Masteroppgaver i biokjemi - Temaområde A

Studieveilederen

Masteroppgaver ved Protein Engineering and Proteomics (PEP) gruppen ved IKBM 2004 – 2006.

Kontaktperson: Vincent Eijsink
For mer informasjon se http://kitin.nlh.no/pep/education/master.htm

TEMA: Melkesyrebakterier som cellefabrikk og "delivery vehicle"***
Melkesyrebakterier er "food grade" bakterier med GRAS (Generally Regarded As Safe) status. Derfor er disse bakterier svært interessant som trygg produsent av biomolekyler, f eks enzymer. I samarbeid med Matforsk jobber vi med å utvikle genetiske systemer slik at disse bakterier (Lactobacillus) kan bli gode cellefabrikker. Disse systemene er baserte på regulerbare promotorer som bakteriene til vanlig bruker for å styre produksjon av anti-mikrobielle peptider (bakteriosiner). Vi har tre aktiviteter hvor studenter kan bidra:

1. Produksjon av enzymer, f eks kitinaser. Kitinaser blir valgt som modellenzymer siden uttrykk av disse enzymer i prinsipp kan føre til at vi får melkesyrebakterier som klarer å bryte ned rekeskall og annet kitinholdende avfall. Dette passer fint sammen med en del enzym-relatert arbeid som foregår i gruppen. Målsetningen vil være å få maksimalt uttrykk av en eller flere kitinase gener. I tillegg må vi prøve å få cellene til å skille ut kitinasene (ved hjelp av signal peptider). Det er ikke nødvendig å begrense denne oppgaven til kitinaser; man kan også se på andre enzymer, samt på medisiner (dvs proteiner med medisinsk virkning, f eks interleukiner).

2. Produksjon av fiskevaksiner (melkesyrebakterier som "delivery vehicle"). Her er ideen å få melkesyrebakterien til å produsere fiskevaksiner som bakterien kobler fast på sitt overflate. En slik bakterie kan da, eventuelt etter å ha blitt drept, tilsettes fiskefôr, slik at fiskene immuniseres gjennom fôret. Vi bruker fiskevaksiner som modell; denne teknologien kan også tenkes anvendt i andre sammenhenger (f eks "yoghurt-vaksiner" for mennesker). Det er stor interesse i utvikling av melkesyrebakterie-baserte vaksiner innenfor en rekke anvendelsesområder.

3. Forbedring av våre genetiske systemer gjennom "directed evolution" (in vitro evolusjon). Dette vil si at vi bruker in vitro evolusjon til å gjøre våre systemer for genuttrykk bedre, mens vi samtidig få fram grunnleggende kunnskap om hvordan disse systemen virker. Her kobles altså grunnleggende studier av proteiner som er involvert i genuttrykk og signaloverføring til et anvendbar system for genuttrykk i melkesyrebakterier. Dette arbeidet beskrives i mer detalj nedenfor.

En aktiv og god student kan muligens klare å kombinere elementer av disse tre punktene.
Tema 1 og 2 innebærer mye avansert molekylærbiologi og noe biokjemi. Oppgave 3 er mer protein-orientert men innebærer også bruk av en god del molekylærbioliogiske teknikker. Forholdet mellom molekylærbiologi og protein biokjemi kan varieres noe, etter studentens behov.
Praktisk veileder: Stipendiat Geir Mathiesen (disputerer i begynnelsen av 2005 og fortsetter i gruppen)
Samarbeid: MATFORSK, SINTEF-Trondheim og et Nederlandsk bedrift.
Du finner mer om prosjektet her

Mulige titler på en hovedoppgave (sterkt avhengig av hva man velger å jobbe med):
- Utvikling av et system for overuttrykk og sekresjon av proteiner i melkesyrebakterier.
- Overuttrykk av fiskevaksiner i melkesyrebakterier med hjelp av bakteriosin promotorer
- Utvikling av et system for overuttrykk, sekresjon og forankring av proteiner i Lactobacillus

TEMA: In vitro ("directed") evolusjon av proteiner og peptider som brukes i systemer for genuttrykk i Lactobacillus***
Dette temaet ligger midt i mellom melkesyrebakterieprosjektet ("cellefabrikken") og gruppens enzym prosjekter. Vi skal bruke teknikker som brukes i enzym engineering for å forbedre våre systemer for genuttrykk i melkesyrebakterier. Dvs at vi skal utføre vilkårlig mutagenese (kombinert med screening) på en eller flere av de protein komponentene som utgjør vår system for genuttryk (f eks den involverte transkripsjonsfaktoren). Vi skal selektere for varianter som kan brukes til å forbedre våre systemer for genuttrykk (f eks mer uttrykk, eller bedre regulering av uttrykk). Dette prosjektet har ikke bare en bioteknologisk side, men også en ren fundamentell vitenskapelig side. Det er nemlig slik at vi vil lære mye om våre systemer for genuttrykk (genregulering) mens vi forsøker å forbedre de. Prosjektet kombinerer molekylkærbiologi (f eks genregulering) og biokjemi (protein evolusjon) på en utmerket måte. Dette kan bli en krevende oppgave, men den vil garantert være spennende og du vil bruke en del "state-of-the-art" teknikker innen molekylærbiologi og protein kjemi; det vil bli en del bioinformatikk også.
Praktisk veileder: Geir Mathiesen
Mulig tittel: In vitro evolusjon av et system for regulert genuttryk i melkesyrebakterier


TEMA: Kitinaser, enzym engineering
Kitin er et stoff som det per år produseres ufattelige 1 milliard tonn av i naturen. En god del kitin blir hvert år fraktet i land av verdens fiskere i form av reke- og krabbeskall, ikke minst i Norge. Dette betyr at det produseres store mengder kitin-holdende avfall og det er derfor stor interesse i å finne metoder for å utnytte dette avfallet. Kitin og beslektede stoffer (kitosan) består av lange sukkerkjeder. Korte fragmenter av disse lange kjeder har muligens en rekke interessante anvendelsesområder. Her er det snakk om mulig bruk som insektisid, fungicid, medisin, og gjødsel. Vi satser på å utvikle en verktøykasse med spesialtilpassede enzymer for bearbeiding av kitin og kitosan, slik at vi kan omdanne disse billige polymerer til høy-verdi produkter. Til dette formålet gjør vi flere typer studier:
• Grunnleggende studier av enzymer som bryter ned kitin og relaterte polymerer
• "Engineering" (forbedring) av potensiell nyttige enzymer
• Leting etter potensiell nyttige enzymer i naturen
Vi er ikke bare interessert i kitinaser, men også i kitinasehemmere. Det er nemlig slik at kitinholdende organismer (insekter, sopp) trenger kitinaser for å kunne vokse. Paradoksalt nok er det slik at kitinfragmenter som vi framstiller ved hjelp av kitinaser kan være gode hemmere for andre kitinaser (f eks. fra insekter).
Vi samarbeider med Norsk Biopolymer Laboratorium ved NTNU i Trondheim, med Morten Sørlie’s grupep ved IKBM, og med en rekke utenlandske grupper
Du kan finne mer om disse aktiviteter her

Dette prosjektet består av en rekke delprosjekter som varierer i karakter. Som oftest er det mulig å sy sammen oppgaver etter studentenes ønske, med en spesialtilpasset blanding av molkylærbiologi, protein biokjemi, biofysikk og litt bioinformatikk. Nednefor følger noen eksempler, men det beste er å ta kontakt med Vincent for å finne ut hva mulighetene er. Ikke alle prosjekter er åpne for studenter hele tiden.


Mulig tittel: Karakterisering av subtstrat og produkt spesifisitet av naturlige og mutante kitinaser og engineering av kitinaser med endret produkt- og substrat spesifisitet
Mål: Å utvikle nye kitinaser som bryter ned kitin og kitosan på nye måter; utvikling av kitinaser som har produkter med interessante (anvendbare) biologiske aktiviteter (f eks. insecticid, fungicid).
Område/teknikker: kombinasjon av middels avansert molekylæbiologi med biokjemi (enzymologi, protein rensing, HPLC); en del bioinformatikk (protein modellering); noe karbohydratkjemi hvis ønskelig.
Praktisk Veiledning: Morten Sørlie (første am.), Svein Horn (forsker)
Samarbeid: NTNU, Trondheim


Mulig tittel: Utvikling av forbedrede kitinaser ved "Directed evolution"
Mål: Å forbedre "industrielle" egenskaper (f eks stabilitet, aktivitet ved lav pH og/eller lav temperatur) av kitinaser med hjelp av sete-rettet mutagenese. I tillegg satser vi på å ta i bruk vilkårlig mutagenese kombinert med robotisert leting etter gode varianter ("directed evolution"). Følgende tema er i prinsipp interessante for oss:
- In vitro evolusjon av en kitinase som er aktiv ved lav temperatur
- Utvikling av kitinaser med forbedrede egenskaper gjennom engineering av enzymets overflate
- Utvikling av kitinaser med forbedrede egenskaper gjennom in vitro evolusjon av enzymets overflate
- Engineering av kitinase varianter med forbedret aktivitet ved lave temperaturer
- Engineering og in vitro evolusjon av en kitinase med forbedret aktivitet ved lav pH
Men det mangler arbeidskraft til å jobbe med alt.
Område/teknikker: enzym engineering; en del bioinformatikk (databehandling; protein modellering); biokjemiske og molekylærbiologiske teknikker; gene shuffling; in vitro evolusjon; robotized biochemistry.
Praktisk veiledning: en eller flere forskere ved enzymgruppen etter nærmer avtale og/eller ønske.
Bemerkninger:
- Det er ikke sikker at alle studentprosjekter virkelig vil komme så langt at man kjører gene shuffling osv. Dette vil ikke gjøre prosjektene mindre interessante.
- Hver oppgave vil i prinsipp bestå av laging av en del enzymvarianter (muligens inklusiv gene shufling og screening) pluss "noe mer biokjemisk" ( feks noen studier av protein folding, noe avansert enzymologi, e.l.)
- I noen tilfeller kan det bli aktuelt med noe reising (Trondheim, Aalborg), men dett er avhengig av framgang og studentens interesse og pågangsmot.

Mulig tittel: Kloning, overuttrykk og karakterisering av kitinaser og beslektede enzymer (”genome mining”)
Dette er en oppgave rettet mot overproduksjon og karakterisering av proteiner og det er sånt sett en typisk "proteomics oppgave". Vi skal ikke nødvendigvis lete etter "nye" enzymer, men vi skal ta kjente gener som koder for enzymer som vi er interesserte i og vi skal prøve å overuttrykke disse gener. Vi skal så fokussere på detaljstudier av disse proteiner (muligens inkl. krystal struktur) og vi skal evaluere om enzymene er interessante for vår enzym-verktøykasse.
Område/Teknikker: overuttrykk og rensing av proteiner, enzymologi, in vitro translasjon og transkripsjon.
Praktisk veiledning: stipendiat Ingunn Alne
Nb. Vi jobber for tiden med isolering av en kitinase fra torsk. Det kan bli et av enzymene vi jobber med, men det er avhengig av framgangen.

TEMA: Molekylær plantepatologi (proteomics)

Enzymer og anti-mikrobielle peptider fra Clavibacter bakterier***
Oppgaven er aktuell fra januar 2005.
Tema: Clavibacter er en Gram-positiv bakterie som forårsaker sykdom på en rekke viktige kulturplanter. De to underartene Cm michiganensis og Cm sepedonicus som angriper hhv. tomat og potet er underlagt strenge internasjonale karantene bestemmelser. Cm sepedonicus er et problem i Norge og man kan ikke bekjempe den med vanlige plantevernmidler. Man vet veldig lite om disse bakteriene; for eksempel er det uklart hvilke enzymer blir produsert under infeksjonsprosessen. I enzymgruppen ønsker vi å identifisere, isolere, karakterisere (og eventuelt utnytte) disse enzymene. Dette kan en student jobbe med, sammen med en stipendiat på dette prosjektet. Oppgaven vil i utgangspunkt være rettet mot protein biokjemi, proteomics, osv., men, avhengig av studentens interesser kan oppgaven vinkles mer mot molekylærbiologi. Det vil uansett bli en blanding av begge.
Veileder: Stipendiat Ingrid Holtsmark (Planteforsk), Vincent Eijsink, forsker May Bente Brurberg (Planteforsk),
Arbeidssted kan være både i Bioteknologibygget og i Fellesbygget (Planteforsk)

Enzymer fra oomyceten Phytophtora infestans
Oppgaven er aktuell fra våren-sommeren 2005.
Tema: Phytophtora infestans forårsaker tørråte i potet og på Planteforsk prøver man å finne gener som blir slått på eller av under infeksjonsprosessen. Kunnskap om gener som er viktige under infeksjonsprosessen kan muligens gi et grunnlag for utvikling av nye bekjempelsesstrategier mot P. infestans. Det er ikke genene selv men deres produkter (f eks enzymer som "spiser opp" potetplanta under infeksjonen) som er avgjørende for en infeksjon. Derfor foregår det et komplementært prosjekt på IKB hvor vi prøver å finne fram til nøkkelgener / genprodukter ved å se på hvilke proteiner (f eks enzymer) som P. infestans produserer under en infeksjonsprosess. Her bruker vi mange teknikker fra protein kjemien og det som kalles "proteomics".
Veiledere: Stipendiat Kristine Bråthen Hein, Vincent Eijsink
Vite noe mer? Se nærmere på prosjektbeskrivelsen.


Dersom du ønsker mer informasjon om hovedfagsoppgavene eller har lyst til å prøve deg på en, ta kontakt med Vincent


Oppdatert: 10.02.05
Utskriftsvennlig versjon : Arkiv : Tips en venn