Über CodeChi

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Ende März 2022 hat der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) das Schwerpunktprogramm „Code𝛘 – Chitin, Chitosan und Chito-Oligosaccharide und ihre Interaktionen mit Proteinen der extrazellulären Matrix und zellulärer Signalwege“ (SPP 2416) eingerichtet. Das Programm hat eine Laufzeit von sechs Jahren und startete im Oktober 2023.

Ziele und Anwendungsbereich des Programms

Chitin und Chitosane (C/CS) gehören zu den häufigsten und vielseitigsten Polymeren in der Natur und kommen als Strukturbausteine in zahlreichen extrazellulären Matrices (ECM) vor, wie z. B. in der Arthropoden-Kutikula, in hydrogelähnlichen peritrophischen Matrices oder der Zellwand von Pilzen. Die strukturellen Grundlagen, die der immensen Bandbreite unterschiedlicher physikomechanischer Eigenschaften verschiedener ECM zugrunde liegen, sind derzeit nicht bekannt. Ebenso wenig verstanden sind die C/CS-Biosynthese, der Auf- und Abbau während der Entwicklung, Differenzierung und Morphogenese, sowie ihre Interaktionen mit anderen zellulären Bestandteilen und ihre Beteiligung an der Kommunikation zwischen Organismen. Aufgrund neuer Erkenntnisse sind wir der festen Überzeugung, dass die molekulare Feinstruktur von C/CS (d.h. Polymerisations- und Acetylierungsgrad sowie Acetylierungsmuster) und ihre Wechselwirkungen mit verschiedenen Typen von C/CS-bindenden Proteinen (CBP) und C/CS-modifizierenden Enzymen (CME) zur Definition der ECM-Eigenschaften beitragen.

Ziele und Anwendungsbereich des Programms

Chitin und Chitosane (C/CS) gehören zu den häufigsten und vielseitigsten Polymeren in der Natur und kommen als Strukturbausteine in zahlreichen extrazellulären Matrices (ECM) vor, wie z. B. in der Arthropoden-Kutikula, in hydrogelähnlichen peritrophischen Matrices oder der Zellwand von Pilzen. Die strukturellen Grundlagen, die der immensen Bandbreite unterschiedlicher physikomechanischer Eigenschaften verschiedener ECM zugrunde liegen, sind derzeit nicht bekannt. Ebenso wenig verstanden sind die C/CS-Biosynthese, der Auf- und Abbau während der Entwicklung, Differenzierung und Morphogenese, sowie ihre Interaktionen mit anderen zellulären Bestandteilen und ihre Beteiligung an der Kommunikation zwischen Organismen. Aufgrund neuer Erkenntnisse sind wir der festen Überzeugung, dass die molekulare Feinstruktur von C/CS (d.h. Polymerisations- und Acetylierungsgrad sowie Acetylierungsmuster) und ihre Wechselwirkungen mit verschiedenen Typen von C/CS-bindenden Proteinen (CBP) und C/CS-modifizierenden Enzymen (CME) zur Definition der ECM-Eigenschaften beitragen.

Darüber hinaus lösen C/CS-Bindungsrezeptoren (CBR) des menschlichen, tierischen und pflanzlichen Immunsystems Abwehrreaktionen bei der Erkennung von enzymatisch produzierten Chito-Oligosacchariden (COS) aus. So nehmen wir an, dass die Feinstruktur von C/CS und COS einen Code enthält, den wir „Code𝛘” nennen (der griechische Buchstabe „chi“ steht für chito), der von einer Vielzahl von C/CS-bindenden und modifizierenden Proteinen in Organismen, die diese Polymere produzieren «geschrieben», «ausgelesen» und «interpretiert» wird, wie auch von C/CS-abbauenden Enzymen und Bindungsrezeptoren von Wirtszellen ihrer Umwelt, die C/CS-haltige Organismen erkennen können. Ziel des Schwerpunktprogramms ist es, „Code𝛘” zu entschlüsseln und die molekularen und biophysikalischen Grundlagen der C/CS-Funktion in der Natur zu verstehen.

Mehr Informationen über:

Methodik

Publikationen

Darüber hinaus lösen C/CS-Bindungsrezeptoren (CBR) des menschlichen, tierischen und pflanzlichen Immunsystems Abwehrreaktionen bei der Erkennung von enzymatisch produzierten Chito-Oligosacchariden (COS) aus. So nehmen wir an, dass die Feinstruktur von C/CS und COS einen Code enthält, den wir „Code𝛘” nennen (der griechische Buchstabe „chi“ steht für chito), der von einer Vielzahl von C/CS-bindenden und modifizierenden Proteinen in Organismen, die diese Polymere produzieren «geschrieben», «ausgelesen» und «interpretiert» wird, wie auch von C/CS-abbauenden Enzymen und Bindungsrezeptoren von Wirtszellen ihrer Umwelt, die C/CS-haltige Organismen erkennen können. Ziel des Schwerpunktprogramms ist es, „Code𝛘” zu entschlüsseln und die molekularen und biophysikalischen Grundlagen der C/CS-Funktion in der Natur zu verstehen.

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Methodik

Publikationen

Chitin binding site in TLR-2

Close-up view on the chito-oligosaccharide binding site of Toll-like receptor 2

Human TLR-2 binding a chito-oligosaccharide

Structural model of Toll-like receptor 2 in complex with a chito-oligosaccharide

Human TLR-2 binding a chito-oligosaccharide

Sliced view on the chito-oligosaccharide binding site of Toll-like receptor 2

Full length human TLR-2

Ribbon model of human Toll-like receptor 2

Structure of a chitosan oligomer

Molecular dynamic simulations and NMR analysis of chitosan oligomers suggest particular intramolecular interactions.

Structural glycan imaging

Single molecule imaging of a synthetic glycan obtained by ESI-STM

Cuticle of a locust leg

Fluorescence resulting from resilin/dityrosine in the cutcicle from Schistocerca legs

Yeast cell wall

Calcofluor white staining of budding yeast cells

Chiral assemblies

Chiral assemblies obtained from synthetic oligosaccharides

Peritrophic Matrix

The peritrophic matrix is stained with a fluorescent chitin binding domain (red), the gut content contains FITC-dextran particles (green) and the midgut epithelial nuclei are stained with DAPI (blue)

Cryo-EM structure of PsChs1

Cryo-EM structure of the chitin synthase 1 dimer from Phytophthora sojae (Chen et al., 2022, Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-022-05244-5

Programmausschuss

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Koordinator: Prof. Dr. Hans Merzendorfer, Institut für Biologie, Universität Siegen

Dr. Martina Delbianco

Max-Planck-Institute of Colloids and Interfaces, Potsdam
Dept. of Biomolecular Systems, Carbohydrate Materials

Prof. Dr. Hans Merzendorfer

University of Siegen, Siegen
Dept. of Chemistry-Biology, Molecular Biology

Prof. Dr. Bruno Moerschbacher

University of Münster, Münster
Institute of Biology and Biotechnology of Plants, Molecular Phytopathology

Prof. Alexander Weber, Ph.D.

Eberhard Karls University, Tübingen
Dept. of Immunology, Innate Immunity

Prof. Dr. Yael Politi

Technical University Dresden, Dresden
B CUBE – Center for Molecular Bioengineering

Erweitertes Board

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Prof. Dr. Bernard Moussian

Eberhard Karls University, Tübingen
Faculty of Science

Dr. rer. nat. Linus Stegbauer

Institute of Interfacial Process Engineering and Plasma Technology IGVP, University of Stuttgart /// Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB