研究所介绍：德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所（The Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology）

系统和合成微生物学系的研究涉及微生物学的广泛主题，包括生物学、物理学、工程学和化学。我们的主要研究重点是分析微生物细胞网络的实时功能和空间组织。为了解决这些问题，我们应用了一系列荧光显微镜技术，包括福斯特共振能量转移(FRET)、自动成像和单分子定位显微镜(SMLM)，以及转录组学、蛋白质组学、生物化学和实验进化。这些实验技术与数学理论和计算机模拟相结合，为细胞网络的功能和进化优化提供了定量的见解，并阐明了一般网络的性质。除了单个细胞外，我们还研究了多细胞微生物群落的组织、信号交换以及异质性的出现和重要性。最后，我们利用我们对细菌细胞网络的理解来构建新的合成系统，从生物传感器到基本细胞过程的体外重建。

 本系目前的研究课题包括:

微生物中细胞网络的环境传感和信号处理

调节细菌的运动和集体行为

细菌运动性的实验进化

趋化性的生物传感应用

基本细胞过程的体外重建

涉及细菌染色体分离和运动的多蛋白复合物的自组装和自组织

酵母内吞机制的组装与动力学

细胞蛋白复合物的超分辨率成像

Dr. Remy Colin

Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology

研究领域

移动的能力，特别是在环境中导航的能力，是微生物种群组织的一个主要因素，无论是在生物膜中，还是在多个物种(从大肠杆菌到黏菌)的聚集形态中，或者在群集过程中。在细胞密度较低的情况下，与运动相关的主要生理功能之一是趋化，这是一种导航策略，由一个特定的生化感觉通路监控细胞的随机移动，使其偏向有利的环境条件。

利用显微镜、微流体学和图像分析，结合数值分析，我们目前正进行两方面的研究:

物理相互作用的影响。当运动细菌种群的密度增加时，它们之间的物理相互作用驱动集体运动的出现，不同性质的集体运动取决于所涉及的运动类型。

噪声信号通路的影响。大肠杆菌以低密度连续游第二长路线和短方向，即翻滚。运行的持续时间已经显示出在几十到几百秒的时间范围内波动。因此，随机游走交替进行大型探索和短时间的局部搜索。

Dr. Ulrike Endesfelder

研究领域:单分子微生物学

该小组专注于应用超分辨显微镜技术来研究微生物细胞生物学。通过结合成像的物理概念，光操纵荧光团和定量读出分析，我们的目标是对细胞结构和过程的单分子描述。

单分子定位显微镜(SMLM)记录单个荧光分子的位置。这提供了亚衍射空间分辨率接近20 nm的显微图像，并在空间中分辨微小的细胞结构。单分子数据可以进一步用于分子计数，例如蛋白质拷贝数可能随细胞周期而变化。基于定位的算法提供了对亚种群和异质性的访问，而这些是通过集成平均隐藏的，例如通过蛋白质分布的空间分析或分子的共域化。

我们应用最新的实验和分析策略来研究模型生物大肠杆菌和pombe的细胞过程。我们研究蛋白质的分布和拷贝数，确定相互作用和化学计量，并将这些发现与细胞周期联系起来。

Dr. Sean Michael Murray

研究领域:细菌细胞内的自组织机制

空间组织对所有生命都至关重要。许多细胞过程，如染色体分离、细胞分裂和运动，都需要蛋白质或染色体位点及时定位到细胞内特定的位置，这对细菌和真核生物都是一样的。这种空间组织通常是由于存在现有的细胞地标或空间线索，但在许多例子中，蛋白质或DNA似乎积极和动态地定位到特定的位置。这发生在扩散的均质效应下。

我们使用细菌作为可处理的模型系统来揭示这种组织背后的原理和机制。为此，我们采用了数学建模和随机模拟相结合的活细胞实验和遗传学在多学科和系统的方法。我们揭示的基本原则将有助于我们理解所有生命系统中的自组织。

“理解和建立新陈代谢”

生物化学与合成代谢系的研究处于微生物生理学、生物化学与合成生物学的交叉领域。我们致力于发现、理解和设计新的酶和途径，特别是那些捕捉和转化温室气体二氧化碳的酶和途径。我们运用我们的知识，以一种反合成的方式来创造新的新陈代谢。例如，在植物光合作用中，合成的固定二氧化碳的途径比自然进化的途径更有效。

通过这些合成生物学方法，我们旨在了解代谢网络的基本构建原理。这将使我们在未来设计和实现新的生物过程，如人工光合作用、合成细胞器和细胞。

目前，我们部门的主要问题是:

全球碳循环中有多少代谢途径尚未被发现，它们的功能是什么?

酶如何催化具有挑战性的反应(例如二氧化碳的转化)，又是什么推动了它们的进化?

我们如何为新的催化功能(如新的CO2固定反应)重新设计酶?

我们如何从单个酶中构建有效的人工代谢途径(例如，为二氧化碳的有效转化)?

我们如何将人工代谢网络移植到自然细胞和合成细胞中(例如，创造人工叶绿体)?

为了回答这些问题，我们使用了广泛的方法，包括蛋白质生物化学、分子和结构生物学、代谢和遗传工程、实验进化、核磁共振和紫外/可见光谱、代谢组学、转录组学和蛋白质组学、合成生物学和荧光显微镜。通过合作网络，我们与包括法国、瑞士、荷兰、以色列、智利和美国在内的世界各地的其他研究人员和实验室进行了密切的交流。

Prof. Dr. Tobias Erb

研究领域:理解和构建代谢

新陈代谢是生命系统的主要特征之一。在我们的日常生活中，我们以不同的形式体验它：植物、藻类和许多微生物进行光合作用，并将二氧化碳转化为碳水化合物。其他生物(包括我们人类)消耗固定碳来满足他们的能量需求，这就关闭了全球碳循环。

从科学的角度来看，新陈代谢可以被定义为生命的动态生物化学，它为细胞提供能量，并为细胞的三维和四维自组织提供必要的构件。

在我们的实验室，我们的目标是理解和应用代谢的基本设计原则。一方面，我们在活细胞的背景下研究自然代谢的功能和组织。另一方面，我们利用我们的理解以自下而上的方式构建新的合成代谢。

我们的研究具有很强的团队意识和跨学科性。我们共同致力于将生物学从分析描述的方法转变为一门合成的建设性学科，这将使我们能够为人类的需求找到新的解决方案(例如，提高光合作用的生产力，或设计出将二氧化碳直接转化为化学和制药原料或生物燃料的路线)。

马克斯·普朗克学会Max Planck和联邦教育与研究部将新的研究项目MaxSynBio专注于合成生物学。来自德国各地9个马克斯·普朗克研究所以及弗里德里希·亚历山大大学埃尔兰根-纽伦堡分校神学系的研究小组也参与其中。该项目于2014年8月1日启动，最初将运行到2017年7月底，并可选择延长三年。项目的科学协调人是Prof. Dr.-Ing. Kai Sundmacher和Prof. Dr. Petra Schwille。

什么是生物细胞的基本机制-生命的基本单位?事实上，生命是什么?我们如何有针对性地将生物结构用于技术应用?马克斯普朗克学会的新研究项目MaxSynBio在联邦教育部和研究部的支持下，研究这些问题。

作为工厂的细胞

“我不能创造的，我不理解。”美国物理学家理查德·费曼的这句话也适用于生命科学。传统上，生物学研究遵循纯粹观察和描述的模式：生物学物质的检验与自然界中通常发现的物质一样。然而，由于从分子生物学和细胞生物学中获得的知识，在生命科学中已经形成了一种关于生物生命的机械论观点。在其中，一个单元可以被看作是一个高度复杂的工厂，它配备了执行各种不同任务的“机器”。机器可以拆卸和设计。因此，一门新的研究学科，即所谓的合成生物学，最近在生命科学中得到了发展。在合成生物学中，生物物质不仅要被观察，而且要被改造。

最小细胞、人造细胞和原始细胞——合成生物学是什么意思?

合成生物学的总体目标是识别一个最小但足够基本的生物细胞结构。为了完成细胞最重要的任务——生长、复制和新陈代谢，细胞需要哪些功能，进而需要哪些蛋白质和基因?一方面，通过有针对性的设计来构建这种微小的人造细胞，科学家们想要找出最初的细胞是如何从无机的“原始汤”进化而来的，以及它们可能是什么样子的。因此，最小细胞通常被描述为现存于地球上的细胞的祖先，也被称为原始细胞。另一方面，这种最小的细胞也可以作为安装其他功能的理想平台，这些功能可以执行某些技术任务，例如药物生产、能源回收或消除污染物。在合成生物学中，生命起源的问题和优化生物物质用于技术应用的目标是通过使用两个不同的概念来解决的:自上而下和自下而上。在第一种情况下，现有细胞的遗传结构被重新编程，以便修改它们，甚至创造一个全新的有机体。美国生物化学家克雷格·文特尔(Craig Venter)和他的同事就简单细菌的研究报告了在这方面的初步成果。然而，这种方法需要现有的和已经发挥作用的生物。因此，由于生物细胞的复杂性，用自上而下的方法来研究生命的基本原理更加困难。

一砖一瓦地复制生命

MaxSynBio研究项目采用了完全不同的、基于自底向上方法的根本途径。在这种情况下，科学家们利用非生命体的生物化学成分，如脂类、蛋白质和DNA，来组装新的仿生结构，以模仿生物细胞的功能。如今，科学家们认为，生命起源的一个基本要素——也就是“生殖细胞”——是分隔开的小空间。因此，MaxSynBio的第一步是建立非常小的、半透性的小室，其形式为可操纵的液滴和脂泡。同时，应组成一个由最重要组成部分组成的模块式“积木”系统，并将其安装在隔间内，以便执行细胞功能，例如新陈代谢和能量生产。因此，通过自下而上的概念，合成生物学变得独立于微生物，微生物带来了自己的进化历史，也可以具体地使新设计的结构适应相关的要求。

跨界研究-生物学和工程学之间，科学和社会之间

由于自下而上的研究方法将用于基础生物学机制的研究，因此研究概念属于基础研究领域，是马克斯·普朗克学会的核心竞争力。另一方面，工程思想，这是在这个项目中坚定地支持过程系统工程，使这一研究倡议能够传播远远超过传统的方法在生命科学。因此，在MaxSynBio，自然科学家和工程师共同致力于实现人工生物结构。此外，弗里德里希-亚历山大大学纽伯格-埃尔兰根分校第二系统神学(伦理学)系主任将讨论合成生物学的伦理学、社会学和哲学方面的问题。同时，研究网络也将寻求与公众的密切联系。参与研究的马普研究所位于马格德堡、马尔堡、斯图加特、哥廷根、美因茨、波茨坦、多特蒙德、马提尼德和德累斯顿。

Prof. Dr. Kai Sundmacher

马格德堡马普复杂技术系统动力学研究所

Kai Sundmacher团队在过程系统工程方面有着长期的经验，正应用新的设计方法来提高化学和生物技术生产过程以及能源转换过程的生产力、选择性和可持续性。该方法依赖于同时考虑从分子水平到植物水平的合成和分析过程中的所有层次。我们的工具包括可靠的热力学和动力学数学模型，并通过优化的实验设计技术进行实验识别和验证。该团队的核心能力是理解和建模复杂过程系统的动力学，以及从功能单元合成过程系统，我们如何在自下而上的合成生物学领域用于构建合成细胞。

Prof. Dr. Victor Sourjik

马克斯·普朗克陆地微生物研究所，马尔堡

Victor Sourjik团队在细菌信号和细胞生物学的实验和理论分析方面具有专长。该小组使用基于荧光的定量实验和计算模型来研究细胞网络的敏感性和鲁棒性，以及高分子丛的自组装和分区室。

Eberhard Bodenschatz

流体动力学，模式形成和生物复杂性

哥廷根马普动力学和自组织研究所

MPI-DS在开发用于物理、化学和生命科学的微流体器件方面拥有多年的经验。Eberhard Bodenschatz从事非线性自组织系统和流体动力学方面的研究已经超过25年。在过去的15年里，他还专门研究细胞内和细胞过程，如应用于趋化，细胞迁移，细胞信号和心脏纤颤。他的实验经常使用微流体装置。

PROF. DR. PHILIPPE BASTIAENS

系统细胞生物学马克斯·普朗克分子生理学研究所菲利普·巴斯蒂斯小组的主要目标是阐明细胞内信号网络如何处理细胞外信息，从而决定细胞表型。因此，该小组发展了定量的实验和理论方法来推导和概念化构成信令网络空间组织化动力学基础的物理原理。实验的重点是功能显微镜成像方法在多种分辨率下研究蛋白质反应/整合反应在细胞中的定位，维持其固有的空间组织。