dieser Ansatz noch einfacher zu optimieren und zu optimieren ist als ein System von Lysaten, um eine einfachere Mischung von Produkten zu erzeugen, die eine einfachere Reinigung auf der ganzen Linie ermöglicht. Wie bei der Methode von Jewett ist Toxizität kein Thema.

Natürlich verbrauchen Enzyme im Zuge ihrer Aktivität Cofaktoren wie ATP und NADH. Die Bereitstellung eines stetigen Stroms wäre kostspielig. Dies ist eine der nützlichen Funktionen, die die zelluläre Homöostase bietet, wenn sie vorhanden ist.

&bdquoDer Trick ist das Cofaktor-Recycling&rdquo, sagte Bowie. Aber er hoffe auf ein System mit einem perfekten stöchiometrischen Gleichgewicht zwischen hinzugefügten und verbrauchten Cofaktoren. Ein solches System einzurichten, sagte er, verlangt im Grunde nach einem Perpetuum Mobile

Stattdessen entwickelte Bowies Labor einen so genannten molekularen Rheostat für ATP, der zwei konkurrierende Glykolysewege umfasst, die von der Phosphatkonzentration im System abhängen. Ein aus dem Krebs-Zyklus entlehntes Enzym wandelt Glyceraldehyd-3-phosphat in 3-Phosphoglycerinsäure um und ergänzt ATP. Ein zweites Enzym führt die gleiche Umwandlung durch, jedoch ohne ATP zu erzeugen, und neigt dazu, das erste Enzym zu übertreffen, wenn der ATP-Spiegel hoch und das freie Phosphat niedrig ist. Zusammen gleichen die beiden konkurrierenden Reaktionen den ATP-Spiegel aus. Bowie nennt ein System, das nach ähnlichen Prinzipien für die NAD-Regulierung entworfen wurde, ein Spülventil.

Der Ansatz fügt einem vereinfachten System einige Ebenen der Komplexität hinzu und kostet im Voraus mehr als sich auf lebende Mikroben zu verlassen, da alle Enzyme geerntet und gereinigt werden müssen. Bowie argumentiert, dass sich die erhöhten Kosten bei ausreichend stabilen manipulierten Enzymen im Laufe der Zeit amortisieren sollten. Dennoch hat sein Ansatz seine Kritiker.

&bdquoIch denke, die meisten Leute halten es&rdquo für realistisch, diese komplexen Systeme mit freien Enzymen zusammenzusetzen&rdquo, sagte Bowie. Aber er ist optimistisch. &bdquoWir wissen bereits, dass das Metabolic Engineering eine große Herausforderung darstellt. Das wissen wir schon. Warum nicht diesem Ansatz eine Chance geben?&rdquo

&bdquoEhrlich gesagt funktioniert es überraschend gut&rdquo, sagte Jewett, der nicht an der Arbeit beteiligt war, über das molekulare Purge-Valve-System. Invizyne hat Mittel für die Innovationsforschung für kleine Unternehmen erhalten und erfreute sich eines vorläufigen Interesses von Aroma- und Duftstoffunternehmen, obwohl sie mehr an den kommerziellen Möglichkeiten synthetischer Cannabinoide interessiert sind, die möglicherweise einen höheren Preis erzielen.

Mechanismuslose Optimierung

Synthetische Biochemie beinhaltet eine strenge Kontrolle und Gestaltung eines Pfades, bei dem jede Komponente geplant und angepasst wird. Biologen, Informatiker und Chemiker gehen bei der Firma Zymergen einen radikal anderen Weg, um Biosynthesewege zu optimieren.

Da Geschmacks- und Duftstoffunternehmen erwägen, Limonen durch Biofermentation herzustellen, und Akademiker untersuchen, wie dies möglich ist, zögern Veteranen der synthetischen Biologie, an Bord zu springen. Ihre Gründe liegen in der Ökonomie und in der Vergangenheit.

Zach Serber, Mitbegründer und Chief Scientific Officer von Zymergen, sagte: &bdquoWenn Sie eine Mikrobe haben, die einen Tropfen macht, eine winzige Menge von etwas Interessantem,„das ist verlockend & hellip, aber für eine kommerzielle Produktion völlig unzureichend. Sie müssen LKW-Ladungen herstellen, Autoladungen von dem Zeug effizient ausbilden.&rdquo

Ingenieure können diese Effizienz nicht immer erreichen, indem sie die bekannten Komponenten eines Systems optimieren, sagte Serber.

&bdquoSie verfehlen oft Ihre kommerziellen Ziele. Man stößt an eine Wand, wobei die Optimierung der bekannten Komponenten der Biologie ausreichend zu sein scheint“, sagte er. Serber argumentiert, dass die Herausforderung von vielen Unbekannten in der Biologie herrührt.

&bdquoDie Vision, Biologie wie Elektrotechnik zu machen, könnte wahr werden. Aber es ist sicherlich nicht einfach und hat nur langsam auf sich warten lassen“, sagte er. &bdquoDa sich die für die Biologie verfügbaren Teile im Gegensatz zu Kondensatoren und Widerständen weiterentwickelt haben, wissen wir normalerweise nicht, was sie tun, und sie interagieren auf eigentümliche, unerwartete Weise miteinander.&ldquo

Anstatt mit analytischer Chemie systematisch nach Engpässen in einem Stoffwechselweg zu suchen, sagte Serber bei Zymergen, „behandeln wir das Genom einer Mikrobe als eine Optimierungslandschaft, einen Designraum, in dem der Phänotyp, den Sie – ein gegebenes Biomolekül &ndash wird von allen Genen im Genom auf eine Art und Weise beeinflusst, die Sie unbedingt vorhersagen können.&rdquo

Ausblick

Wird Limonen jemals in kommerziellen Mengen durch Biofermentation hergestellt? Die Antwort hängt nicht nur vom Erfolg der synthetischen Biologen bei der Lösung technischer Probleme ab, sondern auch von den Herstellern außerhalb des Labors, ihren Produktions- und Preisentscheidungen und davon, ob die Nachfrage nach dem Molekül weiter wächst.

Limonen ist nur eines von Tausenden von Naturprodukten, die in einem sich ändernden Klima gefährdet sein können. Und mit Blick auf die Zukunft stellen sich synthetische Biologen vor, Chemikalien herzustellen, die noch nie zuvor in einer Zelle beobachtet wurden, oder Mischungen aus organischen und anorganischen Reaktionen mithilfe von Enzymen durchzuführen.

Zurück in Florida hat sich die Familie Soudijin von Florida Citrus Worldwide an den sich verändernden Markt angepasst. Sie kauften nicht nur Obst aus der ganzen Welt, um den Mangel an lokal geernteten Produkten auszugleichen, sondern investierten auch in ein aufwendigeres Aromaextraktions- und Konzentrationslabor, um Aromen selbst herzustellen. Sie verkaufen unter anderem Extrakte und ätherische Öle an Unternehmen, die den Geschmack ihres Orangensafts anpassen möchten, aber dennoch nur aus Orangen gewonnene Zutaten verwenden.

Dennoch blicken die Soudijins vorsichtig auf die nächsten Jahre und fragen sich, was die Zukunft für ihre Branche bringen wird.

Lehren aus Kerosin

Es gab eine Zeit, als synthetische Biologen darauf abzielten, Biokraftstoffe, billiges Ethanol und andere Produkte herzustellen, die als umweltfreundlichere Alternativen zu erdölbasiertem Kraftstoff verbrannt werden konnten.

Als Zach Serber Direktor für Biologie bei Amyris war, konzentrierte sich das Unternehmen auf die Herstellung von Düsentreibstoff, der vollständig aus Zuckerrohr durch Fermentation gewonnen wurde. Obwohl das Unternehmen erfolgreich war und die behördliche Zulassung für seinen Kraftstoff erhielt, sank der Rohölpreis in dem Jahr, in dem der umweltfreundlichere Kraftstoff auf den Markt kam, um fast die Hälfte, was es Amyris unmöglich machte, mit seinem Produkt Gewinne zu erzielen. Das Unternehmen ließ das Produkt fallen und überlebte, indem es sich auf teurere Chemikalien konzentrierte, aber die Erfahrung hat die Branche gezeichnet.

Laut Serber haben Wissenschaftler der Biokraftstoffindustrie „an Windmühlen gekippt. Wir gingen Kopf an Kopf gegen Erdöl an, versuchten, auf biologischer Basis Kraftstoff für den Transport zu entwickeln, und stellten fest, dass es, insbesondere wenn der Ölpreis zusammenbrach, über den Preis konkurrieren konnte.&rdquo

Heute betrachtet ein Großteil der Industrie den Versuch, Biokraftstoffe herzustellen, als Warnung für alle, die eine Massenproduktion von relativ kostengünstigen Grundchemikalien anstreben.

&bdquoSie„Sie„Sie werden zu diesem Zeitpunkt keinen Risikokapitalgeber dazu bringen, Geld in einen Biokraftstoff zu investieren“ sagte Bowie. &bdquoViele Leute haben ihre Hemden verloren.&rdquo


Algenbiosysteme und Biotechnologie

Unsere Arbeit ist mit dem Bereich der Algenbiotechnologie verbunden und unser Ziel ist es, Algen und deren Derivate zu innovativen grünen und sauberen Technologien zu entwickeln. Wir arbeiten kollaborativ in den Bereichen Forschung, Regierung und Industrie zusammen.

Algen sind Meerespflanzen, die für das Wohlbefinden des Planeten von entscheidender Bedeutung sind: Sie produzieren die Hälfte des Sauerstoffs, den wir atmen, und tragen zur Klimastabilität bei. In unserer Forschungsgruppe arbeiten wir mit Makroalgen wie Seetang und Seetang und Mikroalgen, also mikroskopisch kleinen Meerespflanzen.

Algen sind vielversprechend, um den globalen Bedarf an Nachhaltigkeit, Ernährungssicherheit und Energiesicherheit zu decken. Sie sind eine Quelle von Biomasse für Biokraftstoffe, Chemikalien, Agrar- und Aquakultur-Rohstoffe, Düngemittel, Kosmetika, Nutrazeutika und Pharmazeutika.

Wir betreiben interdisziplinäre Forschung und bündeln Wissen und Expertise in Algenphysiologie, Gen- und Stoffwechseltechnik, Physik, Chemie und Biochemie, um Innovationen in folgenden Bereichen voranzutreiben:

  • Große, kommerzielle Mikroalgenbiomassekultivierung in Bioreaktoren
  • Ernte- und Verarbeitungsmethoden für Algenbiomasse
  • Gentechnisch hergestellte, biotechnologische Mikroalgenstämme
  • Biologisch abbaubare Kunststoffe auf Algenbasis
  • Entwicklung und Bioherstellung von Therapeutika aus Algen unter GMP Lite-Bedingungen
  • Bioremediationssysteme für die Abwasser- und Abfallbehandlung
  • Algenfarmen auf dem Dach
  • Lebende Algengebäude

Professor Peter Ralph: Mein Team heißt Team Algal Biosystems and Biotechnology. Wir sind daran beteiligt, Algen zu verwenden, um Lösungen an die Industrie anzupassen, um ihre Probleme zu lösen.

Unsere Forschung bietet eine Reihe von Möglichkeiten, sowohl die Eindämmung als auch die Anpassung anzugehen, sodass wir zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen können, indem wir neue Produkte herstellen, die CO2-negativ oder CO2-neutral sind, die atmosphärischen Kohlenstoff aufnehmen und Industrieprodukte herstellen, sei es Pharmazeutika, Kosmetika, Kraftstoffe, Futtermittel, Lebensmittel – all diese Produkte werden uns helfen, den Klimawandel einzudämmen. Wir beginnen mit der Herstellung von Kunststoffen aus Algen und diese Kunststoffe können eine ganze Reihe verschiedener Industrien abdecken.

Die zweite spannende Sache, die wir begonnen haben, ist die Zusammenarbeit mit der Biologics Innovation Facility. Hier setzen wir Pharmazeutika in Mikroalgen und adaptieren Mikroalgen als Form der Herstellung hochwertiger Pharmazeutika und Nutrazeutika.

Derzeit arbeiten wir an einem wirklich spannenden Projekt in Südostasien, bei dem wir Kunststoffe und eine Reihe anderer Produkte entwickeln, um Bauerndörfern und Bauerndörfern an der Küste zu helfen, der Armut zu entkommen. Was wir geben, ist eine Reihe neuer kommerzieller Produkte, mit denen die Familien dann ein höheres Einkommen haben, ihre Kinder zur Schule schicken können, dies wird ihre Gesellschaften verändern und es wird auch nachhaltig sein , es wird die Plastikverschmutzung in Südostasien verhindern, also ist das wirklich spannend.

In Zukunft wird das Team für Algenbiotechnologie und Biosysteme einen sehr starken Branchenfokus haben. Wir sind jetzt sehr eng mit einer Reihe von Industriepartnern verbunden, aber ich möchte eine poröse Bewegung von Forschern unseres Instituts sehen, die für eine gewisse Zeit in der Industrie arbeiten. Ich möchte, dass Leute aus der Industrie kommen und eine Abordnung in C3 machen. Dies wird uns ein wirklich starkes und differenziertes Verständnis dafür verschaffen, was die Industrie braucht, und wir werden in der Lage sein, unsere Forschung viel schneller in die Gesellschaft zu übertragen.

Deep Green Biotech-Hub

Lucy: UTS, das Climate Change Cluster und durch den Deep Green Biotech Hub tragen dazu bei, die Zukunft der Algenbiotechnologie zu erschließen, um nachhaltige Lösungen für unsere Zukunft bereitzustellen. Der Climate Change Cluster ist ein interdisziplinäres Forschungsinstitut mit Expertise in Algenbiotechnologie, Ingenieurwesen und Informatik, was bedeutet, dass wir perfekt positioniert sind, um mit einer Reihe von Industriepartnern zusammenzuarbeiten, um praxisnahe Lösungen und Innovationen zu entwickeln.

Peter: Die Bioökonomie muss die Zukunft der Gesellschaft vorantreiben, weil wir eine nachhaltige Produktion von Nahrungsmitteln und Kraftstoffen haben müssen. Sobald die Bevölkerung 9 Milliarden Menschen erreicht, können wir keine nicht nachhaltigen Produktionssysteme verwenden. Die Bioökonomie ist die gesamte landwirtschaftliche Produktion, die nachhaltige Produkte auf den Markt bringt. Im Moment könnte das Zuckerrohr sein, das könnte Mais, Weizen sein, aber Algen werden ein Teil dieser Bioökonomie werden, die spezialisierte Produkte liefern kann, und das ist das Spannende daran. Industrielle Biotechnologie, pharmazeutische Biotechnologie, das sind die Teile der Bioökonomie, die Algen wirklich dominieren können. Die Algen-Bioökonomie, die wir modelliert haben, wird bis 2025 wahrscheinlich eine Milliarde Dollar wert sein. Das wird von der Produktion durch Pharmazeutika dominiert, aber bis 2030 werden wir landwirtschaftliche Biotechnologie wachsen lassen. Eine Milliarde Dollar ist also ein kleiner Markt, aber in den nächsten 10 Jahren wird er deutlich wachsen.

Lucy: Unsere Zusammenarbeit mit der Industrie kann verschiedene Formen annehmen. Wir könnten zum Beispiel beratend tätig sein, konkrete Forschungsprojekte zur Lösung eines Problems entwickeln oder auch umfassende unternehmerische Nachhaltigkeitspraktiken entwickeln.

Mark: Die Zusammenarbeit mit dem Deep Green Biotech Hub war wirklich großartig, weil es viele wirklich kluge Leute gibt, die verschiedene Probleme auf unterschiedliche Weise angehen können. So kann eine Person einen Teil einer Lösung haben, aber wenn wir zusammenarbeiten, können wir etwas ganz Neues entwickeln. Auf nachhaltige Weise sind wir immer bestrebt, die Kreislaufwirtschaft aufzubauen. Das Problem, das Sie feststellen, ist, dass das von Ihnen verwendete System meistens defekt ist. Biotechnologie und Algen geben uns die Möglichkeit, ein ganzes System neu zu starten. Als Modedesigner ist es eine sehr innovative Sache, mit Wissenschaftlern zusammenzuarbeiten. Die Zusammenarbeit mit dem Deep Green Biotech Hub bei UTS war wirklich großartig, da wir Zugang zu Wissenschaft und Technologie erhalten, die wir normalerweise nie sehen oder verstehen würden.

Peter: Die Industrie versteht, dass sie nachhaltig sein muss, und sie hat Mühe, die Chancen zu finden. Ich denke, Algen bieten diese Möglichkeit, nachhaltig zu sein, und das Interesse an diesem Bereich ist groß. Es gibt viel Investitionskapital. Besuchen Sie uns und wir zeigen Ihnen, was die aktuelle Kapazität ist, wir verstehen Ihre Geschäftsanforderungen und können eine Lösung für Sie finden.

Wir sind das Gründungsteam des NSW Deep Green Biotech Hub, unterstützt vom NSW Department of Industry. Während des Vivid Sydney Festival of Light 2018 haben wir unsere Lebende Lichter Installation, einem „Wald“, der ausschließlich aus lebenden Atemalgen besteht, um das Bewusstsein für eine nachhaltige, auf Algen basierende Zukunft zu schärfen. Lebende Lichter war die erste lebende Installation auf dem Festival.

Forschungskapazität

Um die Massenkultivierung von Algen der Realität näher zu bringen, ist es entscheidend zu verstehen, wie abiotische Umweltparameter die Algenphysiologie beeinflussen. Wir verwenden eine Matrix von Umwelt-Photobioreaktoren (ePBRs), um wichtige Hindernisse bei der Kommerzialisierung anzugehen. Die ePBRs werden verwendet, um Umweltbedingungen, wie Einstrahlung, Temperatur und Kohlenstoffverfügbarkeit, in zukünftigen großen Algenanlagen in einer kontrollierten Laborumgebung zu simulieren. Die physiologische Reaktion der Algen wird in Form von Chlorophyllfluoreszenz, Sauerstoffentwicklung und Biomasseproduktivität gemessen. Mit diesem Ansatz ist es möglich:

  • Bewerten Sie die Produktivität der Algenbiomasse mit nicht-invasiver optischer Technologie,
  • Untersuchung der Synthese verschiedener Bioprodukte,
  • Algenwachstumsbedingungen optimieren,
  • Wählen Sie die geeignete Algenart für eine bestimmte Umgebung aus und
  • Antizipieren und überwinden Sie Hindernisse für das Algenwachstum, wie z. B. lichthemmende Bestrahlungsstärken oder Kohlenstoffbegrenzung.

Wir suchen aktiv nach Möglichkeiten für die Zusammenarbeit mit industriellen und akademischen Partnern.

Anschauen: Diatomeen in der Data Arena mit Dr. Raffaela Abbriano Burke

Eine Anwendung der Data Arena ist die Visualisierung eines großen und komplexen Datensatzes, wie Sie ihn hier sehen, bei dem es sich um ein Genexpressionsnetzwerk handelt. Wissenschaftler von C3 nutzen diese Netzwerke, um wichtige Gene zu identifizieren, die für bestimmte Funktionen innerhalb der Zelle essentiell sind oder die für die Produktion nützlicher Metaboliten verantwortlich sind. Das hier gezeigte Netzwerk repräsentiert Gene im Genom einer marinen Kieselalge, einer Mikroalgenart, die in den Weltmeeren eine wichtige ökologische Rolle spielt und auch für biotechnologische Anwendungen erforscht wird. Jeder Kreis innerhalb des Netzwerks repräsentiert also ein Gen im Genom, und je näher diese Kreise beieinander liegen, desto ähnlicher ist die Reaktion dieser Gene unter einer bestimmten Bedingung. Jeder Kreis von Kreisen stellt also eine Gruppe von Genen dar, die ähnlich reagieren und daher möglicherweise eine biologische Funktion teilen, sodass Wissenschaftler diese Gencluster oder -knoten als Ausgangspunkt betrachten können, um auf die Funktion unbekannter Gene zu schließen. Bei C3 verwenden wir Genexpressionsinformationen, um die Genome vieler Arten von Mikroalgen zu untersuchen, und diese werden möglicherweise einige biotechnologische Anwendungen oder Verwendungen in anderen nachhaltigen Industrien haben.

Mitglieder

Gruppenführer

Peter Ralph - Gruppenleiter | C3 Exekutivdirektor | aquatische Photosynthese Photobiologie Bio-Optik Algen-Biofabriken

Raffaela Abbriano Burke | Ehrenamtlich | Biologie, Meeresbiologie, Meeresbiologie

Audrey Commault | Wissenschaftlicher Mitarbeiter | Biotechnologie Molekularbiologie Biochemie Elektrochemie

Chris Hall | Wissenschaftlicher Mitarbeiter | Biochemie und Genetik, Pflanzenbiologie

Tim Kalkhe | Ehrenamtlich | Bioinformatik und Computerbiologie

Manoj Kumar | DECRA Fellow | Landwirtschaft, Pflanzenbiochemie, Marine Biotechnologie

Unnikrishnan Kuzhiumparambil| Wissenschaftlicher Mitarbeiter (Postdoc) | analytische Chemie

Leen Labeeuw | Wissenschaftlicher Mitarbeiter | Bioverfahrenstechnik, Umwelttechnik, Biologie

Tony Larkum | Emeritierter Professor | Pflanzenphysiologie Algen Photosynthese Lichtsammelnde Proteine ​​Photosyntheseeffizienz

Janice McCauley | Wissenschaftlicher Mitarbeiter I Molekularbiologie Bioverfügbarkeit Bioassays neuartige Lebensmittel und Arzneimittel

Mathieu Pernice | Senior Research Fellow | Symbiose Molekulare Physiologie Genomik Gentechnik von Mikroalgen

David Suggett | Professor | aktive Fluoreszenz Photosynthese alternative Elektronensenken Nährstofflimitierung reaktiver Sauerstoff

Donna Sutherland | Wissenschaftlicher Mitarbeiter | Bioremediation auf Algenbasis

Jack Adriaans | Doktorand | Mikrobielle Bioremediation und Biotransformation von Phenolverbindungen in Industrieabwässern

Rachel Alderdice | Doktorand | Aufdeckung der mechanistischen Grundlage für die Sensitivität der Korallenhypoxie im Vergleich zur Toleranz über gekoppelte Transkriptomik-Metabolomik-Plattformen.

Harvey Bates | Doktorand | Die Energetik der Photosynthese zum Verständnis der Stressreaktion von Mikroalgen

Schicksal Mirakhorli | Doktorand | Integrierte Mikrofluidiksysteme für die Algenforschung

Sean Macdonald-Miller | Doktorand | Erforschung der genetischen Grundlagen für eine gesteigerte Pigmentbiosynthese in den marinen Kieselalgen Phaeodactylum tricornutum und Thalassiosira pseudonanna

Amelia Pezzano | Doktorand | Algen als neue, alternative Quelle für Cellulosefasern für den Einsatz in Textilien

Shawn-Preis | Doktorand | Entwicklung der Algen-Biokunststofftechnologie der nächsten Generation

Kanoknate (Mai) Supasri | Doktorand | Charakterisierung des Photosyntheseapparates von Symbiodinum, der Bleichbedingungen ausgesetzt ist

Lorenzo Barolo | Doktorand | Glyco-Engineering von therapeutischen Proteinen aus Mikroalgen

Iurri Bodachivskyi | Doktorand | Säurekatalysierte Umwandlung von Algenbiomasse in wertschöpfende kleine Moleküle

Jestin George | Doktorand | Der grüne Horizont für Biotech: ein Ansatz zur Genom-Editierung

John Hanna | Honors Student | Untersuchung der Biomasseproduktion und Nährstoffaufnahme von C. vulgaris in Photobioreaktoren

Annalisa Humphries | Ehrungen | Bioaktivitätsscreening von Mikro- und Makroalgen

Kenji Iwasaki | Doktorand | Untersuchung des Einflusses der Lichtqualität auf die Produktion von Sekundärmetaboliten durch Mikroalgen

Dale Radford | Doktorand | Optimierung der Biomasseproduktivität von N. oculata unter verschiedenen Umweltbedingungen in Photobioreaktoren https://opus.lib.uts.edu.au/handle/10453/90056

Margaret Ramarajan | Doktorand | Algentransformationstechniken

Nhan-An Tran | Doktorand | Bioflockung der Grünalge N. oculata durch ein Mitglied des eigenen Bakterienkonsortiums

Oksana Vronska | PhD | Entwicklung eines Ernteverfahrens für die Algenbiomasseproduktion

Navpreet Kaur Walia | Doktorand |Funktionelles Profiling und Klassifizierung der Algenstämme basierend auf der Zelluloseabbaueffizienz

Peter Wood | Doktorand | Entwicklung eines kontinuierlichen und integrierten Systems zur anaeroben Vergärung und Mikroalgenkultivierung

Anlagen

Umwelt-Photobioreaktoren (ePBRs)

Vollständig kontrollierte Algenwachstumsumgebung:

  • Leichte Lieferung
  • Temperatur
  • Belüftung und Rühren
  • CO2-Lieferung
  • Nährstoffdosierung

Optische Sonden

Reaktionsschnelle, hochempfindliche pH-, pO2- und pCO2-Sensoren

Quantifizieren Sie Photosyntheseraten, Gasaustausch und Karbonatchemie

Fluorometer

Mehrfarben-PAM, Hex-PAM, Bildgebungs-PAM, Mikroskopie-PAM, Taschen-PAM, Wasser-PAM

Fluorometer mit schneller Wiederholrate

Spektrofluorometer (Cary Eclipse)

Quantifizieren Sie photosynthetische Prozesse und die Gesundheit der Algen

Algenzuchtanlagen

Inkubatoren und licht-/temperaturgesteuerte Räume

PC2/AQIS-akkreditierte Arbeitsbereiche

Molekularbiologische Einrichtungen

PCR und quantitative Echtzeit-PCR-Maschinen

Sequenzierungssystem der nächsten Generation (MiSeq)

Elektroporationsgerät zur genetischen Transformation von Mikroalgen

Chemische Analysetools

Mikroskopie und Zytometrie

Hochauflösendes Lichtmikroskop (DeltaVision OMX Blaze)

Inverses Fluoreszenzmikroskop (Nikon Ti)

Konfokales Laser-Scanning-Mikroskop (Nikon A1)

Einzelzell-Isolations-Durchflusszytometer (BD Biosciences Influx)

Veröffentlichungen

Bodachivskyi, I., Kuzhiumparambil, U. &. Williams, D.B.G. 2018, 'Säurekatalysierte Umwandlung von Kohlenhydraten in wertschöpfende kleine Moleküle in wässrigen Medien und ionischen Flüssigkeiten.', ChemSusChem. Anzeigen/Herunterladen von: Website des Herausgebers

Commault, AS, Laczka, O., Siboni, N., Tamburic, B., Crosswell, JR, Seymour, JR & Ralph, PJ 2017, 'Elektrizitäts- und Biomasseproduktion in einer auf Bakterien-Chlorella basierenden mikrobiellen Brennstoffzelle zur Behandlung von Abwasser', Journal of Power Sources, vol. 356, S. 299-309. Anzeigen/Herunterladen von: UTS OPUS oder der Website des Herausgebers

Tran, N.A.T., Seymour, J.R., Siboni, N., Evenhuis, C.R. & Tamburic, B. 2017, 'Photosynthetic carbon uptake induces autoflocculation of the marine microalga Nannochloropsis oculata', Algal Research, vol. 26, S. 302-311. Anzeigen/Herunterladen von: UTS OPUS oder der Website des Herausgebers

Chekli, L., Corjon, E., Tabatabai, S.A.A., Naidu, G., Tamburic, B., Park, S.H. & Shon, H. K. 2017, 'Leistung von Titansalzen im Vergleich zu konventionellem FeCl3 zur Entfernung von algenorganischer Substanz (AOM) in synthetischem Meerwasser: Gerinnungsleistung, Entfernung organischer Fraktionen und Flockeigenschaften.', Journal of Environmental Management, vol. 201, S. 28-36. Anzeigen/Herunterladen von: UTS OPUS oder der Website des Herausgebers

Mitarbeiter

Dr. Susan Blackburn | Leiter der Nationalen Algenkultursammlung | CSIRO

Professor Ben Hankamer | Leiter der Abteilung Chemie und Strukturbiologie | Universität von Queensland

Professor David Kramer | Professor für Photosynthese und Bioenergetik | Michigan State University

Professor Michael Kühl | Professor für aquatische mikrobielle Ökologie | Universität Kopenhagen

Professor John Raven | Emeritierter Professor | Universität Dundee

Freiwilligenprojekte für Algenbiosysteme und Biotechnologie

Möglichkeiten für Freiwillige im Team C3 Algae Biosystems and Biotechnology

Das Team für Algenbiosysteme und Biotechnologie kombiniert Erfahrung im Bereich Algen mit einem starken Hintergrund in Zell- und Molekularbiologie sowie Ingenieurwesen, um forschungsbasierte Lösungen bereitzustellen, die sich auf die Entwicklung der nächsten Generation von Biokunststoffen, landwirtschaftlichen Biostimulanzien, Nutrazeutika, Lebens- und Futtermitteln konzentrieren. pharmazeutische und andere hochwertige Produkte aus Mikroalgen.

Das Forschungsteam ist auch Teil des Deep Green Hub, der Forscher, KMU, Industrie, Start-ups, Studenten und andere Interessengruppen zusammenbringt, um NSW an die Spitze der algenbasierten Biotechnologie-Innovation in Australien zu führen.

Das Forschungsteam für Algenbiosysteme und Biotechnologie bietet Studenten und Freiwilligen die Möglichkeit, unter der Aufsicht von Doktoranden und Mitarbeitern in Forschungs- und Öffentlichkeitsprojekten zu helfen. Studenten und Freiwillige sollten erwarten, dass sie beim Wachsen, Ernten und Verarbeiten von Algen sowie bei der regelmäßigen Wartung des Labors unterstützt werden, einschließlich der Medienvorbereitung, Lösungen und Probenahme von kultivierten Algen zur Analyse.

Ziele des Freiwilligenprogramms

  • Machen Sie die Schüler mit einem Forschungslabor für Algenbiotechnologie vertraut
  • Bieten Sie den Studierenden die Möglichkeit, relevante Laborkenntnisse zu erwerben und an wissenschaftlichen Projekten mitzuwirken.

    Mindestens eine akademische Sitzung (

Bevorzugte Erfahrung
2 Jahre grundständige Ausbildung mit Kursen in Chemie, Zellbiologie, Mikrobiologie oder einer gleichwertigen Kombination aus Ausbildung und Erfahrung. Aktuelle UTS-Studenten werden bevorzugt.

Bewerbung für das akademische Jahr
Es gibt eine begrenzte Anzahl von Freiwilligenstellen für UTS-Studenten im Climate Change Cluster. Es gibt ein kompetitives Bewerbungsverfahren, um diese Positionen zu besetzen, einschließlich Vorstellungsgesprächen für diejenigen, die in die engere Wahl gezogen werden. Bitte fügen Sie Ihrer E-Mail-Bewerbung (1) einen aktuellen Lebenslauf, (2) das letzte akademische Zeugnis und (3) ein Anschreiben bei, das Ihre Motivation(en) für das Ehrenamt beschreibt. Zusätzliche Informationen, wie Angaben zu akademischen Gutachtern, können ebenfalls von Vorteil sein.

Bewerbungsfristen für ehrenamtliche Tätigkeiten sind:

  • 1. Februar Bewerbungsschluss für einen Start im März/April
  • 1. Juni Bewerbungsfrist für einen Start im Juli/August
  • 1. November Bewerbungsfrist für einen verhandelbaren Sommerstart

Nach Eingang der Bewerbungen werden die Bewerbungen vierteljährlich geprüft und erfolgreiche Bewerber interviewt. Wir entschuldigen uns für eventuelle Verzögerungen, aber dieses Verfahren ermöglicht es uns, das Volumen der Bewerbungen zu verwalten und die richtige Bewerbung mit dem richtigen Projekt zu verbinden.


Elektronenbilanz für die Biomassesynthese: Hat mein Professor Recht? - Biologie

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Feature Papers stellen die fortschrittlichste Forschung mit erheblichem Potenzial für eine große Wirkung auf diesem Gebiet dar. Feature Papers werden auf individuelle Einladung oder Empfehlung der wissenschaftlichen Herausgeber eingereicht und vor der Veröffentlichung einem Peer Review unterzogen.

Das Feature Paper kann entweder ein origineller Forschungsartikel, eine umfangreiche neue Forschungsstudie sein, die oft mehrere Techniken oder Ansätze umfasst, oder ein umfassendes Übersichtspapier mit prägnanten und präzisen Updates zu den neuesten Fortschritten auf diesem Gebiet, das die aufregendsten Fortschritte in der Wissenschaft systematisch überprüft Literatur. Diese Art von Papier gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsrichtungen oder mögliche Anwendungen.

Editor’s Choice-Artikel basieren auf Empfehlungen der wissenschaftlichen Herausgeber von MDPI-Zeitschriften aus der ganzen Welt. Die Herausgeber wählen eine kleine Anzahl von kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikeln aus, die ihrer Meinung nach für Autoren besonders interessant oder in diesem Bereich wichtig sind. Ziel ist es, eine Momentaufnahme einiger der spannendsten Arbeiten zu geben, die in den verschiedenen Forschungsbereichen der Zeitschrift veröffentlicht wurden.


[Fragen und Antworten] Princeton-Forscher schlagen biologische Lösungen für nachhaltige Energieprobleme vor

Laut einem interdisziplinären Forscherteam der Princeton University sind die Gesellschaften durch den wachsenden globalen Energieverbrauch zunehmend gezwungen, auf das Problem der nachhaltigen Energie zu reagieren, eine Herausforderung, die durch biologische Lösungen in einzigartiger Weise angegangen werden könnte.

Veröffentlicht in Zeitschrift Chem, skizziert der Übersichtsartikel sieben Herausforderungen im Bereich nachhaltiger Energie, die sich auf die globale Gesundheit auswirken und durch biobasierte Innovation angegangen werden können. In den folgenden Q&A diskutieren die Co-Autoren ihre Arbeit sowie die Motivationen und Inspirationen für ihre Zusammenarbeit. Sie sind Buz Barstow, Burroughs-Wellcome Fund Fellow in der Chemieabteilung, und José Avalos, Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen, Isao Anzai ‘17, Princeton Undergraduate-Forscher, und Oluwakemi Adesina, Forschungsspezialist. Dieses Gespräch wurde aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet.

Von links nach rechts: José Avalos, Isao Anzai '17, Buz Barstow, Oluwakemi Adesina
​Alle Fotos von C. Todd Reichart

Wie wurde die Biologie in der Vergangenheit zur Lösung von Energieproblemen eingesetzt?

Avalos: Biologie wird seit Hunderten von Jahren in der Medizin verwendet. Andererseits wird Biologie im modernen Sinne des Wortes erst seit etwa 100 Jahren, im Ersten Weltkrieg, energetisch genutzt und hat erst in den letzten 4 oder 5 Jahrzehnten Fahrt aufgenommen. Natürlich bezieht der Mensch schon sehr lange Energie aus biologischen Systemen. Man könnte zum Beispiel argumentieren, dass Feuerholz der erste Biokraftstoff war oder dass Tiere die ältesten Arbeitskräfte sind. Aber was ich meine ist, dass die Biologie als moderne wissenschaftliche Disziplin erst seit relativ kurzer Zeit auf Energie angewendet wird.

Anzai: Als ich meine Abschlussarbeit plante, wollte ich ursprünglich eine Knockout-Sammlung für einen Krankheitserreger oder etwas medizinisch verwandtes machen. Dann machten Buz und ich einen gemeinsamen Spaziergang, um eine Idee für meine Diplomarbeit zu diskutieren, und er überzeugte mich wirklich davon, dass die globale Energiekrise sehr eng mit der globalen Gesundheit zusammenhängt. Ich habe also wirklich recherchiert, wie Probleme in der Energiekrise direkt mit Gesundheitsproblemen zusammenhängen, und es war ein aufregender Weg, um schließlich mein ursprüngliches Ziel zu erreichen.

Was sind also einige Gesundheitsprobleme im Zusammenhang mit der Energiekrise?

Anzai: Wenn die globalen Temperaturen steigen, kann dies zum Beispiel das Wachstum von Malaria und anderen Krankheiten wie Cholera ankurbeln. Auch der Anstieg des Meeresspiegels kann Küstenstädten und -gebieten enormen Schaden zufügen. Nur eine ganze Reihe von Dingen – auch Nahrungsmittelknappheit.

Barstow: Mein Postdoktorand hatte einen Satz, den ich mag: „Wir arbeiten an einer medizinischen Fakultät, was könnte das mit nachhaltiger Energie zu tun haben? Nun, wie können wir ohne einen gesunden Planeten gesunde Menschen haben?“ Ich denke, Investitionen in nachhaltige Energie sind der billigste Weg, um die Ergebnisse der öffentlichen Gesundheit weltweit zu verbessern. Inkrementelle Fortschritte bei Therapeutika, beispielsweise bei Krebs, können enorme Summen kosten, aber wir könnten denselben Betrag für nachhaltige Energie ausgeben und möglicherweise einen transformativen Effekt auf die öffentliche Gesundheit haben

Avalos: Ich habe im Wesentlichen das gleiche Argument vorgebracht [in einem Vorschlag an das NIH]. Aber die Realität ist, dass es immer noch eine große Diskrepanz zwischen der Gesundheit des Planeten und der Gesundheit der Bevölkerung gibt. Das war einer der Beweggründe für uns, einen von Experten begutachteten Artikel zu verfassen, in dem behauptet wird, dass die Biologie grundsätzlich nicht übersehen werden sollte, weil wir alles werfen müssen, um dieses [Energie-]Problem zu lösen, und Biologie wird der Schlüssel sein.

Wie haben Sie daran gedacht, den Einsatz der Biologie für Energieprobleme zu präsentieren?

Barstow: Wir haben es uns gemeinsam ausgedacht. Wir dachten über die einzigartigen Eigenschaften der Biologie nach. Wenn man an jedes Merkmal der Biologie denkt, hängt wirklich von der Biokatalyse und der Selbstorganisation ab.

Barstow: Rechts haben wir diese Liste aller Bereiche erstellt, von denen wir dachten, dass die Biologie einen Einfluss auf nachhaltige Energie haben könnte. Es ist nicht erschöpfend. Dies waren die wichtigsten, von denen wir dachten, wir könnten sie ansprechen. Und dann haben wir diese farbcodierten Links zu den Funktionen hinzugefügt, von denen sie abhängen. Wir wollten diese Idee vermitteln, dass die Biologie Ihnen dieses Toolkit aus vorgefertigten Dingen bietet, die wirklich erstaunlich sind. Abiotische Lösungen haben das nicht wirklich. Die Biologie hatte dafür 4,5 Milliarden Jahre Zeit, und wir können sie heute dank Systembiologie, Gensynthese, Bioinformatik und gerichteter Evolution abbauen.

Schema biologischer Lösungen für nachhaltige Energieherausforderungen

Avalos: Eines würde ich dieser Zahl hinzufügen – die [umgebende] weiße Box wäre Evolution. Das ist etwas, das Sie in keiner anderen Disziplin haben, die sich der Energieherausforderung stellt. Sie können eine Solarzelle unter bestimmten Bedingungen nicht so platzieren, dass sie sich mit der Zeit verbessert. In der Biologie kann man die Evolution nutzen, um die Eigenschaften von Organismen, die in diesen Technologien verwendet werden, zu verbessern, zum Beispiel schnelleres Wachstum, bessere chemische Produktion, mehr Effizienz bei der Kohlenstofffixierung, wenn man schlau genug ist, Bedingungen zu schaffen, die für diese Eigenschaften selektieren. Evolution, das Grundgesetz der Biologie – das gibt es in keiner anderen Disziplin. Das ist einzigartig in der Biologie.

Barstow: Das Coole daran ist, dass Sie diese Lösung, die Sie entwickelt haben, verwenden und dank der Selbstmontage weltweit einsetzen können. Ich finde es wirklich erstaunlich.

Lassen Sie uns über die spezifischen nachhaltigen Energieanwendungen für die Biologie sprechen.

Zur sichereren Nutzung der Kernenergie:

Barstow: Das wirklich entscheidende Thema war die Lagerung von abgebrannten Brennelementen und Abfällen. Das Problem dort ist eine mögliche Kontamination des Wassers. Was wir wissen ist das mit Mikroben wie Shewanella, für die wir eine [ganze Genom-Knockout]-Sammlung gebaut haben, können wir die meisten Radionuklide, die sich in abgebranntem Atommüll befinden, elektrochemisch reduzieren, sodass sie unlöslich werden und nicht ins Grundwasser gelangen können. Nun, wir haben bereits diesen grundlegenden Beweis dafür, dass es etwas kann. Können wir das mit Gentechnik wirklich verstärken?

Über den Abbau und die Abtrennung von Seltenerdelementen, den Abbau und die Abtrennung von Seltenerdelementen, die nachhaltige Herstellung von Batterien und die nachhaltige Herstellung von Leichtbaumaterialien:

Barstow: Dan Steingart [Princeton Assistant Professor of Mechanical and Aerospace Engineering] hat mich durch seine Arbeit an Batterien wirklich auf diese Idee gebracht. Seltenerdmetalle sind unverzichtbar für hocheffiziente Elektronik und hocheffiziente Beleuchtung, Legierungen, mit denen Sie leichtere Flugzeuge und Autos bauen können.

Obwohl sie als selten bezeichnet werden, sind Seltene Erden ziemlich gleichmäßig über die Welt verteilt. Aber um sie häufiger zu reinigen, braucht es ziemlich schreckliche Hochtemperatur-Chemie. Die Biologie kann, bisher im kleinen Maßstab, genutzt werden, um sie aus dem Boden auszulaugen und bei Raumtemperatur zu reinigen.

Elektroautos sind in Bezug auf die Energiekosten pro Meile großartig, bis Sie die Kosten für die Herstellung der Batterie und die Kohlenstoffemissionen bei der Herstellung der Batterie berücksichtigen. Mineralisierende Mikroben, mit denen nanostrukturierte Elektroden für Batterien hergestellt werden können, die länger halten, leistungsfähiger sind und eine bessere Energiedichte aufweisen.

Zur Umwandlung von Biomasse in Biokraftstoffe:

Beta-Oxidations-Stoffwechselweg

Anzai: Kemi und ich haben daran gearbeitet, diese Stoffwechselwege zu zeichnen. Ich habe zum Beispiel am ersten Beta-Oxidationsweg gearbeitet. Wir sehen natürliche Wege, die in den Organismen vorkommen, und identifizieren Orte, an denen wir abzweigen und die Synthese unnatürlicher Produkte steuern können. Dies ist eine Schlüsselanwendung der Biologie, denn wenn wir ein Enzym manipulieren oder verbessern/deprimieren können, können wir den Weg zu etwas, das wir produzieren wollen, umleiten.

Avalos: Alle diese Pfeile sind durch Enzyme verbunden, von denen jedes eine einzigartige Chemie hat, einzigartige Möglichkeiten, die verschiedenen Energiewährungen in der Zelle auszugleichen. Grundsätzlich versuchen Sie, Stoffwechselprodukte einzufangen, die eine hohe Elektronendichte haben, stark reduzierte Moleküle, so erhalten Sie Energie.

Anzai: Als ich diese Figuren erstellte, erkannte ich einige der Verbindungen, die ich in meinem Biochemiekurs gelernt hatte, aber dies waren nur ein kleiner Bruchteil aller Verbindungen und Wege zusammen, und es war aufregend, sie alle sehen zu können in einer Figur.

Es war auch eine unglaubliche Lernerfahrung, die Figuren herzustellen, nicht nur das Material, sondern auch die Software, mit der sie hergestellt wurden. Dies sind Werkzeuge, die für den Rest meiner Karriere definitiv nützlich sein werden.

Adesina: Als wir die Enzyme für jeden Schritt erforschten, wenn man ein Enzym und ein Substrat nehmen würde, wie drastisch kann die Richtung gehen. Es kommt viel einfache organische Chemie ins Spiel, aber es hat auch viel Arbeit gekostet, die Mechanik jeder Reaktion zu verstehen. Zu lernen und zu verstehen, was jedes Enzym auf chemischer Ebene tut, ist ziemlich erstaunlich.

Avalos: Ich denke, dies ist eine der vollständigsten und aktuellsten Karten, die es gibt, was Forscher aus der ganzen Welt getan haben, um Biokraftstoffe herzustellen. Es gibt Ihnen eine Vorstellung davon, wie Sie in verschiedene Richtungen gehen können, um ein anderes Produkt zu erhalten, und nicht jede Richtung ist aus vielen Gründen aufgrund des Katalysators oder des Energiebedarfs gleich effizient. Dies ist nur eine Dimension des Universums des Stoffwechsels und nicht alle Pfeile sind gleich.

Zur Effizienzsteigerung der Photosynthese, Speicherung erneuerbaren Stroms als Biokraftstoff und Gentechnik

Barstow: In den letzten zehn Jahren gab es diese Sorge um Biokraftstoffe, die ich teile. Wenn Sie Bioenergie ausbauen wollen, geht das zu Lasten der Flächen für die Nahrungsmittelproduktion oder der Flächen für die Wildnis? Jose hatte dieses wirklich überzeugende Argument, dass die Situation nicht so schlimm ist, wie die meisten Leute denken.

Avalos: Es gibt die sogenannte Billion-Tonnen-Studie des US-Energie- und Landwirtschaftsministeriums. Im Wesentlichen ist die Schlussfolgerung, dass die USA das Potenzial haben, bis 2030 jährlich über eine Milliarde Tonnen (zwischen 1,1 und 1,5) trockener Biomasse für Biokraftstoffe nachhaltig zu produzieren, ohne die Nahrungsmittelproduktion zu stören oder Wälder zu verdrängen. Das wäre genug Biomasse, um mehr als 30 % des derzeitigen US-Erdölverbrauchs nachhaltig durch Biokraftstoffe zu ersetzen.

Barstow: Aber nachdem wir gesagt haben, dass es eine Obergrenze dafür geben wird, wie viel man aus der natürlichen Biologie herausholen kann.

Avalos: Nun, das stimmt, 30% sind ein großes Stück, aber es gibt immer noch 70%, die wir nicht nachhaltig ersetzen können. Wir müssen uns neue Ideen einfallen lassen, um den Rest zu ersetzen. Natürlich gibt es viele nicht-biotische Technologien, die uns dabei helfen werden, aber auch die synthetische Biologie wird dabei eine Schlüsselrolle spielen.

Barstow: Dann haben wir endlich diesen Stecker über die Speicherung von erneuerbarem Strom und Kernenergie als Biokraftstoff. Der Artikel endet mit einem Abschnitt über alle Werkzeuge, die wir brauchen, um dies zu erreichen, wie die gerichtete Evolution, und herauszufinden, wie die Biologie viele der Tricks macht, die wir nutzen möchten – wir wissen das noch nicht wirklich.

Was waren die wichtigsten Erkenntnisse aus dem Schreiben dieser Arbeit für jeden von Ihnen?

Anzai: Die ganze Bandbreite der Anwendungen ist wirklich bemerkenswert. Ich habe auf jeden Fall viel gelernt.

Adesina: Ich stimme zu, die Reichweite war einfach großartig. Offensichtlich haben die Menschen all diese unterschiedlichen Ansichten darüber, was die Biologie ihrer Meinung nach leisten kann. Sehen Sie nur all die verschiedenen Perspektiven, von der Gesundheit über die Meeresbiologie bis zum Klimawandel.

Barstow: Ich hatte das Gefühl, dass ich dazu kommen würde, ich hatte viele nebulöse Ideen, aber diese Liste machte diese Ideen viel konkreter.

Avalos: Stimme voll und ganz zu, nichts macht es klarer, als es aufzuschreiben. Das und auch einer der wertvollen Aspekte dieses Papiers ist, dass es alle Möglichkeiten umfasst, wie die Biologie dazu beitragen kann, die Herausforderung der Erzeugung nachhaltiger Energie zu lösen. Ich glaube nicht, dass es in einem anderen Artikel so beschrieben wird. Ich hoffe, dass es dazu beitragen wird, der Rolle der Biologie in der Zukunft der Energie neue Aufmerksamkeit und eine bessere Wertschätzung zu verleihen.


Überqueren des Daches: Eine Balance zwischen traditionellen und modernen Ansichten der Chemie finden†

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„Ein Geiger auf dem Dach. Klingt verrückt, nicht wahr? Aber hier, in unserem kleinen Dorf Anatevka, könnte man sagen, jeder von uns ist ein Geiger auf dem Dach, der versucht, eine angenehme, einfache Melodie zu kratzen, ohne sich das Genick zu brechen. Es ist nicht einfach. Sie fragen sich vielleicht: „Warum bleiben wir da oben, wenn es so gefährlich ist?“ Nun, wir bleiben, weil Anatevka unser Zuhause ist. Und wie halten wir unser Gleichgewicht? Das kann ich mit einem Wort sagen: Tradition!“

Nachdem er kürzlich eine Produktion von „Fiddler on the Roof“ gesehen hatte, war einer von uns (W.B.T.) beeindruckt von der Spannung im Musical zwischen traditionellen Ansichten über die Ehe und moderneren Konzepten der persönlichen Wahl. Die Spannung kommt durch die Hauptfigur Tevye zum Ausdruck, die Tradition als stabilisierende Kraft feiert, aber erkennt, dass aufgeklärte Ansichten zum Wohle seiner Familie, insbesondere der jüngeren Mitglieder, und seines Dorfes notwendig sind. Eine Lektion des Musicals ist die Bedeutung der Balance. Der Geiger hockt prekär auf dem Dach und versucht, die Tradition aufzunehmen und gleichzeitig zu verstehen, dass sich die Welt verändert und dass es wert ist, die Kernideale der Aufklärung anzuerkennen und sogar zu befolgen.

Mit Entschuldigung für die extreme Analogie wundern wir uns über eine ähnliche Spannung zwischen traditionellen Ansichten über Teilgebiete der Chemie und moderneren – dürfen wir sagen – „aufgeklärten“, die einen Balanceakt erfordern, der dem des renommierten Geigers ähnelt. Betrachten Sie die traditionelle Abgrenzung von Teilbereichen: organisch, anorganisch, physikalisch, analytisch und biologisch. Solche traditionellen Richtlinien sind nützlich, sie leiten unsere Lehre, die wiederum oft die Einstellung von Lehrkräften leitet, und sie helfen uns, verschiedene Denkweisen über Moleküle und Materialien zu unterscheiden, die in Bezug auf Struktur, Eigenschaften und Funktion unglaublich unterschiedlich sind. Diese Abgrenzungen helfen auch, Gemeinschaften zu definieren, was die Bildung gemeinsamer Sprachen und Denkmuster erleichtert. Zwei Beispiele könnten die retrosynthetische Analyse in der organischen Chemie im Vergleich zu mathematischen Modellen in der physikalischen und analytischen Chemie sein.

Gegen solche Traditionen argumentieren modernere Vorstellungen über die Macht der multidisziplinären Wissenschaft. Wir haben einige der aufregendsten Forschungen an den Grenzen zwischen den traditionellen Disziplinen gesehen. Tatsächlich finden sich viele Chemiker nicht mehr nur in einem traditionellen Chemiegebiet wohl, sondern begreifen mehrere Bereiche als „Zuhause“, um beste Studenten zu gewinnen, neue Curricula zu entwerfen und moderne Forschungsprobleme anzugehen. Eine Balance zu finden zwischen den wertvollen Aspekten der Befolgung traditioneller Gebiete und der Teilnahme an interdisziplinären Wissenschaften, ist eine Herausforderung, der sich viele von uns in unserem täglichen Leben als Chemieforscher, -lehrer und -verwaltung stellen müssen.

In gewisser Weise betreiben auch viele Zeitschriften der American Chemical Society (ACS) diesen Spagat, darunter auch die, deren Herausgeber wir sind. Die Zeitschriften versuchen, die Gemeinschaften der einzelnen Disziplinen zu repräsentieren, sprechen die gemeinsamen Sprachen dieser traditionellen Gebiete und bieten Foren für die Diskussion der Forschung innerhalb der traditionellen Grenzen der in unserem Fall der organischen, anorganischen und metallorganischen Chemie. Gleichzeitig spiegeln die Zeitschriften die interdisziplinäre moderne Wissenschaft von Praktikern wider, die sich oft nicht stark mit den traditionellen Feldern identifizieren und stattdessen die Idee vertreten, dass die Wissenschaft zur Bewältigung der großen Herausforderungen, vor denen wir stehen, nicht darauf beschränkt sein darf Grenzen und muss sie stattdessen überschreiten. Daher sieht man in jeder unserer Zeitschriften oft Artikel, die möglicherweise gut in eine der anderen passen. Solche Artikel beschreiben oft Wissenschaft, die über traditionellere Ansichten von „anorganischer“, „organischer“ oder „metallorganischer“ Chemie hinausgeht.(1) Am wichtigsten ist, dass solche Artikel oft spannende Arbeiten beschreiben, die unsere Denkweise über Chemie im Allgemeinen verändern , unabhängig davon, welchem ​​traditionellen Bereich sie angehören.

Diese Themen werden im Rahmen eines speziellen ACS-Publikationsforums zur wissenschaftlichen Vielfalt in der anorganischen/organischen Chemie in Europa am 10. und 11. Oktober 2018 an der Universität Heidelberg, Heidelberg, Deutschland, umfassend präsentiert wissenschaftliche Vorträge von Weltklasseforschern aus Europa (siehe unten). Die Teilnehmer haben auch die Möglichkeit, sich mit Redakteuren von . zu vernetzen Anorganische Chemie, Die Zeitschrift für Organische Chemie, Organometallics, und Organische Buchstaben.

Auffallend ist die Themenvielfalt der Dozenten. Sie reichen unter anderem von Polymersynthese, Katalysatorentwicklung, Koordinationschemie, bioorganischer/medizinischer Chemie, Organokatalyse, Photochemie, metallorganischer Chemie, anorganischen Clusterverbindungen und Kleinmolekülaktivierung. Sicherlich liegen einige der Themen sozusagen im „Steuerhaus“ traditioneller Disziplinen der anorganischen und organischen Chemie, aber viele der Vorlesungen werden weit darüber hinaus arbeiten und die traditionellen Grenzen deutlich sprengen. Wir laden Sie herzlich ein, dabei zu sein und den Dozenten auf dem Dach der Chemie zuzuhören, die Arbeiten auf dem neuesten Stand der Wissenschaft beschreiben. Es wird eine herzhafte Diskussion erwartet, da eine Balance zwischen Forschung gefunden wird, die sich sowohl in die traditionellen Teildisziplinen einfügt als auch deren Horizont erweitert.

Die in diesem Editorial geäußerten Ansichten sind die der Autoren und nicht unbedingt die Ansichten des ACS.

Dieses Editorial erscheint in Anorganische Chemie, Organische Buchstaben, Organometallics, und Die Zeitschrift für Organische Chemie.


Die Johnson Group ist fest davon überzeugt, dass Vielfalt eine Quelle wissenschaftlicher Kreativität und Innovation ist. Wir sind bestrebt, Wissenschaftler mit unterschiedlichem Hintergrund kontinuierlich zu unterstützen, um die Talente und Fähigkeiten unseres Labors zu verbessern. Wir legen Wert auf Gleichberechtigung und Inklusivität sowohl in der wissenschaftlichen Gemeinschaft als auch weltweit. Du bist hier willkommen! Klicken Sie auf die Bilder unten, um mehr über unsere fantastischen Gruppenmitglieder zu erfahren!

Yasmeen Alfaraj
Doktorand

Yasmeen ist in Saudi-Arabien geboren und aufgewachsen und zog in die Vereinigten Staaten, um ihr Bachelorstudium fortzusetzen. Sie erhielt ihren B.Sc. in Chemie von der UC Berkeley, wo sie im Labor von Prof. Omar Yaghi an postsynthetischen Modifikationen von kovalenten organischen Gerüsten forschte. Sie verbrachte auch einen Sommer damit, im Johnson Lab an der BASP-Nanopartikelsynthese für gezielte Wirkstofftransportsysteme zu arbeiten. Nachdem sie das kalifornische Wetter für den Übergang von der saudischen Hitze genutzt hatte, beschloss sie, ans MIT zurückzukehren und den Wintern Neuenglands zu trotzen, um einen Doktortitel mit Schwerpunkt Polymerchemie und organische Materialien zu machen. In ihrer Freizeit besucht sie gerne Comedy-Clubs, wandert, fecht und kocht.

David Ansaldi
Gaststudent

David Ansaldi entwickelte schon in jungen Jahren eine Leidenschaft für Wissenschaft, Technologie und Forschung durch die Science Fair-Projekte seiner Schule, bei denen er in der 6. . Zu diesem Zeitpunkt wusste er, dass er das Herz eines Chemikers hatte und kaufte seinen ersten Laborkittel.Er hat diese Leidenschaft durch mehrere preisgekrönte regionale Wettbewerbe in den Jahren 2017 und 2018 und sein weiteres unabhängiges Studium weiter verfolgt. David ist derzeit Junior an der Boston University Academy, wo er sein Wissen durch ein strenges Curriculum mit fortgeschrittenen Kursen in Geisteswissenschaften gepaart mit College-Kursen an der Boston University erweitert. In der Johnson-Gruppe hofft David, durch die Forschung an unimolekularen Polymeren mehr über das Gebiet der Polymerchemie und Laborarbeit zu erfahren.

Ekua Beneman
Gaststudent

Hallo alle zusammen! Mein Name ist Ekua Beneman und ich bin ein Junior-Biochemie-Hauptfach am Spelman College. Nach dem Studium möchte ich einen MD/PhD anstreben und Medizinwissenschaftler werden. Ich möchte Forschungslabore eröffnen und finanzieren, die sich mit gynäkologischer Onkologie beschäftigen. Außerdem möchte ich meine Labore nutzen, um unterrepräsentierten Studierenden Forschungserfahrung zu geben. In meiner Freizeit koche ich gerne, schaue Filme und verbringe Zeit mit der Familie!

Sachin Bhagchandani
Graduate Student, KI Graduate Fellow

Sachin wuchs in Bombay, Indien, auf und erhielt seine Grundausbildung am Indian Institute of Technology, Roorkee. Er verbrachte seine Sommer damit, an einer Vielzahl von polymerbasierten Projekten am Tata Institute of Fundamental Research, Mitsui Chemicals Inc und dem spanischen Nationalen Forschungsrat zu arbeiten. Derzeit wird er gemeinsam mit dem Langer Lab beraten, wo er zuvor als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Rahmen seiner Masterarbeit an der Entwicklung von Hydrogelen zur Wirkstoffabgabe gearbeitet hat. In seiner Freizeit spielt er gerne Gitarre, Fußball und reist gerne.

Dr. Chris Brown
NSERC Postdoctoral Fellow

Chris ist in Worcestershire, England, geboren und aufgewachsen. Er zog für seinen MChem nach Newcastle und arbeitete für Dr. Lee Higham, wo er luftstabile primäre Phosphine herstellte, um sicherere Vorläufer für Katalysatoren wie DuPhos herzustellen. Chris flog dann über den Teich, um bei Prof. Michael Wolf an der UBC in Vancouver, Kanada, zu promovieren. Für seine Promotion synthetisierte er eine Vielzahl von lumineszierenden Koordinationskomplexen und arbeitete nebenbei an Forschungsprojekten mit einem Tauchunternehmen und einer lokalen Brauerei. Im August 2019 trat Chris der Johnson-Gruppe bei, wo er sein Chemiewissen auf polymere Materialien umstellen wird. In seiner Freizeit kocht, isst, wandert und radelt er gerne.

Leticia Costa
Doktorand

Letícia wuchs in Rio de Janeiro, Brasilien auf. Sie zog nach Middletown, CT, um ihr Studium an der Wesleyan University mit dem Hauptfach Chemie fortzusetzen. Dort arbeitete sie unter Professor David Beveridge an der Computermodellierung und der Erforschung des Molekülsystemverständnisses. Ziel des Projekts war es, die Umwandlung von Ligandenbindungsenergie in die allosterische Signalübertragung in Proteinen zu verstehen. Als Studentin verbrachte Letícia zwei Sommer am MIT, wo sie unter Professor Jeremiah Johnson am Design und der Synthese neuartiger Bürstenarm-Sternpolymere auf Basis von Poly(ethylenglycol) arbeitete. Nach dieser Erfahrung entschied sie sich, ihr Studium am MIT fortzusetzen und sich auf Polymerchemie zu spezialisieren. Abgesehen von ihrer akademischen Ausbildung reist Letícia gerne, isst Eis, schaut Fernsehserien, liest und verbringt Zeit mit ihren Freunden.

Yutong wuchs in Peking, China, auf und zog während der High School in die USA. Derzeit studiert sie im zweiten Jahr ihren Bachelor-Abschluss in Chemie. Im vergangenen Sommer absolvierte sie ein Praktikum im Draper Laboratory, wo sie an verschiedenen Projekten arbeitete, darunter die Entwicklung einer Plattform für die schnelle Modifizierung von Polymeren durch eine einstufige Klickreaktion. Sie freut sich sehr, im Johnson Lab an Projekten zu Polymeren und deren Modifikationen zu arbeiten. In ihrer Freizeit liest Yutong gerne, hört Musik und reist gerne.

Dr. Megan Hill
NIH Postdoc-Stipendiat

Megan wurde in Salt Lake City, Utah, geboren und wuchs dort auf, bevor sie in ihrer späteren Jugend nach Davis, Kalifornien, zog. Sie hat einen B.S. in Chemie von der California Polytechnic State University in San Luis Obispo, CA und führte Polymersyntheseforschung in der Gruppe von Prof. Philip Costanzo (PJC4LYFE) durch. Megan reiste dann quer durch die Nation nach Osten in den "anderen Sonnenscheinstaat", um an der University of Florida eine Graduiertenschule zu absolvieren. Während ihres Studiums arbeitete Megan in der Gruppe von Prof. Brent Sumerlin an der Synthese von stimuliresponsiven und biologisch abbaubaren Polymeren. Megan setzte ihre Reise in den Osten fort und zog dann als kurzfristige JSPS-Postdoc-Stipendiatin nach Tokio, Japan, wo sie unter Prof. Kyoko Nozaki an kohlendioxidbasierten Copolymeren arbeitete. Megan trat im Juni 2019 der Gruppe von Prof. Jeremiah Johnson bei, wo sie ihre Fähigkeiten in der Polymersynthese anwenden wird, um Probleme in Biologie, Energie und Katalyse zu lösen. Außerhalb des Labors genießt Megan Wandern, Yoga, Tauchen und fällt auf YouTube in Musikvideo-Wurmlöcher.

Abe Herzog-Arbeiter
Doktorand

Abe wuchs in Northampton, Massachusetts, mit seinem Zwillingsbruder Jonah auf, bevor er aus dem Nordosten floh, um die University of Chicago zu besuchen und ein "Molekularingenieur" zu werden. Während er mit Dr. Matthew Tirrell die Dynamik der Polyelektrolyt-Komplexbildung untersuchte, erkannte Abe, dass Chemiker tatsächlich die besten in der Entwicklung von Molekülen und Feldern sind. Forschungsaufenthalte bei IBM Research bei Dr. Jeannette García und am Leibniz Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden bei Dr. Daria Mikhailova führen ihn auf das Gebiet der Batteriechemie und deren Schnittmenge mit polymeren Werkstoffen. Abe freut sich, mit dem Johnson Lab weiterhin Polymermaterialien für die Energiespeicherung und andere Anwendungen zu entwickeln. Wenn er nicht im Labor ist, rennt Abe gerne, kocht und isst scharfes Essen.

Keith Husted
Doktorand

Ich bin in Oakville, Ontario, aufgewachsen und für ein Aufbaustudium in die USA gezogen. Ich habe meinen Honours B.Sc. in Materialchemie an der McGill University. Ich arbeitete im Labor von Dr. Mark Andrews, wo ich verschiedene Morphologien von Magnetit- und Lanthanid-dotierten Magnetit-Nanopartikeln synthetisierte und charakterisierte und ihren Einfluss auf die Rosenzweig-Instabilitäten ihrer jeweiligen hochkonzentrierten kolloidalen Dispersionen beobachtete. Anschließend arbeitete ich unter der Co-Betreuung von Dr. Hanadi Sleiman und Dr. Dmitrii Perepichka an der Synthese und Charakterisierung alternierender Copolymere (Oligomere) von Diketopyrrolopyrrolen. Ich freue mich darauf, mein Studium der Polymerchemie fortzusetzen und meine Arbeit auf die Prinzipien der Kontrolle der Netzwerktopologie in der Johnson-Gruppe am MIT auszuweiten.

Alayna Johnson
Doktorand

Alayna wuchs in Minneapolis, MN, auf und besuchte die University of Illinois, wo sie ihren B.S. in Chemie. An der UIUC forschte Alayna zusammen mit Professor Steve Zimmerman über den Abbau von Polyurethanen unter leicht sauren Bedingungen. Außerdem absolvierte sie ein Praktikum als Discovery Chemiker bei Merck, wo sie Wirkstoffe zur Schmerzbehandlung untersuchte. Alayna verfolgt weiterhin ihre Forschungsinteressen der Polymer- und Materialchemie in der Johnson Group. Außerhalb des Labors häkelt, zeichnet und malt sie gerne.

Khrystofor Khokhlov
Doktorand

Khrystofor wurde in Kiew, Ukraine, geboren und wuchs dort auf, wo er Eishockey spielte und einige Forschungen in der Oxazol-Chemie durchführte, bis er an der Columbia University als Hauptfach Chemie studierte, wo er seine Ausbildung erhielt. Er arbeitete einige Jahre im Labor von Prof. Nuckolls und synthetisierte Perylendiimid-basierte Twistacene, Helicene und andere verzerrte Aromaten für Anwendungen in der organischen Photovoltaik. Khrystofor ist gerade der Johnson-Gruppe beigetreten und freut sich sehr darauf, mit der Arbeit an der IEG-Polymersynthese und -anwendungen zu beginnen. Er liest und kocht sehr gerne, obwohl die Gegenstände dieser Aktivitäten variieren, je nachdem, ob er im Labor oder in der Küche ist.

Landon Kilgallon
Doktorand

Landon wuchs in Spring Hill, Tennessee, auf. Er besuchte das Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, NY, wo er seinen BS in Chemie erhielt. Bei Rensselaer arbeitete Landon im Labor von Dr. Chang Ryu, wo er die Härtungskinetik der photoinitiierten kationischen Polymerisation von Oxetanen und Epoxiden untersuchte. Außerdem verbrachte er einen Sommer im Labor von Dr. Marcus Weck an der New York University, wo er die Grundlagen der Morphologiekontrolle von mit ROMP synthetisierten Multikompartiment-Mizellen studierte. Landon verfolgt seine Forschungsinteressen der Polymer- und Materialchemie in der Johnson Group weiter. Außerhalb seiner akademischen Ausbildung liebt Landon Brotbacken, Pizza backen und Computer bauen.

Dr. Gavin Kiel
Beckman Postdoctoral Fellow

Gavin wuchs in Orange Country, CA, auf und besuchte dann die UCLA, wo er Wirtschaftswissenschaften und Mathematik studierte. Nach 2 Jahren im Firmenkundengeschäft wagte er sich ins Ausland, um einen Master in Finanzökonomie an der Universität Oxford zu erwerben. Anschließend konzentrierte er sich auf den logischen nächsten Schritt: eine Promotion in Chemie. Vor seinem Studium arbeitete er in Yi Lius Gruppe an der Molecular Foundry des Lawrence Berkeley National Laboratory an dynamischen kovalenten Chemieansätzen für verzahnte Käfigverbindungen. Seiner Leidenschaft für die Synthese folgend, arbeitete er dann bei T. Don Tilley an der UC Berkeley, wo er einen einheitlichen Rahmen für die Synthese konjugierter Nanokohlenstoffe über metallvermittelte [2+2+n]-Cycloadditionen entwickelte. Er trat der Johnson-Gruppe im November 2019 bei, um seine synthetischen Fähigkeiten auf den makromolekularen Bereich auszuweiten.

Dr. Samantha Kristufek
Misrock Postdoctoral Fellow

Sam wuchs auf dem Land in Butler, PA, auf und erhielt 2011 ihren Bachelor of Science in Chemie von Penn State Behrend. Während ihres Studiums forschte sie unter der Leitung von Dr. Michael Justik an der Synthese hypervalenter Jodverbindungen. Müde vom Schneewetter zog sie an die sonnige Texas A&M University, wo sie unter der Leitung von Professor Karen Wooley an der Synthese und Charakterisierung von phenolischen linearen und vernetzten Polymeren für verschiedene Anwendungen arbeitete. Auf der Suche nach Abenteuer und einem weiteren Forschungsgebiet zog sie für 1,5 Jahre nach Australien und arbeitete als Postdoc in Materialwissenschaften im Labor von Professor Frank Caruso an der University of Melbourne. Im September 2018 trat sie der Gruppe von Professor Jeremiah Johnson bei, um im Bereich der Polymersynthese für biomedizinische Anwendungen zu arbeiten. In ihrer Freizeit liebt Sam Wandern, Outdoor-Abenteuer, College-Football gucken und kochen.

Valerie Lensch
Doktorand

Valerie wuchs in Saratoga, Kalifornien auf und besuchte die University of California, Santa Barbara, wo sie ihren B.S. in Chemie und Biochemie. An der UCSB forschte Valerie zusammen mit Professor Craig Hawker an der Vulkanisation von Silikonnetzwerken mittels metallfreier Boranhydrosilylierung. Außerdem arbeitete sie mit Professor Samir Mitragotri an der Entwicklung von Plattformen für die gezielte Verabreichung synergistischer Chemotherapie-Wirkstoffkombinationen. Valerie promoviert nun am MIT unter der Leitung von Professor Jeremiah Johnson und Professor Laura Kiessling. In ihrer Freizeit wandert, joggt und skatet sie gerne.

Dr. Bin Liu
Postdoc-Stipendiatin des Koch-Instituts

Bin wurde in der chinesischen Provinz Hunan geboren und wuchs dort auf. Er erhielt seinen Bachelor- und Master-Abschluss an der Nankai University unter der Leitung von Prof. Xinlin Yang, wo er sich auf die Herstellung, Charakterisierung und Anwendung von funktionellen Partikeln konzentrierte. Anschließend wechselte er an die University of Massachusetts, Amherst, und schloss sich der Gruppe von Prof. S. Thayumanavan an, um seinen Doktortitel über Design, Synthese und Anwendung von stimuli-sensitiven Materialien zu verfolgen. Im Jahr 2020 trat er als Postdoc in die Johnson-Forschungsgruppe ein, wo er weiterhin die Schönheit von Polymeren erforschen wird. In seiner Freizeit spielt er gerne Basketball, schaut sich NBA-Spiele und Filme an.

David Lundberg
Graduate Student, NSF Fellow

Ich bin in Minnesota geboren und aufgewachsen und habe meinen Bachelor in Chemieingenieurwesen an der University of Minnesota – Twin Cities gemacht. Als Student arbeitete ich mit Professor Chris Macosko an der Schmelzverarbeitung und rheologischen Charakterisierung von Polymer-Ton-Nanokompositen. Außerdem arbeitete ich mit Professor Paul Dauenhauer am industriellen Prozessdesign für die Herstellung erneuerbarer Monomere und verbrachte einen Sommer bei 3M, um Polymerisationskinetik zu modellieren. Ich freue mich, der Johnson-Gruppe beizutreten, damit ich mehr über Polymerchemie lernen und dieses Wissen auf die Herstellung funktionaler Netzwerkmaterialien anwenden kann. Wenn ich nicht arbeite, fahre ich gerne Mountainbike, wandere und lese gerne

Matthew Pearson
Doktorand

Ich bin in Louisville, Kentucky, geboren und aufgewachsen. Ich habe meinen B.S. in Chemie von der Brown University erhalten, wo ich mit Professor Eunsuk Kim zusammengearbeitet habe, um biomimetische Metallkomplexe für die Chemie des Sauerstoffatomtransfers wie die CO2-Reduktion zu synthetisieren. Ich verbrachte auch einen Sommer am Brookhaven National Laboratory, um die überraschend komplexe Energetik der Elektron-Loch-Trennung in polymerbasierten organischen Photovoltaikzellen zu erforschen. Als Mitglied der Johnson-Gruppe freue ich mich darauf, meine Interessen in der anorganischen Chemie und in der Materialchemie anzuwenden, um die Lücke zwischen der MOF-Chemie und der Polymerchemie zu schließen, indem ich an der Entwicklung eines Hybridmaterials arbeite, das sowohl MOF- als auch Polymerdomänen enthält. Außerhalb des Labors spiele ich gerne Ragtime-Klavier, wandere mit dem Rucksack, beteilige mich an Politik und schreibe Romane.

Peter Qin
Doktorand

Ich bin in China geboren und habe meinen BS in Chemischer Biologie von der Tsinghua University in Peking erhalten. Als Student arbeitete ich im Labor von Prof. Xi Zhang, um an supermolekularen Polymeren auf Basis von Cucurbiturilen zu arbeiten, verbrachte einen Sommer in Prof. Jeffrey Moores Labor an der UIUC, um Pheylenacetylen-Makrocyclen zu synthetisieren, und baute Modellflugzeuge, die flogen (und abstürzten). Ich freue mich, der Johnson-Gruppe beizutreten, um an IEG-Polymeren zu arbeiten. Außerhalb des Labors reise ich gerne, mache Fotos und repariere alle möglichen Dinge.

Dr. Peyton Shieh
Postdoc der American Cancer Society

Peyton ist ein gebürtiger Michigander. Er erhielt seinen Ph.D. an der UC Berkeley in Chemical Biology, wo er Ansätze zur Visualisierung der Zelloberflächen-Biopolymere bakterieller Pathogene für diagnostische Anwendungen entwickelte. Nach einem Aufenthalt bei Illumina in San Diego, wo er an DNA-Sequenzierungstechnologien arbeitete, trat er der Johnson-Gruppe bei, um Forschungen in synthetischer Polymerchemie und weichen Materialien durchzuführen, die auf Herausforderungen in der Biomedizin und Nachhaltigkeit angewendet werden. Sein Interesse gilt der Anwendung der Werkzeuge der chemischen Biologie und Biotechnologie, um die Wechselwirkungen zwischen synthetischen Materialien und ihrer Umgebung zu untersuchen und zu entwickeln. Peyton hat ein breites Interesse an Technologieübersetzung und ist ein benannter Erfinder von mehr als 10 Patenten.

Michael Stolberg
Doktorand

Ich bin in Marin County, CA, nördlich von San Francisco aufgewachsen. Nachdem ich mich schon in jungen Jahren für Naturwissenschaften interessiert hatte, besuchte ich die UC Berkeley für den Bachelor. In Berkeley habe ich Physik als Hauptfach und Chemie als Nebenfach studiert. Ich habe auch unter Ron Zuckermann am Lawrence Berkeley National Laboratory geforscht. Dort studierte ich Kristallstrukturen und Phasenübergänge von Peptoiden, synthetischen Peptoid-Mimetika. Nachdem ich die meiste Zeit meines Lebens in der Bay Area verbracht hatte, entschied ich mich, woanders hin zu ziehen, um mein Studium zu absolvieren, und freue mich sehr, am MIT zu sein. In der Johnson Group studiere ich unter anderem Materialien für Polymerbatterien. In meiner Freizeit bin ich ein begeisterter Skifahrer, liebe es zu kochen und Jeopardy zu sehen!

Zehao Sonne
Doktorand

Zehao ist in der Stadt Hangzhou in China geboren und aufgewachsen, die für die großartige Landschaft des Westsees bekannt ist. Im Alter von 18 Jahren reiste er nach Peking und verbrachte dort vier Jahre an der Peking (auch bekannt als Peking) Universität, um seinen Bachelor in Materialchemie zu machen. Als Student arbeitete er mit Professor Jian Pei, der für seine Besessenheit von Cyclisierungsreaktionen berühmt ist, an der Synthese von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen mit eingebettetem Bor-Stickstoff und erforschte deren Anwendungsmöglichkeiten im Bereich organischer Feldeffekttransistoren. Er verfolgt jetzt einen Ph.D. am MIT, gemeinsam mit Professor Jeremiah Johnson und Professor Caroline Ross.

Taylor Talley
Gaststudent

Taylor Talley ist eine aufstrebende Seniorin am Spelman College, wo sie einen Abschluss in Biochemie (BS) anstrebt. Sie war medizinische Assistentin an einer COVID-19-Teststelle, was ihr Interesse am Gesundheitswesen förderte. Als Teil der Johnson Group wird sie Forschungen und Anwendungen in der synthetischen makromolekularen Chemie betreiben, um die Verbindungen zwischen klinischer Versorgung und wissenschaftlicher Forschung voranzutreiben. Nach Abschluss ihres Bachelor-Abschlusses plant Taylor, den MD-PhD-Doppelabschluss als Arzt-Wissenschaftlerin zu verfolgen, um Wissenschaft und Medizin zu verbinden, um unterrepräsentierten Bevölkerungsgruppen zu dienen.

Aiden Wang
Doktorand

Aiden wurde in China geboren und wuchs in Singapur auf, wo die endlose Vielfalt an Küchen seine Liebe zum Essen und Kochen (seine Backup-Karriere) nährte. Aiden besuchte die University of Cambridge in Großbritannien, wo er mit Prof. Chris Abell an fragmentbasierten Sonden arbeitete. Nach seinem Abschluss ging er als Forschungsstipendiat bei Prof. Brian Liau nach Harvard, wo er an einem PROTAC arbeitete, das auf nukleare Lamins abzielte. Aiden freut sich, dem Labor beizutreten, um mehr über Polymere zu erfahren und sie in biologischen Zusammenhängen anzuwenden. Außerhalb des Labors genießt Aiden Schlägersport, kocht, schreibt Popmusik und nervt gelegentlich seine Mitbewohner mit seinen Gesangsdarbietungen.

Wencong Wang
Doktorand

Ich bin in Weifang aufgewachsen und habe meinen B.S. von der Tsinghua-Universität in Peking, China. Als Student habe ich im Labor von Prof. Huaping Xu mit Radikalpolymerisation gearbeitet, um selenhaltige Polymere zu synthetisieren. Im Sommer 2016 habe ich im Labor von Prof. Johnson eine Sommerforschung zur Synthese von IEG-Polymeren durchgeführt. Ich freue mich, wieder hier zu sein und mehr über das IEG-Polymer und seine Anwendung in biologischen Systemen zu erfahren. Meine Freizeit verbringe ich mit Lesen, Musikhören und Reisen.

Lori wuchs in Palos Verdes, Kalifornien auf. Sie ist Diplom-Senior in der Fakultät für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen. Sie hat zuvor am Koch-Institut mit Dr. Zimmermann im ersten Studienjahr über den Mechanismus der Zellmetastasierung geforscht und dann im Irvine-Labor über Modifikationen von Zuckern auf Impfstoff-Nanopartikeln. Sie freut sich sehr, im Johnson-Labor etwas über die Polymersynthese zu erfahren, was sie noch nie zuvor im Labor gemacht hat! In ihrer Freizeit geht sie gerne Eiskunstlauf, backt und schläft.


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