Biowissenschaften an der RWTH Aachen Forschung und Lehre

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort

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Botanik und molekulare Genetik Zoologie und Tierphysiologie Pflanzenphysiologie Angewandte Mikrobiologie Umweltforschung Biotechnologie Molekulare Biotechnologie Bioverfahrenstechnik

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Fachstudienberatung Studierendenmentor Prüfungsausschuss HSPII-Team Fachschaft Biowissenschaften JARA ERASMUS

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Adressenliste

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Stand Oktober 2012 © Dr. Katrin Bui-Göbbels, Dr. Tamara Dworeck, Dr. Martin Neumann HSPII-Team Worringer Weg 1, 52074 Aachen © Titelbild: Dr. Katrin Bui-Göbbels, Dipl. Biol. Marco Löhrer, Dr. Nicole Maaßen, Dr. Martin Neumann

Vorwort Biologie und Biotechnologie spielen in einer biobasierten Wirtschaft eine Schlüsselrolle für große gesellschaftliche Herausforderungen in der Gesundheitswirtschaft, Energieversorgung (Biobasierte Treibstoffe), Chemie-, Nahrungsmittel-, Waschmittel-, Leder- und Papierindustrie. In den letzten drei Jahren hat sich die Aachener Biologie und Biotechnologie (ABBt) über sechs Berufungen neu aufgestellt mit visiblen Forschungsschwerpunkten in der Sicherung von Biomasse, der mikrobiellen und molekularen Transformation und im Bereich der Neurobiologie und Bionik. Im CHE-Ranking belegt die ABBt Spitzenplätze im Bereich der Ausbildung. Allein in der Forschung hat sich die Zahl der Publikationen im letzten Jahr gegenüber 2008 um 60 % erhöht. Mit der Fertigstellung des Ersatzbaues in 2013 und

Aachen, den 1. Oktober 2012 Prof. Dr. Ulrich Schwaneberg ABBt-Fachgruppensprecher

der Etablierung der neuberufenen Kollegen ist mit einem weiteren dynamischen Anwachsen der Forschungsleistung und der Drittmitteleinwerbung zu rechnen. Die vorliegende Broschüre soll eine Übersicht über die vielfältigen Forschungs- und Lehraktivitäten der ABBt geben und deren interdisziplinäre Vernetzung mit Chemikern, Ingenieuren und Medizinern verdeutlichen (z. B. im Exzellenzcluster TailorMade Fuels from Biomass (TMFB), SFB Mikrogele, Graduiertenkollege Selectivity in Chemo- and Biocatalysis (SeleCa) und Biocatalysis in non-conventional Media (BioNoCo)). Ich wünsche Ihnen viel Spaß beim Kennenlernen der Aachener Biologie und Biotechnologie.

Botanik und molekulare Genetik (Biologie I) Prof. B. Usadel

Institutsleiter

Überblick Schon Theophrástos beschäftigte sich im zweiten Jahrhundert vor Christus in seinem Werk „die Naturgeschichte der Gewächse“ mit pflanzlicher Anatomie, der Anzucht von Pflanzen aber auch der Charakteristik von Hölzern. Heute beschäftigt sich die moderne Botanik an der RWTH mit Fragestellungen, wie Pflanzen wichtige Inhaltstoffe wie Lipide und Zellwände synthetisieren können, wie sie auf Pathogene flexibel reagieren oder aber mit den Organismen des Bodens interagieren. Die Botanik erforscht diese Prozesse, um Pflanzen und pflanzliche Rohstoffe nachhaltig zu

erzeugen. Hierbei werden in der modernen Botanik, Methoden der Analytik, Bioinformatik, Genomforschung, Molekularbiologie, Systembiologie und Zellbiologie nicht nur angewendet, sondern auch weiterentwickelt.

Sekretariat Worringerweg 1 52074 Aachen

Lehrstuhl für Botanik und Molekulare Genetik

Tel +49 (0)241 80 26633 Fax +49 (0)241 80 22637 [email protected] www.bio1.rwth-aachen.de

Lehrstuhl Botanik und molekulare Genetik Die pflanzliche Zellwand ist eine wichtige Ressource. Wenn Sie diesen Text lesen, lesen Sie entweder auf Papier, dann haben Sie Zellwände in der Hand. Oder sie lesen am Bildschirm, dann stehen die Chancen nicht schlecht, dass ein Teil der Energie, um diesen zu betreiben, aus pflanzlichen Zellwänden gewonnen wurde.

An diesem einfachen Beispiel zeigt sich bereits die Vielseitigkeit der pflanzlichen Zellwand, man würde im obigen Beispiel von stofflicher und energetischer Nutzung sprechen. Die pflanzliche Zellwand ist dabei überraschend vielfältig. Sie besteht aus verschiedenen Zuckerpolymeren, den Pektinen (werden auch zur Herstellung von

Öffnungszeiten: 9:00-11:30 Uhr

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Botanik und molekulare Genetik Marmelade verwendet), Zellulose (Rohstoff zur Papierherstellung) und Hemizellulosen. Außerdem enthält sie Lignine und Proteine.

Prof. Dr. B. Usadel Raum 42A 254 +49 (0)241 80 26634 [email protected]

Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich damit, wie pflanzliche Zellwände synthetisiert werden, wie diese aufgebaut sind und wie der Abbau, zum Beispiel für Biogas- oder Bioethanol-Produktion, optimiert werden könnte. Hierbei liegt neben Aspekten der Grundlagenforschung, in der z. B. die Themen „Wie produziert die Pflanze überhaupt Zellwände?“ und „Wie unterschiedlich können Zellwände sein?“ untersucht werden, auch ein Hauptaugenmerk darauf, wie Reste der Nahrungsmittelproduktion verwertet werden können. So kann Getreidestroh, welches nach dem Abernten des Korns anfällt, durchaus noch als Energieträger eingesetzt werden. Ein Ansatzpunkt ist die Fragestellung wie Kohlenstoff, der durch die Photosynthese fixiert wird, in die Zellwand gelangt und wie dieser Vorgang beeinflusst werden kann. Hierbei spielt natürlich eine wichtige Rolle, dass Pflanzen nur tagsüber Licht als Energiequelle zur Verfügung steht. Dieses Forschungsgebiet wird von Frau Dr. Wormit vertreten.

Weiterhin wird untersucht, wie natürliche und induzierte Varianz in Nutzpflanzen (so z. B. alte Arten) ausgenutzt werden kann, um Zellwände mit interessanten Eigenschaften zu erhalten. Ein weiteres wichtiges Feld, das in unserer Gruppe bearbeitet wird, ist die molekulare Bioinformatik und Hochdurchsatzdateninterpretation. Hierbei wird untersucht, wie Daten aus den modernen Hochdurchsatztechnologien gut visualisiert und interpretiert werden können. Die Ergebnisse werden dabei in Form von Softwarewerkzeugen der Wissenschaft zur Verfügung gestellt. Außerdem werden Verfahren entwickelt, um aus solchen Daten nicht nur Genome zusammenzusetzen, sondern auch die Funktion von Genen anhand von „insilico“ Daten vorhersagen zu können. Diese Vorhersagen werden dann mittels moderner molekularbiologisch-biochemischer Methoden getestet. Ein besonderer Fokus liegt dabei natürlich auf Vorhersagen über Gene des Zellwandstoffwechsels.

So vielfältig kann Zellwandforschung sein: Die Darstellung zeigt eines der Softwarewerkzeuge, mit denen neue Gene der Pektinbiosynthese gesucht werden. Diese werden auch in dem Samenschleim der Modellpflanze Arabidopsis untersucht, da sie sich sehr leicht wie in (C) als rote Schleier färben lassen. In (A) und (B) sind elektronenmikroskopische Aufnahmen der Samenhülle von wildtypen und mutanten Pflanzen gezeigt, bevor Pektine austreten. (R ist die radiale Zellwand, Cm sind vulkanartige Columellastrukturen).

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Biologie I

Lehr- und Forschungsgebiet Molekulare Zellbiologie der Pflanzen Die Interaktion von Pflanzen mit nützlichen oder krankmachenden Mikroorganismen, wie z. B. Bakterien und Pilzen, spielt sich letztendlich auf zellulärer Ebene ab. In Analogie zur Belagerung einer Ritterburg durch eine feindliche Armee entscheidet sich an bzw. in den einzelnen Zellen, ob ein Mikroorganismus in der Lage ist, eine Pflanze zu besiedeln oder nicht (s. Abbildung). Unsere Forschung widmet sich der Untersuchung der molekularen Mechanismen, die bei diesen Einzelzellereignissen von Pflanze-Mikroben-Interaktionen eine Rolle spielen. Hierbei gilt unser Haupt-Augenmerk der Interaktion zwischen Pflanzen und Mehltaupilzen. Mehltau ist eine weitverbreitete Krankheit vieler Pflanzenarten, die zu großen Ernteverlusten führen kann und daher von erheblicher agronomischer Relevanz ist. Mehltaupilze sind, wie andere Pflanzenschädlinge auch, in der Lage, das

pflanzliche Immunsystem zu unterdrücken und die Wirtszelle zu ihrem Vorteil zu manipulieren. Die molekularen Mechanismen, die dieser Manipulation durch Pflanzenpathogene zugrunde liegen sind noch wenig verstanden. Wir verwenden zellbiologische, genetische, molekularbiologische und biochemische Techniken, um die Details der Pflanze -Mikroben Interaktionen auf zellulärer Ebene aufzuklären. Hierbei stehen insbesondere die Untersuchung der Mechanismen des pflanzlichen Immunsystems, deren Unterdrückung durch Pflanzenschädlinge sowie die Analyse der molekularen „Waffen“ des Mehltaupilzes im Fokus unserer Forschungsarbeiten. Darüber hinaus versuchen wir, das erworbene Grundlagenwissen anzuwenden, um Pflanzen dauerhaft vor Schädlingen wie dem Mehltaupilz zu schützen.

Die Interaktion zwischen Pflanze und Mehltaupilz entscheidet sich auf Ebene der einzelnen Zelle. Die Abbildung zeigt einen mikroskopischen Ausschnitt eines Blattes einer mehltauresistenten Gerstensorte, auf dem Sporen des Mehltaupilzes (blau gefärbt) versuchen, einzelne Pflanzenzellen zu besiedeln. Mit Ausnahme der grünlich gefärbten Zelle in der Bildmitte, die durch einen genetischen Trick anfällig gemacht wurde, sind diese Versuche erfolglos. Die grünlich gefärbte Zelle kann erfolgreich durch den Mehltaupilz besiedelt werden, was sich durch durch die Bonbon-förmige pilzliche Infektionsstruktur (Haustorium genannt) innerhalb der Zelle und das Hyphenwachstum des Pilzes (schlauchförmige blaue Fortsätze) ausdrückt.

Prof. Dr. R. Panstruga Raum 42A 211 +49 (0)241 80 26655 [email protected]

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Botanik und molekulare Genetik

Lehr- und Forschungsgebiet Ökologie des Bodens

Prof. Dr. U. Priefer Raum 42A 262 +49 (0)241 26644 [email protected]

Die Analyse der biotischen und abiotischen Faktoren des Bodens und deren Interaktionen im Bodenökosystem ist die Aufgabe der Bodenökologie. Die bedeutendste Organismengruppe im Boden ist die der Mikroorganismen, der Bakterien und Pilze. Kaum eine chemische Umsetzung im Boden läuft ohne deren Aktivität ab. Die 3 wichtigsten Ziele der mikrobiellen Bodenökologie sind (1) die Untersuchung der physiko-chemischen Charakteristika der Bodenmikrokompartimente (2) die Untersuchung der Dynamik mikrobieller Gemeinschaften und (3) die Untersuchung der, von den Mikroorganismen gesteuerten, metabolischen Prozesse im natürlichen Habitat. Das durch extreme abiotische Bedingungen gekennzeichnete Grenzflächenkompartiment Boden-Atmosphäre ist ein weiterer „hot-spot“ der mikrobiellen Aktivität. Die mikrobiellen Lebensgemeinschaften der Bodenoberflächen sind von Mikroalgen dominierte, phototrophe Biofilme, deren strukturelle und funktionelle Analyse ebenfalls ein Ziel unserer Forschung darstellt.

Rhizobien sind Bodenbakterien der Rhiz o s p här e , die m it F a b a c ea e n (Schmetterlingsblütler) eine Stickstoff fixierende Symbiose eingehen. Die RhizobienFabaceaen Symbiose ist der größte Lieferant biologisch fixierten Stickstoffs in der Biosphäre der Erde. Die symbiontische Interaktion führt zur Entwicklung spezieller Wurzelorgane, den sogenannten Wurzelknöllchen (Nodules), in denen die physiologische Leistung erbracht wird. Wichtige Kulturpflanzen wie Soja, Bohnen, Erbsen, Linsen, Erdnuss und Hornklee gehören zur Familie der Fabaceae und können im Prinzip ohne zusätzliche Stickstoffgaben gedeihen. Die Infektion der Wurzel ist ein hoch-spezialisierter Vorgang und wird intensiv untersucht. Die äußeren Bedingungen zur erfolgreichen Nodulation erwünschter Stämme und deren Konkurrenz untereinander, sind jedoch immer noch unzureichend erforscht, insbesondere auf genetischer Ebene. Des Weiteren ist die genetische Mindestausstattung von Rhizobien für eine erfolgreiche Nodulation Gegenstand der Forschung. Rhizobien sind heterotrophe Bakterien, die unter oligotrophen Bedingungen, nähr-

Semidünnschnitt eines Wurzelknöllchens einer Erbse. In blau sieht man infizierte und von Stickstoff fixierenden Rhizobien angefüllte Gewebezellen.

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Biologie I stofflimitiert, im Bodensubstrat leben. Dies hat zur Folge, dass sie Substrate über eine große Anzahl hoch-affiner ABCTransportsysteme aufnehmen. Mit Eintritt in die symbiontische Beziehung und Besiedlung der Wurzelknöllchen endet diese Nährstofflimitation. Die ABC-Transporter Superfamilie stellt eine der größten bekannten Proteinfamilien dar und ist in allen

lebenden Organismen von Bakterien und Archeaen bis hin zu höheren Pflanzen und Tieren zu finden. Die Aktivierung und Regulation solcher ABC-Transportsysteme ist ebenfalls von großem Interesse.

Arbeitsgruppe Die ökologische Bedeutung von Algen dominierten, autotrophen Biofilmen auf Bodenoberflächen Vegetationsarme, freie Bodenoberflächen, z. B. Rohböden, Ackerboden zwischen den Feldfrüchten, umgebrochene Äcker, Böden arider Gebiete, und selbst Wüstenböden zeigen bei genügender Feuchtigkeit schon nach wenigen Tagen grünliche Biofilmbildungen. Es sind Bodenalgen im Vereine mit Bakterien und später auch Pilzhyphen– autotrophe Biofilme-, die die Sedimentpartikel der Bodenoberflächen mit ihren EPS (extrazelluläre polymere Substanzen), Hyphen und Trichomen verkleben und auf diese Weise ein Mikrohabitat mit hoher mikrobieller Aktivität bilden. Unser Ziel ist es, grundlegende qualitative und quantitative Daten des biotischen Beziehungsgefüges zu erheben und die Sukzession und Dynamik der mikrobiellen Zönose im Kompartiment “Bodenoberfläche” und der sie beeinflussenden ökosystemaren Faktoren kausal-

analytisch zu beschreiben, um schließlich die ökologische Bedeutung der Biofilme von Bodenoberflächen für das Bodenökosystem unter qualitativen (Diversität) und quantitativen (Stoffflüsse und -umsätze, zeitliche und räumliche Dynamik biotischer und abiotischer Parameter) Gesichtspunkten abschätzen zu können. Das Methodenspektrum umfasst Biomassebestimmungen durch Zellzählung und Mikroskop-Interferometrie, Kultivierungstechniken, Elementaranalyse, mikrobielle Aktivitätsbestimmungen sowie molekularbiologische Techniken zur mikrobiellen Diversitätsanalyse.

Dr. J. Jahnke, AOR Raum 42A 257 +49 (0)241 80 26645 [email protected]

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Botanik und molekulare Genetik

Literatur I. II. III. IV.

Schlafen Pflanzen Genomexpress 3/2009 Seite 28 ff http://www.genomxpress.de/content/ ausgaben/GenomXPress-2009-3.pdf Genomexpress 3/2008 Seite 16ff http://www.genomxpress.de/content/ausgaben/GenomXPress -2008-3.pdf Panstruga, R. (2006) Tête-a-tête zwischen Pilz und Pflanze: Wie Mehltaupilze ihre Wirtspflanzen manipulieren. Jahrbuch der Max-Planck-Gesellschaft 2006, http://www.mpg.de/print/348869 Micali, C., Göllner, K., Humphry, M., Consonni, C., and Panstruga, R. (2008) The powdery mildew disease of Arabidopsis: A paradigm for the interaction between plants and biotrophic fungi. In: The Arabidopsis Book Rockville, MD: American Society of Plant Biologists, http:// www.bioone.org/doi/pdf/10.1199/tab.0115

Lehre (Angaben sind evtl. nicht auf dem neuesten Stand, aktuelle Angaben entnehmen Sie bitte Campus.) Bachelor Studiengang Biologie

Modul Biochemie und Genetik Modul Biologie der Zelle Modul Bau der Organismen II Vertiefungsmodul Zell– und Molekularbiologie der Pflanzen

Bachelor Studiengang Modul Grundlagen der Biologie und Biotechnologie Molekulare und Angewandte  Vorlesung Biologie der Zelle Biotechnologie Bachelor Lehramt Biologie

Master Studiengang Biologie

Priefer, Usadel, (Conrath) Panstruga, (Bräunig) Jahnke, Panstruga Panstruga, Usadel, (Conrath, Göllner, Slusarenko)

Panstruga, (Bräunig)

Praktikum der Biologie für Lehramtsstudierende  Teil Bau, Physiologie und Evolution der Pflanzen  Teil Genetik  Teil Bodenökologie

Panstruga Usadel Priefer

Modul Zelle  Vorlesung Einführung in die Genetik  Vorlesung Biologie der Zelle

Priefer, Usadel Panstruga, (Bräunig)

Vertiefungsrichtung Molekulare Zellbiologie  Modul Zellbiologie  Modul Molekularbiologie  Vorlesung Regulation der Genexpression II/ Molekulargenetik II  Vorlesung Molekulare Medizin Signaltransduktion/ Molekulargenetik/ Gentechnologie III Vertiefungsrichtung Umweltwissenschaften  Modul Bodenökologie I  Modul Bodenökologie II

Panstruga Usadel Usadel (Ringvorlesung) Usadel (Ringvorlesung)

Priefer Priefer

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Biologie I

Master Studiengang Biologie

Master Studiengang Molekulare und Angewandte Biotechnologie

Staatsexamensstudiengang Lehramt Biologie

Vertiefungsrichtung Mikrobiologie und Genetik Modul Genetik der Prokaryonten I Modul Genetik der Prokaryonten II

Priefer Priefer

Forschungspraktika der molekularen Genetik Forschungspraktika der molekularen Zellbiologie der Pflanzen

Usadel Panstruga

Säule Grüne Biotechnologie  Molekulare Genetik (Theorie und Praxis)

Usadel

Säule Rote Biotechnologie  Molekulare Genetik (Theorie und Praxis)  Zellbiologie (Theorie und Praxis)

Usadel Panstruga

Praktikum der Biologie für Lehramtsstudierende  Teil Bau, Physiologie und Evolution der Pflanzen  Teil Genetik  Teil Bodenökologie  Teil Entwicklung der Pflanzen  Teil Pflanzenwissenschaften

Panstruga Usadel Priefer Frentzen Panstruga

Institut für Botanik und molekulare Genetik (Biologie I) Worringerweg 1 52074 Aachen

Lehrstuhl für Botanik und Molekulare Genetik

Zoologie und Tierphysiologie (Biologie II) Prof. H. Wagner

Institutsleiter

Überblick Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Instituts vermitteln den Studierenden im Lehramt, im Bachelor und im Master Biologie das Gebiet der Zoologie in seiner gesamten Breite. Die Forschungsschwerpunkte liegen in der Neurobiologie und der Bionik. Hierbei kommen vielfältige methodische Ansätze zum Tragen, die von molekularbiologischen und zellbiologischen Verfahren bis hin zur Netzwerkanalyse und Verhaltensstudien reichen. Es existieren vielfältige Schnittstellen und Kooperationen mit ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen, um anwendungsbezoge-

Sekretariat Mies-van-der-Rohe-Str. 15 52074 Aachen

ne bzw. bionische Aspekte zu bearbeiten. Die speziellen Forschungsgebiete liegen in der Auditorik, der Chemosensorik, der Entwicklungsbiologie und Morphologie sowie der Physiologie und Zellbiologie. Modellorganismen wie die Maus, die Schleiereule, verschiedene Insektenarten und Sandfische werden untersucht.

Lehrstuhl für Zoologie und Tierphysiologie

Tel +49 (0)241 80 20823 Fax +49 (0)241 80 22133 [email protected] www.bio2.rwth-aachen.de Öffnungszeiten: Mo-Fr 9:00-12:00, Di + Do 13:00-16:00

Lehrstuhl Zoologie und Tierphysiologie Schleiereulen sind als Nachtjäger mit einem exzellenten Gehör ausgestattet. Sie besitzen zudem nach vorne gerichtete Augen und einen leisen Flug. Diese Spezialisierungen machen die Schleiereule aus der Sicht eines Forschers zu einer Goldgrube für neue Erkenntnisse. Die in der

Evolution entstandenen Spezialisierungen sind sehr interessant sowohl aus der Sicht der Grundlagenforschung als auch aus der Sicht der Anwendung in der Bionik. Die nach vorne stehenden Augen erlauben den Tieren einen räumlichen Tiefen­

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Biologie II eindruck aus den leicht unterschiedlichen Bildinformationen in den beiden Augen zu extrahieren. Die Tiere besitzen ein Tiefensehsystem, das dem des Menschen ähnelt. Wir haben ein neues Auswertungsprinzip entdeckt, das Kollegen, die jetzt in Göttingen forschen, in einen Videobildanalysealgorithmus umgesetzt haben. Die seitliche Versetzung der Ohren am Kopf der Schleiereule bewirkt, dass der Schall von einer Schallquelle später zum schallabgewandten als zum schallzugewandten Ohr gelangt. Die resultierenden Laufzeitdifferenzen nutzt die Schleiereule zur Lokalisation von Objekten. Da dieses Tier trotz des viel kleineren Kopfes Schallquellen so gut lokalisieren kann wie wir Menschen, muss es die im Schall enthaltene Richtungsinformation besser auswerten können. Wir vermuten, dass Spezialisierungen im Bau der Moleküle, welche die neuronalen Signale erzeugen, den Ionenkanälen, und das Zusammenspiel vieler Sinnes- und Nervenzellen eine solch präzise zeitliche Auflösung möglich machen. Das Verständnis der Optimierung auf der Ebene einzelner Nervenzellen kann beispielsweise zur Verbesserung von Cochlea -Implantaten und Hörgeräten herangezogen werden. Wir arbeiten zudem an schalllokalisierenden Robotern, die auf Rechenoperationen basieren, wie sie auch im Gehirn der Eule stattfinden.

rend der Jagd die Geräusche einer potentiellen Beute durch eigene Fluggeräusche maskieren würde. In einer Zusammenarbeit mit Aerodynamikern erforschen wir den lautlosen Flug der Schleiereule. Es ist Ziel dieser Forschung, die Lösung der Eule zu entschlüsseln und für die Konstruktion geräuschreduzierter Tragflächen für Flugzeuge oder Rotoren verfügbar zu machen. Um Vergleichsdaten zu bekommen werden die Forschungen an der Schleiereule durch Experimente an weniger spezialisierten Tieren wie Tauben, Haushühnern (Arbeitsgebiet Dr. Wirth), Mäusen, Ratten und Wüstenrennmäusen (Arbeitsgebiet Dr. Künzel) ergänzt. Dabei stehen im Arbeitsgebiet von Dr. Künzel die Entwicklung und Funktion der zellulären und synaptischen Spezialisierungen im Fokus, welche den Nervenzellen des Hörsystems ihre enorme zeitliche Genauigkeit verleihen. Diese Fragen werden vor allem mit elektrophysiologischen und anatomischen Methoden bearbeitet. Die Lehre wird durch Lehrveranstaltungen von externen Wissenschaftlern ergänzt. Dazu gehören PD Dr. Marlies Dorlöchter (DLR), Prof. Dr. Jörg Mey (Hospital Nacional de Parapléjicos, Toledo, Spanien), PD Dr. Thomas Tzschentke (Grünenthal) und PD Dr. Stephan Wnendt (MLM).

Das empfindliche Hörsystem würde der Schleiereule nichts nützen, wenn sie wähVisuelle Verhaltensexperimente mit Schleiereulen. Für die Untersuchung des Stereosehens tragen die Tiere besondere Brillen.

Prof. Dr. H. Wagner Raum 304 +49 (0)241 80 20822 [email protected]

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Zoologie und Tierphysiologie

Arbeitsgruppe Chloridtransporter und GABAerge Hemmung

Dr. M. J. Wirth, AOR Raum 42A 257 +49 (0)241 80 27773 [email protected]

Bei der Informationsverarbeitung im Nervensystem spielt Chlorid eine wichtige Rolle. In meiner Gruppe untersuchen wir die Mechanismen, welche die Chloridverteilung an der Zellmembran und damit letzten Endes die Aktivität der Nervenzellen regeln. Dazu nutzen wir den auditorischen Hirnstamm des Haushuhns als Modellsystem. Wir bestimmen zunächst die Mengen der verschiedenen Transporter und ihre Lokalisation in den Kerngebieten und Zellen in der Embryonalentwicklung. Dabei verwenden wir biochemische, molekularbiologische und histologische Methoden. Darüber hinaus wollen wir mehr über die Regulation der Transporter in der Entwicklung lernen. Dafür verändern wir ei-

nerseits die synaptische Aktivität und andererseits die verfügbaren Mengen an Nervenwachstumsfaktoren in einem Kultursystem des embryonalen Hirnstamms.

Lehr- und Forschungsgebiet Entwicklungsbiologie und Morphologie der Tiere

To a first approximation, all multicellular species on Earth are insects....” N. E. Stork,

Nature, August 2007

Prof. Dr. P. Bräunig Lukasstr.1, Raum 3 +49 (0)241 80 20844 [email protected]

Wir studieren diese faszinierende Tiergruppe unter verschiedenen neurobiologischen Gesichtspunkten. Viele neurobiologische Fragestellungen lassen sich bei Insekten leichter studieren, weil das Nervensystem viel einfacher aufgebaut ist als bei Wirbeltieren. Schwerpunkte unserer Forschung sind dabei zum einen Nervenzellen, die Hormone freisetzen, und zum anderen Sinneszellen. Darüber hinaus versuchen wir in Kooperation mit Kollegen aus dem Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik 1 (IWE1), Netzwerke aus weni-

gen Nervenzellen in Zellkultur auf Halbleitersubstraten zu halten. Nervenzellen von Insekten sind für diesen Ansatz besonders gut geeignet, weil sie größer, robuster und weniger anspruchsvoll sind als Zellen von Wirbeltieren. Ziel ist es, einfache neuronale Schaltkreise „nachzubauen“, die dann unter diesen Bedingungen viel genauer und über viel längere Zeiträume studiert werden können als im intakten Nervensystem. Die Arbeitsgruppe von PD Dr. Loesel befasst sich hauptsächlich mit der Evolution des Gehirns von Arthropoden und anderen Wirbellosen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bestimmte höhere Gehirnzen-

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Biologie II tren evolutiv sehr alt sind, älter noch als der Stamm Arthropoda selbst. Wir versuchen, den Evolutionsweg und die Ursprünge dieser Gehirnareale nachzuvollziehen, um damit letztlich zu neuen Erkenntnissen über die frühe Evolution der Tiere zu gelangen. Ein weiteres Projekt untersucht die neuronalen Grundlagen der z. T. extremen Miniaturisierung des Zentralnervensystems bei Arthropoden. Es gibt winzige Insekten, deren gesamtes Gehirn in eine einzige Ner-

venzelle einer größeren Art passen würde. Dennoch muss das ZNS dieser kleinen Arten im Wesentlichen die gleichen Leistungen vollbringen wie bei größeren Arten (Futtersuche, Feindvermeidung, Partnerfindung, Orientierung, Bewegungssteuerung, etc.). Ziel ist es, herauszufinden, wie dieses Problem auf neuronaler Ebene gelöst wird.

Schnitt durch das Gehirn einer Ameise.

Lehr- und Forschungsgebiet Zoologie und Humanbiologie Eine Hauptaufgabe unserer Abteilung ist die breite Ausbildung von Lehramtsstudierenden auf den Gebieten Zoologie, Humanbiologie und Didaktik der Biologie. Unsere Forschung erstreckt sich auf Themen der Zell- und Entwicklungsbiologie, der Fachdidaktik und der Humanbiologie. 1) Interzelluläre Kommunikations- und Transportvorgänge während der Entwicklung: Das Ovar von Drosophila melanogaster ist ein beliebtes Modellsystem zur Untersuchung unterschiedlichster Aspekte der Zell- und Entwicklungsbiologie. An der Entwicklung einer Stammzelle in ein reifes Ei ist fast jeder denkbare zelluläre Prozess beteiligt. Im Ovarfollikel (s. Abb.) ist eine Eizelle (OOC) über Interzellularbrücken (RC) mit 15 Nährzellen (NC) verbunden und von einem Epithel somatischer Follikelzellen (FC) umhüllt. Im Verlauf der Oogenese inter-

agieren die Keimbahn- und Somazellen auf vielfältige Weise. Ein koordiniertes Zusammenwirken ist unter anderem auch für die korrekte Ausbildung des embryonalen Körpermusters von Bedeutung. Die Wege des interzellulären Informationsaustauschs sind bisher nur zum Teil analysiert. Unsere Untersuchungen konzentrieren sich auf solche Kommunikations- und Transportvorgänge, die über Interzellularbrücken, Gap-Junctions, Ionenpumpen und Ionenkanäle ablaufen. a) Mithilfe diverser mikroskopischer Verfahren und Mikroinjektionen untersuchen wir cytoplasmatische Transportvorgänge zwischen Nährzellen und Eizelle. So erhalten wir Informationen über die Mechanismen, die an der Lokalisierung spezifischer Zellbestandteile beteiligt sind.

Prof. Dr. J. Bohrmann Worringer Weg 1, Sammelbau Chemie, 38C, Raum 250 +49 (0)241 80 23676 [email protected]

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Zoologie und Tierphysiologie b) Über Gap-Junctions - Membrankontakte mit Poren - findet Kommunikation zwischen Keimbahn- und Somazellen statt, die sich stimulieren oder inhibieren lässt. Wir wollen Näheres über die molekularen Grundlagen und über die Rolle erfahren, die diese Kommunikation bei der Regulation von Entwicklungsvorgängen spielt. c) Mit spannungs- und ionensensitiven Fluoreszenzfarbstoffen und mit Mikroelektroden lassen sich bioelektrische Phänomene in der Oogenese nachweisen, die mit verschiedenen zellulären Vorgängen in Zusammenhang stehen: Wachstum, Zellwanderung, Zelltod, Osmo- und pHRegulation. Uns interessieren Ursache und Wirkung der bioelektrischen Phänomene während der Entwicklung.

- Vermittlung moderner biologischer Forschungsthemen in der Schule. - Fachgemäße Arbeitsweisen an außerschulischen Lernorten. Die Projekte werden in Kooperation mit anderen biologischen Arbeitsgruppen der RWTH Aachen und dem Schülerlabor JuLab des Forschungszentrums Jülich durchgeführt. 3) Humanbiologische Forschung zu unterschiedlichen Themen findet in Kooperation mit Arbeitsgruppen des Universitätsklinikums Aachen statt. (Details und Literatur siehe: http:// www.humanbiologie.rwth-aachen.de/ Forschung).

2) Schwerpunkte unserer fachdidaktischen Forschung sind: - Experimente für den Biologieunterricht, - Bionik als fächerverbindendes Thema Integration in die Lehrpläne, - Hochschule macht Schule - vom Forschungsexperiment zum Schulexperiment,

Ovarfollikel von Drosophila

Lehr- und Forschungsgebiet Zelluläre Neurobionik Die Abteilung „Zelluläre Neurobionik“ arbeitet an der Erforschung von Vorgängen an biologischen Oberflächen und deren möglicher Anwendung in Technik und Medizin.

Prof. Dr. W. Baumgartner Lukasstr.1, Raum 203 +49 (0)241 80 24840 [email protected]

Tiere und Pflanzen haben zum Teil hochspezialisierte Oberflächen. So ist der Sandfisch (Scincus scincus) in der Lage, sich im Sand eingegraben über lange Strecken mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit zu bewegen. Die Haut des Reptils spielt hierbei eine entscheidende Rolle, da sie extrem anti-adhäsiv und abnutzungsresistent gegenüber Sand ist. Dafür verantwortlich sind zuckertragende Proteine auf der Hautoberfläche. Eine Beschichtung auf

Basis des „Sandfisch-Prinzips“ könnte z. B. die Haltbarkeit von Solarzellen in Wüstenregionen erheblich erhöhen. Andere Wüstenbewohner sind Meister des Wasserhaushalts. Die Haut des Dornteufels (Moloch horridus) oder der Krötenechse (Phrynosoma cornutum, siehe Bild) ist stark strukturiert und hydrophil. Selbst feinste Tautropfen lagern sich an der Oberfläche an und werden durch feine Kanäle zum Maul transportiert. Auch hier wird versucht das grundlegende Prinzip zu entschlüsseln, um es technisch anzuwenden.

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Biologie II Auch andere Tierarten haben faszinierende Anpassungen entwickelt. Insekten sind an den Füßen mit Haftorganen ausgestattet, die es ihnen erlauben auf unterschiedlichsten Materialien zu haften und selbst Lasten kopfüber zu transportieren. Die Haftung ist nicht nur äußerst stark, sondern auch fein regulierbar und vor allem sehr schnell reversibel. Erreicht wird dies über ein Zusammenspiel von Materialeigenschaften und Mikromechanik. Doch die Evolution hat selbst dagegen ein Rezept: anti-adhäsive Pflanzenoberflächen weisen Nanostrukturierungen auf, die es Insekten fast unmöglich machten, auf ihnen zu haften. Die fleischfressende Kannenpflanze Nepenthes ist hierfür ein Beispiel.

Haftung dynamisch, quasi auf Knopfdruck, gelöst werden können. Das Lösen der Bindungen ist wesentlich für Vorgänge beim Wachstum, bei der Wundheilung, beim Lernen, bei Entzündungsreaktionen und so weiter. Leider kann hier auch einiges schief gehen. So können einige Tumorzellen vorübergehend auch ohne Kontakte überleben und so Metastasen bilden. Wir versuchen einige Aspekte der Zell-Zell-Haftung zu verstehen und gezielt zu beeinflussen.

Ein zweiter Fokus unserer Forschung ist die Interaktion von Zellen, insbesondere die Adhäsion. Spezielle Proteine der Zelloberfläche halten die Zellen des Körpers zusammen. Wesentlich dabei ist aber, dass die Haftung zwischen den Zellen zwar fest ist, damit unser Körper nicht auseinanderfällt, aber gleichzeitig muss die

Krötenechse (Phrynosoma cornutum)

Lehr- und Forschungsgebiet Chemosensorik Forschungsschwerpunkt am Lehr- und Forschungsgebiet Chemosensorik sind die neurobiologischen Grundlagen sozialer Kommunikation bei Säugetieren. Wir untersuchen zum Beispiel wie Duftsubstanzen - sog. Pheromone - von Nervenzellen in der Riechschleimhaut erkannt und in höheren Hirnregionen verarbeitet werden, und wie diese Signale das Verhalten bzw. den Hormonhaushalt beeinflussen. Die Bedeutung der Pheromone und vergleichbarer Duftstoffe manifestiert sich in ihrer Funktion als molekulare „Schalter“, deren Erkennung z. B. automatisch ein genetisch bestimmtes Verhalten auslöst und / oder direkt den hormonellen Haushalt des Rezipienten kontrolliert. Dabei beeinflussen

diese Düfte so bedeutende Verhaltenseigenschaften wie Partnerwahl, Territorialund Aggressionsverhalten. Gleichzeitig können Düfte die Psyche des Menschen erheblich beeinflussen und z. B. auf Stimmungen wirken und An- oder Entspannung hervorrufen. Auch Erinnerungen an lang zurückliegende Ereignisse können durch Duftwahrnehmung hervorgerufen werden. Trotz dieser fundamentalen Bedeutung sind viele Mechanismen der Duftwahrnehmung und -verarbeitung bis heute noch weitgehend unverstanden. Die während der Pheromonwahrnehmung in Nervenzellen ablaufenden Signalprozesse auf molekularer und zellulärer Ebe-

Prof. Dr. M. Spehr Sammelbau Biologie, 42D, Raum 253 +49 (0)241 / 80-20802 [email protected]

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Zoologie und Tierphysiologie ne zu verstehen, ist das Forschungsziel unserer Arbeitsgruppe. Mit Hilfe moderner physiologischer Messmethoden sowie molekularbiologischer, immunologischer und verhaltensanalytischer Techniken werden die Mechanismen der Pheromonwahrneh-

mung untersucht. Hier steht vor allem ein noch weitgehend unerforschtes sensorisches Gewebe, das sog. Vomeronasalorgan, im Mittelpunkt des wissenschaftlichen Interesses.

Die Abbildung zeigt fluoreszenzmarkierte Riechnervenzellen (grün) in einem Dünnschnitt der Nasenschleimhaut. Die Riechnervenzellen enden am Übergang zur Nasenhöhle (schwarz) mit fadenförmigen Ausläufern. In roter Farbe sind durch Antikörper markierte Mitochondrien dargestellt. Oben schematisch dargestellt sind die elektrischen Entladungen einer Riechnervenzelle bei Duftwahrnehmung. Wird die Aufnahme von Kalzium in die Mitochondrien durch den mCU (mitochondrial calcium uniporter)-Kanal möglich, so findet keine Duftantwort statt.

Lehr- und Forschungsgebiet Molekulare Sinnes– und Neurobiologie

Prof. Dr. F. Müller Institute of Complex Systems Zelluläre Biophysik, ICS-4 Forschungszentrum Jülich +49 (0)2461 613661 [email protected] www.fz-juelich.de/ics/ics-4

Unser Sinnes- und Nervensystem erbringt scheinbar mühelos die unglaublichsten Leistungen. Die Mechanismen zu erforschen, die hinter diesen Leistungen stecken, ist eine der größten Herausforderungen in der Wissenschaft. Die Vorgänge, die unserer Wahrnehmung zugrunde liegen, spielen sich meist im Verborgenen ab – in den Sinneszellen unter der Haut, in Augen oder Ohren und natürlich in den Windungen unseres Gehirns. In meiner Arbeitsgruppe interessieren wir uns besonders für die Signalverarbeitung beim Sehen und beim Riechen. Aufgrund modernster Untersuchungsmethoden gelingt es uns, das Verborgene aufzudecken und bei Licht zu betrachten. Im Zentrum unserer Forschung steht die Informationsverarbeitung in der Retina. Sie enthält neben den Photorezeptoren auch ein komplexes neuronales Netzwerk, in dem bereits die ersten Schritte der visuel-

len Informationsverarbeitung stattfinden. Wir wollen verstehen, wie dieses Netzwerk funktioniert, wie es sensorische Information verarbeitet und welche Mechanismen es ermöglichen, dass sich die Retina an einen riesigen Helligkeitsbereich anpassen kann. Um diese Fragen zu klären, haben wir Methoden entwickelt, mit denen wir die Aktivität retinaler Zellen nicht nur elektrisch mit der Patch-clamp Methode und mit chip-basierten Multielektroden-arrays registrieren können, sondern auch mit fluoreszenzoptischen Verfahren. Sie erlauben es uns, Nervenzellen bei der Arbeit im wahrsten Sinne des Wortes zuzuschauen. So wird die Adaptation in der Retina z. B. sehr stark von intrazellulären Botenstoffen wie Calcium oder cAMP kontrolliert. In unseren Imagingverfahren setzen wir sogenannte genetisch-kodierte Sensoren auf der Basis fluoreszierender Proteine ein. Mit

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Biologie II ihnen können wir die Verteilung dieser Botenstoffe in den Nervenzellen und ihre Regulation in Echtzeit als Fluoreszenzsignal sichtbar machen. Eine besonders wichtige Rolle spielen in unserem Institut deshalb verschiedenste fluoreszenzoptische und mikroskopische Techniken wie Konfokale Laserscanning Mikroskopie, ZweiPhotonen Mikroskopie sowie die Superresolution-Mikroskopie, mit der wir die Auflösungsgrenzen der klassischen Lichtmikroskopie durchbrechen.

In einem Schnitt durch die Retina wurden Photorezeptoren (oben) und einige Bipolarzelltypen mit fluoreszierenden Antikörpern markiert.

Lehr- und Forschungsgebiet Theoretische Systemneurobiologie Höhere Hirnfunktionen werden im Kortex (Großhirn) verarbeitet, ein junger Teil des Gehirns, der sich durch eine sehr große Anzahl von Neuronen (ca. 1010) und einen sehr hohen Vernetzungsgrad auszeichnet. Jedes Neuron bekommt Eingang von ca. 104 Neuronen in Form von Aktionspotentialen (AP) und sendet seine Ausgangsaktivität zu etwa derselben Anzahl von weiteren Neuronen. Die Verbindungsstruktur zwischen den Neuronen scheint zufällig und nicht offensichtlich strukturiert, und die Verarbeitungsmechanismen im Netzwerk sind nahezu unverstanden. Eine Hypothese zur neuronalen Verarbeitung im Kortex besagt, dass sich Neuronen in Verbänden organisieren (‚cell assemblies‘, Hebb (1949)), die sich durch zeitlich abgestimmte Aktivität auszeichnen. Um diese Hypothese überprüfen zu können, müssen mehrere Neuronen gleichzeitig beobachtet werden. Unsere experimentellen Partner erfassen diese Netzwerkaktivität durch parallele elektrophysiologische Ableitungen von Aktionspotentialfolgen mehrerer Einzelneuronen und/oder durch das Messen von Summenpotentialen größerer Populationen (lokale Feldpotentiale, LFP).

Unsere Aufgabe ist, Methoden zur Analyse solcher Vielkanaldaten zu entwickeln und zu testen, und die experimentellen Daten zu analysieren. Ziel ist es hierbei, die Verarbeitungsprinzipien des Kortex zu verstehen, die uns erlauben, sensorische Reize aufzunehmen, zu integrieren und gezielte Handlungen auszuführen. Dazu entwickeln wir statistische Analysewerkzeuge, mit denen wir die Wechselwirkung zwischen Neuronen zeitabhängig im Zusammenhang zum Verhalten erfassen können. Dies umfasst das Entwickeln von Konzepten und Modellen neuronaler Verarbeitung, insbesondere mit Modellierern der Arbeitsgruppe 'Computational Neurophysics' am INM-6, das Umsetzen in statistische Analysemethoden zur Überprüfung von Hypothesen, und die systematische Analyse experimenteller Daten in Kooperation mit unseren experimentellen Partnern. Dieser Arbeitsbereich der Computational Neuroscience erfordert das Zusammenspiel von Wissen primär aus der Neurowissenschaft und der Physik, aber auch der Mathematik und der Informatik. Die Arbeitsgruppe von Prof. Grün setzt sich dafür ein, Werkzeuge und Arbeitsab-

Prof. Dr. S. Grün Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-6) Forschungszentrum Jülich +49 (0)2461 619302 [email protected] www.csn.fz-juelich.de

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Zoologie und Tierphysiologie läufe allgemein verfügbar zu machen und organisiert entsprechende Lehrprogramme und Kurse. Prof. Grün ist auch ständige stellvertretende Direktorin des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin (INM-

6), Computational and Systems Neuroscience, am Forschungszentrum Jülich, und leitet dort die Arbeitsgruppe ‚Statistical Neuroscience‘.

Neuronale Aktivität und Augenbewegungen während der visuellen Exploration einer natürlichen Szene. Links: Augenbewegungen (Sakkaden, blau) und Fixationen (rot) während eines Versuchsdurchgangs von 3 s Dauer. Rechts: Vertikale und horizontale Augenpositionen während desselben Versuchsdurchgangs, aufgezeichnet mit einer implantierten Augenspule. Darunter die zeitaufaufgelöste Aktivität von 10 parallel beobachteten Einzelneuronen (senkrechte Linien markieren das Auftreten von Aktionspotentialen, ‚spikes‘) und ein Kanal des lokalen Feldpotentials (LFP) aufgenommen im visuellen Kortex eines wachen, sich verhaltenden Affen. Die Analyse der Daten zeigte eine sakkadengekoppelte kurzzeitige Oszillation im beta-Frequenzbereich (17Hz). Die ersten, durch die visuelle Stimulation ausgelösten Aktionspotentiale während der Fixation treten phasengekoppelt an die Oszillation des LFP auf, was als Mechanismus der Synchronisation von APs dient (aus Ito et al (2011) Cerebral Cortex 21 (11): 2482-2497).

Biologie II

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Biologie II Biologie II IX. X. XI.

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Spehr M (2010) Soziale Signale "erschnüffeln": Chemische Kommunikation und das Vomeronasalorgan. Neuroforum 16: 157-164. Müller, F. und Kaupp, U.B. (1998) Signaltransduktion in Sehzellen. Naturwissenschaften 85:4961. Grün, S. und Diesmann, M. (2012) Hirnforschung braucht ein Netzwerk. Systembiologie.de, 4: 36 – 39. http://www.systembiologie.de/de/magazin.html (english version in international edition) Grün ,S. and Rotter, S. (eds.) Analysis of Parallel Spike Trains (2010) Springer Series in Computational Neuroscience, Volume 7, Springer New York, DOI: 10.1007/978-1-4419-5675-0 (also available as eBook)

Lehre (Angaben sind evtl. nicht auf dem neuesten Stand, aktuelle Angaben entnehmen Sie bitte Campus.) Bachelor Studiengang Biologie

Modul Bau der Organismen I (Tiere)  Vorlesung Bau der Organismen I  Praktikum Bau der Organismen I mit Einführung

Bräunig, Loesel, Wagner

Modul Biologie der Zelle  Vorlesung Biologie der Zelle

Bräunig, (Panstruga)

Modul Tierphysiologie  Vorlesung Einführung in die Tierphysiologie  Praktikum Einführung in die Tierphysiologie

Spehr, Wagner

Vertiefungsmodul Biologische Informationsverarbeitung  Vorlesung Biologische Informationsverarbeitung/ Neurobiologie  Blockpraktikum Biologische Informationsverarbeitung/ Neurobiologie  Seminar

Wagner, Bräunig, Wirth, Künzel

Seminare  Präsentationen u. Präsentationsgraphik für Biologen  Neurosensorik  Evolutionsbiologie  Aktuelle Themen der Zell- und Entwicklungsbiologie

Bräunig Spehr Bräunig, Loesel Bohrmann, Bräunig

Bienenpraktikum

Bohrmann, Heil, Weyers

Tutorium Tierphysiologie Tutorium Biologie der Zelle Erstigruppe Wagner

Wagner Bräunig, (Panstruga) Wagner

Seite 21 Bachelor Studiengang Molekulare und Angewandte Biotechnologie

Zoologie und Tierphysiologie Modul Grundlagen der Biologie und Biotechnologie  Vorlesung Biologie der Zelle

Bräunig, (Panstruga)

Präsentationen u. Präsentationsgraphik für Biologen (Seminar) Bräunig Tutorium Biologie der Zelle Bräunig, (Panstruga) Erstigruppe Wagner Wagner Bachelor Studiengang Lehramt Biologie

Modul Zelle  Vorlesung Biologie der Zelle  Tutorium Biologie der Zelle Modul Organismen  Vorlesung Bau der Organismen I  Praktikum Bau der Organismen I Modul Physiologie  Vorlesung Einführung in die Tier– und Humanphysiologie  Praktikum Tier– und Humanphysiologie Modul Angewandte Biologie  Vorlesung Bionik I Modul Fachdidaktik B  Vorlesung Didaktik des Biologieunterrichts  Übung Fachgemäße Arbeitsweisen im Biologieunterricht

Bräunig, (Panstruga)

Praktikum der Biologie für Lehramtsstudierende  Teil Bau, Entwicklung und Evolution der Tiere/ Humanbiologie  Teil Bau, Entwicklung und Evolution der Tiere/ Entwicklungsbiologie  Teil Neurobiologie/ Tierphysiologie

Bohrmann, Heil

weitere Praktika: Bienenpraktikum Praktikum zur Verhaltenskunde Beobachten, Fangen u. Züchten von Tieren in Theorie u. Praxis Exkursionen: Vorstellung von Lebensräumen in der Region Aachen Biologische Station "Heiliges Meer" bei Recke i. W.

Bräunig, Loesel, Wagner

Wagner, Spehr, Wirth

Baumgartner Bohrmann, Heil, Dahmen

Bräunig Wagner, Wirth

Bohrmann, Heil, Weyers Heil, Wirooks Heil, Wirooks

Lennartz Bohrmann, Heil

Seminare: s. Bachelor- und Masterstudiengänge Biologie Master Studiengang Biologie

Modul Zell– und Systemneurobiologie I und II  Vorlesung Zell und Systembiologie  Blockpraktika: Zelluläre Neurobiologie Systemneurobiologie  Seminar Systemneurobiologie Modul Verhaltensneurobiologie  Vorlesung Sinnesphysiologie und Ethologie  Blockpraktikum Verhaltensneurobiologie  Seminar Aktuelle Themen der Verhaltensbiologie

Wagner, Spehr, Wirth, (Wolfrum)

Wagner, Wirth

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Biologie II

Lehre Master Studiengang Biologie

Modul Molekulare Neurobiologie  Vorlesung Molekulare Neurobiologie  Blockpraktikum Molekulare Neurobiologie  Seminar Aktuelle Themen der molekularen Neurobiologie Modul Neuro– und Strukturbionik  Vorlesung Bionik II/ Strukturbionik  Praktikum Bionik II/ Strukturbionik  Seminar Bionik Modul Informationsbionik  Vorlesung Bionik I  Praktikum Bionik I/ Informationsbionik Modul Neuropharmakologie  Vorlesung Synaptische Transmission  Vorlesung Neuropharmakologie  Übung Neuropharmakologie  Praktikum Neuropharmakologie Modul Entwicklungsbiologie I/ II  Vorlesung Entwicklungsbiologie der Tiere  Praktika Entwicklungsbiologie I und II  Seminar Aktuelle Themen der Zell– und Entwicklungsbiologie Modul Modellbildung biologischer Systeme  Vorlesung Modellbildung biologischer Systeme  Übung Modellbildung biologischer Systeme Modul Simulation biologischer Systeme  Vorlesung Simulation biologischer Systeme  Übung Simulation biologischer Systeme Modul Molekulare Sinnesbiologie  Vorlesung Molekulare Sinnesbiologie  Praktikum Molekulare Sinnesbiologie  Seminar Aktuelle Themen der molekularen Sinnesbiologie

Müller

Baumgartner

Baumgartner

Wagner, Wnendt, Dorlöchter, Wirth, Tzschentke

Bräunig, Bohrmann, Loesel, (Bossinger)

Baumgartner

Baumgartner

Müller

Ergänzende Wahlmodule: Modul Computational Neuroscience Grün  Vorlesung Introduction to Computational Neuroscience  Übung Introduction to Computational Neuroscience  Seminar Cortical Structure and Function Module Humanbiologie 1 und 2 Bohrmann, Heil  Vorlesungen Humanbiologie 1 und 2 (Modul 1)  Blockpraktikum Humanbiologie (Modul 2)  Humanbiologisches Seminar (Modul 1) Master Studiengang  Molekulare und Angewandte  Biotechnologie  

Vorlesung Bionik II/ Strukturbionik Praktikum Bionik I/ Informationsbionik Praktikum Bionik II/ Strukturbionik Seminar Bionik

Baumgartner Baumgartner Baumgartner Baumgartner

Seite 23 Staatsexamensstudiengang Lehramt Biologie

Zoologie und Tierphysiologie Modul Allgemeine Biologie  Vorlesungen Bionik I Bionik II/ Strukturbionik Modellbildung biologischer Systeme (mit Übung)  Seminar Bionik  Praktika Bionik I/ Informationsbionik Bionik II/ Strukturbionik Modul Zoologie  Vorlesungen Humanbiologie I und II Molekulare Sinnesbiologie Entwicklungsbiologie der Tiere Sinnesphysiologie und Ethologie Molekulare Neurobiologie Synaptische Transmission  Seminar Humanbiologisches Seminar Aktuelle Themen der molekularen Sinnesbiologie Aktuelle Themen der Zell– u. Entwicklungsbiologie Evolutionsbiologie Aktuelle Themen der molekularen Neurobiologie  Praktika Entwicklungsbiologie I und II Blockpraktikum Humanbiologie Modul Fachdidaktik  Vorlesung Didaktik des Biologieunterrichts  Übung Fachgemäße Arbeitsweisen im Biologieunterricht  Fachdidaktisches Blockpraktikum mit Seminar  Unterrichtsübungen und Seminar  Fachdidaktische Seminare Praktikum Biologie für Lehramtsstudierende  Teil Genetik (Humangenetik)  Teil Bau, Entwicklung und Evolution der Tiere/ Humanbiologie  Teil Bau, Entwicklung und Evolution der Tiere/ Entwicklungsbiologie  Teil Neurobiologie/ Tierphysiologie weitere Praktika: Bienenpraktikum Praktikum zur Verhaltenskunde Beobachten, Fangen u. Züchten von Tieren in Theorie u. Praxis

Baumgartner

Bohrmann Müller, Wagner Bräunig Wagner Müller Dorlöchter Bohrmann, Heil Müller Bohrmann, Bräunig Bräunig, Loesel Müller Bohrmann, Bräunig, Loesel, (Bossinger) Bohrmann, Heil Bohrmann, Heil, Dahmen, Reineke, Ebel

Heil, (Eggermann) Bohrmann, Heil Bräunig Wagner, Wirth

Bohrmann, Heil, Weyers Heil, Wirooks Heil, Wirooks

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Biologie II

Lehre Staatsexamensstudiengang Lehramt Biologie

weitere Seminare: Herstellung von Medien für den Biologieunterricht Sequenzplanung für den Biologieunterricht d. Sekundarstufe II und andere Exkursionen: Vorstellung von Lebensräumen in der Region Aachen Biologische Station "Heiliges Meer" bei Recke i. W.

Dahmen Reineke

Lennartz Bohrmann, Heil

Institut für Zoologie und Tierphysiologie (Biologie II) Mies-van-der-Rohe-Str.15 52074 Aachen

Lehrstuhl für Zoologie und Tierphysiologie

Pflanzenphysiologie (Biologie III) Prof. A. J. Slusarenko

Institutsleiter

Überblick Physiologie ist die Wissenschaft, die untersucht, wie Organismen, Zellen und Zellorganellen funktionieren. Pflanzen sind keine passiven Organismen. Sie müssen Schädlinge abwehren, drastische Umweltbedingungen aushalten, Nährstoffe aufnehmen, die Tageszeit einschätzen und Ereignisse in der nahen Zukunft voraus ahnen. All diese Dinge müssen sie tun, während sie fest im Boden verwurzelt sind. Pflanzen leiten intern Informationen und Stoffe über große Strecken weiter, ohne ein Nervensystem oder eine Pumpe wie das Herz

in Tieren zu besitzen. Außerdem kommunizieren Pflanzen miteinander als einzelne Individuen. Wie machen sie das alles? Im Institut für Pflanzenphysiologie können Sie lernen, wie Pflanzen funktionieren, und zwar von der molekularen zur organismischen Ebene der Komplexität. Insbesondere können Sie erfahren, wie Pflanzen reagieren, wenn sie von mikrobiellen Krankheitserregern angegriffen werden.

Sekretariat

Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie Worringerweg 1 52074 Aachen Tel +49 (0)241 80 26651 Fax +49 (0)241 80 22181 sekretariat@ bio3.rwth.aachen.de www.bio3.rwth-aachen.de Öffnungszeiten: Mo-Do: 8:00-13:00 Uhr und 14:00-16:00 Uhr Fr: 8:00-12:30 Uhr

Lehrstuhl Pflanzenphysiologie Pflanzen müssen Krankheitserreger als „nicht selbst“ erkennen und sich dagegen wehren. Pflanzen nutzen ein molekulares Überwachungssystem, um Pathogene zu erkennen und ein ausgeklügeltes, zelluläres Kommunikationssystem, um die Information in den Zellkern weiterzuleiten. Im Zellkern werden als Antwort spezifische

Gene angeschaltet oder unterdrückt, um der Pflanze beim Überlebenskampf aktiv zu helfen. Zusätzlich zu den aktiv induzierten Abwehrmechanismen beinhalten Pflanzen oft auch natürliche, vorgefertigte Antibiotika. Forschung in all diese verschiedenen Richtungen wird im Institut durchgeführt. Landwirtschaftlich wichtige

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Biologie III Nutzpflanzen, wie z. B. Sojabohnen und Getreide wie Reis, Gerste und Weizen werden ebenso untersucht, wie eine Modellpflanze, das kleine Unkraut Ackerschmalwand (lat. Arabidopsis thaliana).

dem Pflanzenschutzdienst der Landwirtschaftskammer NRW statt, welche durch Hon. Prof. Dr. B. Böhmer vertreten wird.

Im Bereich der angewandten Phytopathologie findet eine enge Kooperation mit

Prof. A. J. Slusarenko B.sc. Ph.D. Raum A42 311 +49 (0)241 80 26650 [email protected]

Keimlinge von verschiedenen Arabidopsis-Genotypen wurden dem redox -aktiven antimikrobiellen Stoff Allicin ausgesetzt

Links: Eine Pathogenspore keimt auf einem Wurzelhaar einer Arabidopsis-Pflanze aus und wächst in die Wurzel hinein. Rechts: Fraßstelle einer Raupe auf einem Arabidopsis-Blatt. Die Pflanze enthält ein Gen für ein redox-empfindliches grün fluoreszierendes Protein.

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Pflanzenphysiologie

Lehr- und Forschungsgebiet Biochemie & Molekularbiologie der Pflanzen Nach Befall nur eines Blattes durch einen Krankheitserreger können auch die nicht befallenen Teile einer Pflanze gegen weiteren Pathogen-Befall immun werden. Diese so genannte „systemisch erworbene Resistenz“ (auch „systemische Immunität“) beruht darauf, dass die nicht befallenen Blätter nach dem Erstbefall eine erhöhte Abwehrbereitschaft aufbauen. Prof. Dr. U. Conrath Raum 42A 313 +49 (0)241 80 26540 [email protected]

Die Arbeitsgruppe von Professor Conrath untersucht auf einem international kompetitiven Niveau die molekularen, biochemischen und physiologischen Mechanismen, die der erhöhten Abwehrbereitschaft von systemisch resistenten Pflanzen zugrunde liegen. Ein besonderes Augenmerk liegt bei der Untersuchung von Änderungen im Chromatin, bei der Identifizierung von wichtigen Komponenten der Signalübertragung (z. B. Transkriptionsfaktoren), der Genexpression, der Enzymaktivität, der

Die systemisch erworbene Resistenz lässt sich im Grundversuch mit jungen Gurkenpflanzen (Sorte Mervita) zeigen. Bei der linken Pflanze wurde ein Keimblatt (↑) mit dem Pilz Colletotrichum lagenarium infiziert und trocknete dadurch aus. Eine Woche nach dieser Erstinfektion wurden 20 Tropfen mit Sporen des gleichen Pilzes auf ein Laubblatt gegeben. Dieses Blatt blieb gesund, da es inzwischen resistent geworden war. Bei der Kontrollpflanze (rechts), bei der keine vorherige Infektion des Keimblattes erfolgte, führte jeder der 20 Sporentropfen auf dem Laubblatt zu einer Schädigung, die als gelber Fleck zu erkennen ist.

Resistenz gegen Pathogene, sowie der Toleranz für abiotischen Stress (z. B. Trockenheit, Kälte). Die Arbeitsgruppe hat zum Beispiel gefunden, dass es bei der Ausbildung der systemisch erworbenen Resistenz zu bestimmten Änderungen von Proteinen im Chromatin kommt. Dabei werden auch Signalmoleküle angereichert, die erst bei einer Folgeattacke benötigt werden, dann aber bereits vermehrt vorliegen. Da man sich die systemisch erworbene Resistenz auch bei der Entwicklung neuer Nutzpflanzen und von Pflanzenschutzmittel zu Nutze macht, wird die Grundlagenforschung der Arbeitsgruppe durch gemeinsame Projekte mit der Pflanzenschutz -Industrie ergänzt. Die aktuellen Themen aus der Forschung fließen auch ins Lehrangebot der Arbeitsgruppe ein.

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Biologie III

Juniorprofessur „Molekulare Phytopathologie“ Die Weltbevölkerung wächst schnell gleichzeitig schrumpft die landwirtschaftlich nutzbare Fläche. Um einer Nahrungsmittelverknappung entgegenzuwirken werden verschiedene Strategien verfolgt: eine davon zielt darauf ab, den Ertrag pro Anbaufläche zu steigern. Dazu gehört auch, die angebauten Pflanzen gegen Pathogene zu schützen und zwar ohne dass die Umwelt durch übermäßigen Einsatz von Pestiziden belastet wird. Eine der wichtigsten Nahrungsmittelpflanzen ist die Sojabohne, die inzwischen auf allen Kontinenten angebaut wird. Seit Kurzem ebenfalls weltweit verbreitet ist eine aggressive Krankheit der Sojapflanze: der Asiatische Sojarost, hervorgerufen durch Phakopsora pachyrhizi. Bisher wurde keine Sojasorte mit breiter Resistenz gegen diesen Pilz identifiziert. Dramatisch, denn ein Befall kann, wenn unbehandelt, Ernteverluste von bis zu 80 % verursachen. Wir untersuchen, ob die vorhandene Resistenz der Modellpflanze Arabidopsis, eine sogenannte Nichtwirtresistenz, Sojapflanzen vor Sojarost schützen kann. Tatsächlich gilt Nichtwirtresistenz als besonders stabil und langlebig, ihre Wirkmechanismen sind jedoch noch nicht vollständig erforscht.

Der Asiatische Sojarost hat deutliche Symptome auf befallenen Pflanzen. Diesen voraus geht starkes Pilzwachstum mit Bildung von Hyphen und Haustorien, den Ernährungsorganen. In Arabidopsis wird der Pilz schon früh abgewehrt. Wir haben Gene der Nichtwirtresistenz identifiziert, die, wenn ausgeschaltet, diese Abwehr verzögern.

Dazu haben wir nach gesamtgenomischer Expressionsanalyse herausgefunden, welche Gene in Arabidopsis durch Infektion mit P. pachyrhizi angeschaltet werden. Diese könnten wichtig sein, um eine Etablierung des Pilzes in der Pflanze zu verhindern. Um das zu überprüfen schalten wir ausgesuchte Gene mittels RNA-Interferenz aus. Wird dadurch die Resistenz der Modellpflanze zumindest zum Teil gebrochen, können wir davon ausgehen, dass die entsprechenden Gene eine wichtige Rolle in der Verteidigung der Pflanze gegen den Erreger des Asiatischen Sojarosts spielen. Welche Rolle das genau ist, analysieren wir mit modernen molekularbiologischen und genetischen Methoden. So können wir z.B. durch Anhängen von Fluoreszenzmarkern untersuchen, wo sich das entsprechende Protein in der Zelle befindet. Wir benutzen biochemischen Methoden um die genaue Funktion der Kandidaten in der Pflanze zu bestimmen. Weiterhin wollen wir herausfinden, ob durch starke Überexpression der Gene eine verstärkte Resistenz der Pflanzen erreicht werden kann.

Jun.-Prof. Dr. Katharina Göllner Raum 42A-320 +49 (0)241 80 26662 [email protected]

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Pflanzenphysiologie

Reis- und Gersten-Labor (Riba-lab)

PD Dr. rer. nat. habil. Ulrich Schaffrath, AOR Raum 42A 352.1 +49 (0)241 80 20100 [email protected] http://www.bio3.rwthaachen.de/Ribalab www/ index ribalab_deu.htm

Die fortschreitende Verknappung an Energie und Nahrungsmitteln fordert Lösungsansätze von der modernen Pflanzenforschung. Vor dem Hintergrund, dass agrarwirtschaftlich genutzte Flächen weltweit nur bedingt und dann oft zu Lasten der Umwelt vergrößert werden können, kann der Forderung nach höheren Erträgen nur durch eine gesteigerte Primärproduktion oder eine Verminderung der Ernteverluste nachgekommen werden.

der Pflanzen sich gegen Krankheitserreger zu wehren sondern auch die Eigenschaften der Pathogene, die diese zu gefährlichen Schaderregern machen. Ziel unserer Untersuchungen ist es, basierend auf einem umfassenden Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Pathogenen und ihren Wirtspflanzen die Produktion von Nahrungsmitteln nachhaltig zu gewährleisten. Hierzu wenden wir ein breites Spektrum an biochemischen, molekularbiologischen und genetischen Methoden an.

Das Reis- und Gersten-Labor (Riba-lab) am Institut für Pflanzenphysiologie der RWTH Aachen hat sich der Aufgabe, die Pflanzenproduktion gegen Verluste durch Pflanzenkrankheiten zu schützen, verschrieben. Im Fokus der Arbeiten stehen dabei die wichtigsten Nahrungsmittelpflanzen wie Reis, Gerste, Weizen und Sojabohne. Um die Entstehung von Pflanzenkrankheiten ganzheitlich zu verstehen, untersuchen wir nicht nur das Potential

A: Nur der Pilz Magnaporthe oryzae (BR32), nicht aber das Isolat einer nahe verwandten Art (CD180) kann Gerste infizieren. B: (oben) Die beiden morphologisch sehr ähnlichen Pilze werden im Labor auf künstlichen Medien kultiviert. (unten) Die Konidien jeder Art wurden zur Unterscheidung mit grün bzw. rot fluoreszierenden Proteinen transformiert. C: Gerstenpflanzen können diese Pathogene abwehren, indem sie entweder das Eindringen oder die Ausbreitung des Pilzes verhindern. Reproduziert aus Schaffrath und Delventhal (2011)

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Biologie III Biologie III

Literatur I.

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Goellner K, Loehrer M, Langenbach C, Conrath U, Koch E and U Schaffrath (2010). Pathogen profile: Phakopsora pachyrhizi, the causal agent of Asian Soybean rust. Mol Plant Pathol, 11 (2): 169-177 Gruhlke MCH, Portz D, Stitz M, Anwar A, Schneider T, Jacob C., Schlaich NL and Slusarenko AJ (2010) Allicin disrupts the cell’s electrochemical potential and induces apoptosis in yeast. Free Radical Biology and Medicine 49: 1916-1924 Conrath U (2011) Molecular aspects of defense priming. Trends in Plant Science 16: 1360-1385 Beckers, G.J.M., Jaskiewicz, M., Liu, Y., Underwood, W. R., He, S.Y., Zhang, S., Conrath, U. (2009) Mitogen-activated protein kinases 3 and 6 are required for full priming of stress responses in Arabidopsis thaliana. Plant Cell 21: 944-953. Jaskiewicz, M., Conrath, U., Peterhänsel, C. (2011) Chromatin modification acts as a memory for systemic acquired resistance in the plant stress response. EMBO reports 12: 50-55. Schlaich NL (2007) Flavin-containing monooxygenases in plants: looking beyond detox. Trends in Plant Science 12: 412-418 Slusarenko AJ, Patel A, Portz D (2008) Control of plant diseases by natural products: Allicin from garlic as a case study. European Journal of Plant Pathology 121: 313-322 Schaffrath U. und Delventhal R. (2011). Wie wird aus Wirt Nichtwirt? labor&more 2011, 7. Jhg.:1-4, 2.11, p:24-27

Lehre (Angaben sind evtl. nicht auf dem neuesten Stand, aktuelle Angaben entnehmen Sie bitte Campus.) Bachelor Studiengang Biologie

Modul Pflanzenphysiologie  Vorlesung und Praktikum Pflanzenphysiologie Modul Biochemie und Genetik Vorlesung und Tutorium Einführung in die Biochemie Praktikum Molekularbiologie und Biochemie Vertiefungsmodul Zell– und Molekularbiologie der Pflanzen  Vorlesung Biochemie  Vorlesung Zellbiologie  Vorlesung Physiologie  Vorlesung Molekulare Genomik  Praktikum Zell– und Molekularbiologie der Pflanzen

Bachelor Studiengang  Molekulare und Angewandte Biotechnologie Bachelor Lehramt Biologie

Vorlesung und Tutorium Einführung in die Biochemie

Slusarenko, Schaffrath

Conrath Conrath, Beckers, Usadel Slusarenko , Conrath, (Panstruga, Usadel), Göllner, Schlaich

Conrath

Modul Physiologie

Slusarenko, Wagner

Vorlesung und Tutorium Einführung in die Biochemie Praktikum Biochemie für das Lehramt

Conrath Conrath, Beckers

Seite 31 Master Studiengang Biologie

Master Studiengang Molekulare und Angewandte Biotechnologie

Pflanzenphysiologie Vertiefungsrichtung Pflanzenwissenschaften Modul Molekulare Pflanzenphysiologie I  Vorlesung Techniken der Pflanzenphysiologie  Seminar Pflanzenphysiologie Modul Molekulare Pflanzenphysiologie II  Vorlesung Stressphysiologie Modul Praktikum Molekulare Pflanzenphysiologie  Seminar „Aktuelle Aspekte der Pflanzenphysiologie“  Praktikum Molekulare Physiologie Modul Phytopathologie I  Vorlesung Phytopathologie I  Vorlesung Integrierter Pflanzenschutz Modul Phytopathologie II  Vorlesung Physiologie und Molekularbiologie der Pflanzenkrankheiten

Slusarenko

Slusarenko Slusarenko, Schlaich

Slusarenko, Böhmer

Slusarenko

Modul Molekulare Phytopathologie  Praktikum Molekulare Phytopathologie  Seminar „Methoden der Phytopathologie“

Slusarenko, Schaffrath

Modul Induzierte Resistenz von Pflanzen (Theorie)  Vorlesung Biochemie der induzierten Resistenz von Pflanzen  Seminar Biochemie der induzierten Resistenz von Pflanzen Modul Induzierte Resistenz von Pflanzen (Praxis)  Praktikum Biochemie und Molekularbiologie der induzierten Resistenz von Pflanzen

Conrath

Modul Funktionelle Genanalyse  Vorlesung Funktionelle Genanalyse  Seminar Funktionelle Genanalyse Vorlesung Biodiversität und Ökologie der Pilze

Slusarenko, Schlaich

Forschungspraktika Pflanzenphysiologie

Slusarenko, Schaffrath, Schlaich

Forschungspraktika Biochemie

Conrath, Göllner, Beckers

Vorlesung Pflanzenphysiologie

Slusarenko

Vorlesung Funktionelle Genanalyse

Schlaich

Pflanzenphysiologie (Biologie III) Worringerweg 1 52074 Aachen

Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie

Conrath, Beckers

Ostrowski, Gams, Slusarenko,

Angewandte Mikrobiologie (Biologie IV) Prof. L. M. Blank

Institutsleiter

Überblick Alle Projekte am iAMB-Institut für Angewandte Mikrobiologie tragen zur Entwicklung einer Bioökonomie in Deutschland bei. Durch ein grundlegendes Verständnis der eingesetzten Bakterien und Pilze werden am iAMB neue Anwendungen wie beispielsweise die Herstellung von Biotensiden, organische Säuren und Feinchemikalien, die Verwendung der Elektrokatalyse, der mikrobielle Befall von Biokraftsoffen, sowie der Schutz von Nutzpflanzen erarbeitet. Ein weiterer wichtiger Bereich am iAMB ist die Nutzung von Abfallströ-

men einer Bioökonomie als Ausgangsmaterialien für die Wertstoffsynthese. Das ultimative Ziel ist die rationale Stammentwicklung, die es ermöglichen wird, gezielt Hochleistungsmikroben für die verschiedensten Anwendungen bereitzustellen.

Sekretariat

Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie

Worringerweg 1 52074 Aachen Tel.: +49 (0)241 80 26601 Fax: +49 (0)241 80 22180 [email protected] www.iamb.rwth-aachen.de Öffnungszeiten: 9:00-11:30 Uhr

Lehrstuhl Angewandte Mikrobiologie Genomforschung, Bioinformatik, Gentechnik und neue Analyseverfahren („Omics“) haben den mikrobiellen Forschungssektor in der letzten Dekade revolutioniert. Die Integration dieser Möglichkeiten erlaubt es, unbekannte Stoffwechselkapazitäten von Mikroorganismen zu identifizieren und für nachhaltige Produktionsprozesse

in der Biotechnologie zu optimieren. Mikroorganismen, die bereits seit Jahrhunderten für die Herstellung von Lebensmitteln genutzt wurden, werden in der postmodernen Biotechnologie als industrielle Plattformorganismen eingesetzt, um Enzyme, Pharmaka, Biokraftstoffe und funktionelle Lebensmittel herzustellen.

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Prof. Dr. L. M. Blank Raum 42A 113 +49 (0)241 80 26600 [email protected]

Angewandte Mikrobiologie Trotz dieser Fortschritte ist die (Mikro) biologie im Wesentlichen noch deskriptiv. Die sogenannte Quantitative Biologie, Systembio(techno)logie und Synthetische Biologie sind daher sehr aktive Forschungsgebiete, deren Ziel es ist, dass System Zelle ganzheitlich und in seiner gesamten Dynamik zu verstehen und zu verändern. Die Verbindung zwischen (Mikro)biologie, Mathematik und Ingenieurswissenschaften ist die unabdingbare Voraussetzung, um zelluläre Vorgänge zu modellieren und darauf aufbauend Mikroorganismen vorhersagbar und kontrolliert für maximale Leistungsfähigkeiten aufzubauen und zu nutzen. In dem Spannungsfeld zwischen Genomik, Physiologie, Analytik, Bioinformatik und Bioverfahrenstechnik bewegt sich die Lehre und Forschung am Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie. Das Fernziel der Arbeiten am Lehrstuhl ist die mathematische Beschreibung der zellulären Biochemie inklusive ihrer Abhängigkeiten vom regulatorischen Netzwerk und Wachstumsmilieu. Ein solches Verständnis der

zellulären Biochemie erlaubt eine wirklich rationale Stammentwicklung mittels Metabolic Engineering, um neuartige GanzzellBiokatalysatoren für die Anwendungen in der chemischen und pharmazeutischen Industrie bereitzustellen. Dabei wird ein Ingenieursansatz aus Analyse, Design und Synthese angewendet (siehe Abbildung): I. quantitative Charakterisierung des mikrobiellen Metabolismus (Analyse), II. Erstellung von mathematischen Modellen für die prädiktive Stammkonstruktion (Design), III. Konstruktion von mikrobiellen Zellfabriken (Synthese). Die Lehre und Forschung am Lehrstuhl wird durch vier Wissenschaftler betreut. Herr Dr. Martin Zimmermann beschäftigt sich mit Fragestellungen der Angewandten Mikrobiologie. Frau Dr. Birgitta Ebert ist im Bereich der Analyse und des Designs von Mikroben tätig. Herr Dr. Nick Wierckx arbeitet an der Synthese von neuartigen Funktionen von Mikroorganismen. Herr Dr. Lars Küpfer forscht auf dem Gebiet „Computational Biology“.

Gezielte Konstruktion und Synthese von Hochleistungsmikroben mittels „Metabolic Engineering“. Vickers, Blank, und Krömer, Nature Chem. Biol., Grand Challenge, 2010 6:875

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Biologie IV

Lehr- und Forschungsgebiet Mikrobielle Genetik Brandpilze sind Schädlinge wichtiger Getreidepflanzen wie Mais, Gerste, Weizen, Hafer und Hirse. Sie können zu hohen Ernteverlusten führen. In der Regel werden die Pflanzen kurz nach der Keimung des Saatgutes durch den Pilz infiziert, dessen Sporen im Boden überdauern. Tückischerweise lebt der Pilz zunächst endophytisch und breitet sich in der Pflanze aus, ohne Symptome zu erzeugen. Erst bei der Blütenbildung zeigt sich das Ausmaß der Infektion: Komplette Blütenstände werden ganz oder teilweise durch Pilzsporen ersetzt, und anstelle von essbarem und keimfähigem Saatgut bildet sich eine dunkelbraune bis schwarze Masse, der die Brandpilze ihren Namen verdanken. Wir untersuchen den Brandpilz Sporisorium reilianum, den Erreger des Kopfbran-

des von Mais und Hirse. Dieser Pilz existiert in zwei Varietäten, die Sporen entweder nur auf Mais oder nur auf Hirse bilden können. Wir wollen die molekularen Grundlagen der Wirtsspezifität ergründen und verstehen, wie die Pilze ihre Wirtspflanze erkennen, wie sie pflanzliche Abwehrsysteme in Schach halten, wie sie sich vor Erkennung durch die Pflanze schützen, wie sie sich in der Pflanze ernähren, wie sie mit der Pflanze kommunizieren und wie sie unterschiedliche Pflanzengewebe

Sporisorium reilianum verändert die Blütenmor-

phologie der Maispflanze. A Gesunder männlicher Blütenstand. B Männlicher Blütenstand einer S. reilianum infizierten Pflanze mit Phyllodie.

wahrnehmen können. Dazu verwenden wir moderne genetische, molekulare, bioinformatische, mikroskopische, analytische und biochemische Methoden. Die meisten Brandpilze kommen nur auf einer Wirtspflanzenart vor und die meisten Wirtspflanzenarten werden nur von einer Brandpilzart befallen. Eine Ausnahme ist Mais, der sowohl von S. reilianum als auch von Ustilago maydis befallen wird. Diese Pilze sind nahe miteinander verwandt, verursachen aber unterschiedliche Symptome auf ihrem Wirt. U. maydis verursacht Tumorbildung in der Nähe der Infektionsstelle, während S. reilianum neben Sporen in den Blütenständen auch die Morphogenese der Maispflanze beeinflusst. Wir wollen die molekularen Grundlagen der Symptomausprägung verstehen und erklären, wie der Pilz in das Entwicklungsprogramm der Pflanze eingreift, um sich günstigere Wachstumsbedingungen zu schaffen. Diese Fragen sind komplex und ihre Beantwortung bedingt ein gutes Verständnis nicht nur des Pilzes sondern auch der Wirtspflanze. Daher untersuchen wir auch den Einfluss der Pilze auf die Genregulation und die Entwicklung der Wirtspflanze.

Prof. Dr. J. Schirawski Raum 42D 150 +49 (0)241 80 26616 [email protected]

Angewandte Mikrobiologie

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Juniorprofessur Mikrobiologie definierter Mischkulturen Bioelektrochemische Systeme (BES) erwecken großes Interesse als innovative biotechnologische Prozesse für die nachhaltige Erzeugung von elektrischer Energie, von chemischen Produkten, für die CO2Fixierung, als Biosensoren, zur Entsalzung und bei der Umwandlung von schwerabbaubaren Chemikalien.

Prof. Dr. M. Agler-Rosenbaum Raum 42D 150 +49 (0)241 80 26617 [email protected]

BES ermöglichen die Erzeugung von elektrischem Strom aufgrund mikrobieller Atmungsaktivität mit einer Anode. Dabei dient die Anode dem mikrobiellen Stoffwechsel als Elektronenakzeptor analog zur menschlichen Atmung mit Sauerstoff. Spezielle Proteine in der Zellwand von Bakterien ermöglichen ihnen Elektronen nach außen an die Anode abzugeben. Nährstoffe, wie z. B. organische Verbindungen aus Abwasser, dienen als Quelle für die Elektronen, was den Einsatz von BES attraktiv für die Abwasserbehandlung macht. Die erzeugten Elektronen wandern durch einen externen Stromkreis zu einer Kathode, wo sie über chemische oder mikrobielle Katalysatoren auf finale Elektronenakzeptoren (z. B. Sauerstoff) übertragen werden. Wenn dabei netto elektrische Energie erzeugt wird, spricht man von einer mikrobiellen Brennstoffzelle. Mit einem geringen zusätzlichen Energieauf-

Bild und Schema eines Bioelektrochemischen Systems. Mikroorganismen generieren einen elektrischen Strom an einer Anode, oder nutzen kathodische Elektronen für biochemische Prozesse.

wand, können Mikroorganismen an der Kathode auch spezifische chemische Reduktionen durchführen (z.B. Kohlendioxid zu Acetat) – hierbei spricht man dann von mikrobieller Elektrosynthese. Die potentiellen Einsatzmöglichkeiten beider Prozesse sind sehr vielfältig. Im letzten Jahrzehnt wurden bezüglich des BES-Designs und der Materialentwicklung, sowie im Verständnis der mikrobiologischen Prozesse große Fortschritte gemacht, aber es wurden auch die bestehenden Herausforderungen für den erfolgreichen Einsatz von BES in diversen umwelt- und biotechnologischen Bereichen aufgezeigt. Zum einen ist ein tieferes Verständnis der mikrobiologischen Vorgänge nötig, besonders in kathodischen Prozessen und im Zusammenspiel unterschiedlicher Mikroben in Mischkulturen und Biofilmen. Nur wenn bekannt ist, wie einzelne Mikroben „funktionieren“ und wie sie in Gemeinschaft interagieren, kann ihre Funktionalität kontrolliert werden („Community Steering“). Hierzu leisten wir wichtige grundlegende Arbeiten hinsichtlich der Entwicklung und Untersuchung neuer Biokatalysatoren für die mikrobielle Elektrosynthese an Kathoden. Außerdem untersuchen wir definierte Mischkulturen

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Biologie IV aus zwei oder drei Mikroorganismen bezüglich ihrer metabolischen Prozesse und ihr er Interaktion unter ei nander (mikrobielle Kommunikation). Rundherum ist wissenschaftliches Arbeiten im Bereich der bioelektrochemischen Sys-

teme sehr interdisziplinär – Verständnis in Mikrobiologie, Physiologie, Elektrochemie, Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Materialwissenschaften muss zusammenwirken, um ein erfolgreiches System zu etablieren.

Arbeitsgruppe Glutathionmetabolismus

Yeast Surface Display: Hefen können gentechnisch so verändert werden, dass sie auf der Oberfläche neue Proteine tragen. So können zum Beispiel Cellulasen, Pektinasen oder Xylanasen auf die Oberfläche gebracht werden, so dass die Hefen dann diese Polysaccharide abbauen können. Wir verfolgen damit das Ziel, Biomasse gezielt abbauen zu können, um die Abbauprodukte dann weiter zu nutzen. Glutathion ist ein Tripeptid, welches bei aeroben Organismen wichtige Funktionen unter anderem in der Stressabwehr erfüllt. Das Tripeptid wird enzymatisch synthetisiert, wir bearbeiten die entsprechenden Enzyme aus Hefen. Wir möchten die Bio-

synthese von Glutathion und Glutathionanaloga besser verstehen und Stämme erhalten, die Glutathion beziehungsweise dessen Analoga überproduzieren. Die Auswirkung von Glutathion und dessen Mangel auf die Schwermetallresistenz bei Hefen wird ebenfalls untersucht.

Dr. M. Zimmermann, AOR Raum 42A 122 +49 (0)241 80 26607 [email protected]

Angewandte Mikrobiologie

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Literatur I. II. III.

IV. V. VI. VII.

Biotechnologie von Morgen, Thesenpapier, DECHEMA, 2011, www.dechema.de/ biotech_media/Downloads/Biotech_von_morgen_ZF_2011.pdf Thesenpapier zum Status der Synthetischen Biologie in Deutschland, DECHEMA, 2011, www.dechema.de/biotech_media/Downloads /Synth_Bio_2011_NEU_3.pdf Angewandte Genomforschung 10.12.2010 Maisschädlingen auf der Spur, www.wissenschaft-aktuell.de/artikel/ Angewandte_Genomforschung_Maisschaedlingen_auf_der_Spur1771015587278.html BIOspektrum 6/04 Seiten 730-733 Der Maisbeulenbrand: Ein Modell für phytopathogene Pilze, www.biospektrum.de/blatt/d_bs_pdf&_id=934405 Mikrobielle Brennstoffzellen auf Biotechnologie.de – die Informationsplattform des BMBF: www.biotechnologie.de/BIO/Navigation/DE/root,did=121848.html Alles rund um BES – Informationen, Anleitungen, Literatur und mehr: www.microbialfuelcell.org Produktentwicklung für die Bioökonomie: http://www.systembiologie.de/fileadmin/ media/magazine/systembiologie_magazin_ausgabe05.pdf

Lehre (Angaben sind evtl. nicht auf dem neuesten Stand, aktuelle Angaben entnehmen Sie bitte Campus.) Bachelor Studiengang Biologie

Modul Mikrobiologie und Biotechnologie  Vorlesung Einführung in die Mikrobiologie  Praktikum Mikrobiologisches Grundpraktikum Modul Mikrobiologie und Genetik  Vorlesung Molekulare Mikrobiologie  Blockpraktikum Allgemeine Mikrobiologie

Blank, Zimmermann

Bachelor Studiengang Modul Grundlagen der Biologie und Biotechnologie Molekulare und Angewandte  Vorlesung Einführung in die Mikrobiologie Biotechnologie Modul Mikrobiologie und Genetik  Vorlesung Physiologie der Mikroorganismen  Praktikum Mikrobiologisches Grundpraktikum

Blank, Zimmermann

Bachelor Lehramt Biologie

Blank, Zimmermann

Master Studiengang Biologie

Modul Angewandte Biologie  Vorlesung Einführung in die Mikrobiologie  Praktikum Mikrobiologisches Grundpraktikum Modul Mikrobiologie  Praktikum der Biologie für Lehramtsstudierende Teil Mikrobiologie Zusatzmodul Mikrobiologie und Genetik 1 Zusatzmodul Mikrobiologie und Genetik 2 Vertiefungsrichtung Mikrobiologie und Genetik Modul Genetik der Prokaryoten 1  Seminar Genetisches Seminar Modul Genetik der Prokaryoten 2  Blockpraktikum Mikrobengenetik Modul Methoden der Genetischen Analyse  Vorlesung Methoden der Genetischen Analyse  Seminar Methoden der Genetischen Analyse Modul Theorie der Physiologie der Mikroorganismen  Vorlesung Physiologie der Mikroorganismen  Seminar Mikrobiologisches Seminar Modul Praxis der Physiologie der Mikroorganismen  Praktikum der Physiologie der Mikroorganismen

Blank, Zimmermann

Blank, Zimmermann

Blank, Zimmermann

Schirawski Schirawski Schirawski

Blank, Zimmermann

Blank, Zimmermann

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Biologie IV Master Studiengang Biologie

Modul Spezielle Angewandte Mikrobiologie  Vorlesung Grundlagen und Anwendungen bioelektrochemischer Systeme  Seminar Kritische Auseinandersetzung mit wissenschaftlicher Originalliteratur der angewandten Mikrobiologie  Vorlesung Umweltmikrobiologie Modul Industrielle Mikrobiologie  Vorlesung Einführung in die Lebensmittelmikrobiologie  Vorlesung Industrielle Mikrobiologie Modul Quantitative Mikrobiologie  Vorlesung Quantitative Mikrobiologie 1  Vorlesung Quantitative Mikrobiologie 2 Modul Genetik der Pflanzen-Mikroben-Interaktion  Vorlesung Genetik der Pflanzen-Mikroben-Interaktion  Seminar Genetik der Pflanzen-Mikroben-Interaktion

Agler-Rosenbaum

Blank, Zimmermann

Blank, Zimmermann

Schirawski

Master Studiengang Biotechnologie – Molekulare Biotechnologie

Modul Spezielle Angewandte Mikrobiologie Agler-Rosenbaum  Vorlesung Grundlagen und Anwendungen bioelektrochemischer Systeme  Seminar Kritische Auseinandersetzung mit wissenschaftlicher Originalliteratur der angewandten Mikrobiologie  Vorlesung Umweltmikrobiologie Modul Quantitative Mikrobiologie Blank, Zimmermann  Vorlesung Quantitative Mikrobiologie 1  Vorlesung Quantitative Mikrobiologie 2 Modul Molekulare Mikrobiologie Blank, Zimmermann  Vorlesung Molekulare Mikrobiologie  Vorlesung Industrielle Mikrobiologie

Master Studiengang Molekulare und Angewandte Biotechnologie

Säule Weiße Biotechnologie  Praktikum der Physiologie der Mikroorganismen  Blockpraktikum Mikrobengenetik  Vorlesung Grundlagen und Anwendungen bioelektrochemischer Systeme  Seminar Kritische Auseinandersetzung mit wissenschaftlicher Originalliteratur der angewandten Mikrobiologie  Vorlesung Umweltmikrobiologie

Master Studiengang Ökotoxikologie

Modul Theorie der Physiologie der Mikroorganismen  Vorlesung Physiologie der Mikroorganismen  Seminar Mikrobiologisches Seminar Modul Praxis der Physiologie der Mikroorganismen  Praktikum der Physiologie der Mikroorganismen 

Vorlesung Umweltmikrobiologie

Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie

Blank, Zimmermann Schirawski Agler-Rosenbaum Agler-Rosenbaum

Agler-Rosenbaum Blank, Zimmermann

Blank, Zimmermann

Agler-Rosenbaum

Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie (Biologie IV) Worringerweg 1 52074 Aachen

Umweltforschung (Biologie V) Prof. Dr. A. Schäffer und Prof. Dr. H. Hollert

Institutsleiter

Überblick Mit unserer Forschung wollen wir Dynamik und Wirkungen von Stressfaktoren in der Umwelt bewerten und Methoden entwickeln, um Belastungen zu beseitigen oder zu verringern. Das Institut für Umweltforschung forscht und lehrt in den Bereichen Ökochemie, Ökologie und Ökotoxikologie. Dabei werden die folgenden drei Querschnittsthemen bearbeitet:

Sekretariat Worringerweg 1 52074 Aachen

Effekte und Monitoring Anthropogene und natürliche Schadstoffe resultieren oftmals in adversen Effekten auf verschiedenen Skalenebenen – vom Molekül bis hin zum Ökosystem.

Modellierung/Simulation Modellierung und Simulation spielen eine wichtige Rolle im Bemühen struktureller Erforschung ökologischer Systeme und in der Stoffbewertung. Verbleib und Sanierung Die Exposition von Organismen mit umweltrelevanten Chemikalien wird neben den Eigenschaften der Umweltmatrix maßgeblich durch die stofflichen Parameter der Substanzen bestimmt.

Lehrstuhl für Umweltforschung

Tel.: +49 (0)241 80 26678 Fax: +49 (0)241 80 22182 [email protected] www.bio5.rwth-aachen.de Öffnungszeiten: 8:00-12:00 Uhr

Lehr- und Forschungsgebiet Ökosystemanalyse (ESA) Das Lehr- und Forschungsgebiet Ökosystemanalyse wird von Prof. Dr. Henner Hollert geleitet und befasst sich mit der bioanalytischen Untersuchung von chemischen und natürlichen Stressoren in der Umwelt und der Untersuchung ihrer adversen Effekte gegenüber verschiedenen biologischen Stufen des Lebens, vom Mo-

lekül bis zum Ökosystem. Ein Schwerpunkt der Arbeiten ist im Bereich der Wasserforschung angesiedelt: Chemikalien, gelöste und Sediment-gebundene Wassersinhaltsstoffe werden mit zellbasierten Biotests bezüglich ihrer toxischen Effekte bewertet. Neben akuten Biotestverfahren werden auch „Mechanismus-spezifische Testver-

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Biologie V fahren“ angewendet, bei denen subtilere biologische Wirkungen ermittelt werden: In Zellkulturen kann beispielsweise die erbgutverändernde Wirkung, die Dioxinähnliche und auch endokrine Wirkung ermittelt werden. In diesem Kontext werden Biotestverfahren, wie etwa der Fischeitest mit dem Zebrabärbling und Zellkulturverfahren als Alternativmethoden zu Tierversuchen weiter entwickelt. Die Frage nach der ökologischen Relevanz der Laborbefunde für die Situation im Freiland kann mit solchen Biotestverfahren nicht beantwortet werden. Hierzu werden taxonomische Bestandsaufnahmen und auch die Untersuchung bestimmter Biomarker an Fischen aus dem Freiland durchgeführt. Der gemeinsame Einsatz von chemischen Analysen, biologischen Wirkungstests und Freilandstudien wird in der Umweltforschung oft als so genannte „BewertungsTriade“ eingesetzt. Eine große Expertise besitzt die Abteilung auch im Bereich der Effekt-dirigierten Analyse von schädlichen Umweltchemikalien: komplexe Umweltproben werden z.B. mit chromatographischen Auftrennungsmethoden in Teilproben aufgetrennt und im Biotest auf ihre schädliche Wirksamkeit hin untersucht. Nur die toxischen Proben werden mit chemischer Analytik näher

untersucht. Durch diese Vorgehensweise können – Chemie und Biologie arbeiten hier Hand in Hand – die tatsächlich biologisch wirksamen Substanzklassen und Einzelsubstanzen identifiziert werden (z.B. im EU Projekt ITN EDA EMERGE). Im Rahmen des Exzellenzclusters „Tailor-made Fuels from Biomass“ wird die ökotoxikologische Wirkungen von Biofuels untersucht. In Kooperation mit dem Institut für Wasserwirtschaft wurde im Rahmen der DFG Exzellenzinitative ein kombiniertes hydrotoxisches Untersuchungskonzept entwickelt, mit dem Hochwasserfolgenbewertung durchgeführt werden kann. Am LFG Ökosystemanalyse leitet Dr. Thomas-Benjamin Seiler eine Arbeitsgruppe zur Effekt-bezogenen Bioanalytik, in der u. a. Extraktionsmethoden, „Passive Sampling“ und „Passive Dosing“ sowie endokrine Testverfahren für die Trinkwasserbewertung weiterentwickelt werden. Dr. Steffen Keiter leitet eine AG zur molekularen und Mechanismus-spezifischen Umwelttoxikologie und koordiniert das BMBF Verbundprojekt DanTox, in dem ein toxikologisches und molekularbiologisches Bewertungskonzept für Sedimente mit Fischeiern entwickelt wird.

Zellkulturen, die in den 90er Jahren aus der Leber der Regenbogenforelle gewonnen wurden, werden am Institut für Umweltforschung eingesetzt, um beispielsweise die Dioxinähnliche und erbgutverändernde Wirkung von Sedimenten in Wasserinhaltsstoffen mit biochemischen und molekularbiologischen Methoden zu überprüfen. Foto: Peter Winandy

Prof. Dr. H. Hollert Raum 42C 230 +49 (0)241 80 26669 [email protected]

Umweltforschung

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Lehrstuhl Umweltbiologie- und chemodynamik (UBC)

Prof. Dr. A. Schäffer Raum 42C 250 +49 (0)241 80 26678 [email protected] -aachen.de

Der Lehrstuhl Umweltbiologie und -chemodynamik (UBC) wird von Prof. Andreas Schäffer geleitet. Am Lehrstuhl wird das Schicksal umweltrelevanter Fremdstoffe in Böden, Gewässern, Sedimenten und Pflanzen und ihre Einflüsse auf aquatische und terrestrische Lebensgemeinschaften im Labor-, Modellökosystem- und Feld-Maßstab erforscht. Zusätzlich simulieren wir ökologische und ökotoxikologische Befunde durch Anwendung und Entwicklung geeigneter mathematischer Modelle, um prospektiv das mögliche Risiko unter verschiedenen Szenarien zu bewerten. Schwerpunkte der ökochemischen Forschung liegen auf der Untersuchung des Metabolismus, des Verbleibs und der Effekte der Umweltfremdstoffe auf Boden- und Wasserorganismen. Hierzu setzen wir ein breites Spektrum an chemisch-analytischen, radioanalytischen und ökotoxikologischen Messmethoden ein. Mit der Aufklärung der Strukturen und Bindungen von „nicht-extrahierbaren Rückständen“ , die sich einer „normalen“ Analytik entziehen, versuchen wir, deren Umweltrelevanz zu klären. Schadstoffbelastete Böden und Gewässer können durch Einsatz von Pflanzen dekontaminiert werden: im Rahmen von Phytoremediationsprojekten untersuchen wir die Sensitivität der Pflanzen gegen Chemikalien, die Aufnahmekinetik, den pflanzlichen Metabolismus und den Verbleib der Rückstände im Pflanzengewebe.

Dr. Thomas Preuß leitet die AG Mechanistische Stressökologie, in der die Modellierung von ökotoxikologischen Effekten im Vordergrund steht. In einer iterativen Vorgehensweise zwischen experimentellen Versuchen und computerbasierten Simulationen werden Modelle für verschiedene Arten (Daphnien u. a.) entwickelt, Hypothesen getestet und Vorhersagen gerechnet. Dr. Richard Ottermanns leitet die AG Quantitative Ökologie und entwickelt mathematisch-statistische Methoden zur multivariaten Modellierung, Kausalanalyse und ökologischen Mustererkennung. Die Integration von empirischen Beobachtungsdaten und theoretischen Modellen ermöglicht die Generierung und Testung multifaktorieller Hypothesen in Ökologie und Ökotoxikologie. Der systemorientierte Ansatz dient der Aufklärung von Strukturen, Prozessen und Dynamiken in komplexen Interaktionsnetzwerken aus Lebensgemeinschaften und Umweltfaktoren (Biodiversität, Stabilität in Ökosystemen, Selbst-Organisationsprozesse in Lebensgemeinschaften, Bereitstellung von Ökosystemfunktionen, Störgrößen für Struktur und Dynamik nicht-linearer ökologischer Netzwerke). Dr. Hanna Maes leitet eine AG zur Umweltrisikobewertung synthetischer Nanomaterialien, deren Produktionsmengen stark steigen, da sie für viele Produkte und technische Anwendungen vielversprechende Eigenschaften haben. Forschungsthemen: (1) Adaption ökochemischer und ökotoxikologischer Testverfahren von Chemikalien für Nano-Feststoffe; (2) Verbleib, Ökotoxizität, Bioverfügbarkeit, Bioakkumulation der Materialien in aquatischer und terrestrischer Umwelt; auf zellulärer und organismischer Ebene; (3) Einfluss von Nanomaterialien auf die Bioverfügbarkeit löslicher Schadstoffe.

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Biologie V

Arbeitsgruppe Ökologie und Ökotoxikologie Martina Roß-Nickoll leitet eine AG zur Ökologie und Ökotoxikologie von Lebensgemeinschaften. Ein Schwerpunkt der Arbeiten liegt in der qualitativen Bewertung von Lebensgemeinschaften durch strukturelle Merkmale der Biozönosen und deren Beziehung zu Standort typischen Umweltparametern, zu denen auch Pestizide und Chemikalien gerechnet werden. Auf dieser Basis werden sowohl komplexe Modellsysteme, z. B. terrestrische Modellökosysteme entwickelt, als auch Monitoring-Studien zur Bewertung von Nutzungseinflüssen auf die Biodiversität in der Landschaft durchgeführt. Es werden Freilandstudien durchgeführt, die taxonomische Expertise zu Vegetation, Carabiden, Araneaen oder bestimmten Bodenarthropodengruppen erfordern.

In der AG wird dabei besonderer Wert auf die Kombination von qualitativökologischen mit multivariant-statistischen Methoden gelegt. Der Frage der Eignung und Entwicklung dieser Methoden im Hinblick auf Risiko-Bewertung und Monitoring kommt besondere Bedeutung zu. Im Bereich der Risiko-Bewertung von gentechnisch veränderten Organismen und Pestiziden in der Landschaft lag in den letzten Jahren ein Schwerpunkt auf dem Kompartiment Boden und der standorttypischen endogäischen Fauna. Vor dem Hintergrund des Konzeptes ökosystemarer Dienstleistungen und deren Korrelation zur Biodiversität werden außerdem in Sukzessionsuntersuchungen Studien zur nachhaltigen Waldnutzung durchgeführt.

Dr. M. Roß-Nickoll Raum 42C 252 +49 (0)241 80 23578 [email protected]

Arbeitsgruppe Ökochemie Organische Fremd-/Schadstoffe (Xenobiotika, z. B. Pestizide), die in die Umwelt gelangen, werden in Organismen (Pflanzen, Tieren, Mikroorganismen) in Abhängigkeit von ihrer chemischen Struktur in unterschiedlicher Weise mit unterschiedlicher Geschwindigkeit abgebaut (metabolisiert). Darüberhinaus ist der Metabolismus bei Herbiziden, Insektiziden und Fungiziden ein Hauptfaktor für die Selektivität der Substanzen und für das Phänomen der Resistenzentwicklung. Ziel meiner AG ist es, den Metabolismus ausgewählter Xenobiotika in chemischer (welche Abbauprodukte/Metaboliten entstehen?), in biochemischer (welche Enzyme sind verantwortlich?) und in geneti-

scher Hinsicht (wird z. B. die Expression durch bestimmte Substanzen induziert?) zu studieren. Von besonderem Interesse sind dabei die Superfamilie der Cytochrom P450-Monooxygenasen und die der Glutathion S-Transferasen, die in nahezu allen Organismen bedeutende Rollen beim Xenobiotika-Metabolismus spielen. Neben typischen biologischen Methoden spielt die chemische Analytik (Dünnschicht -, Hochdruck-Flüssig- und Gaschromatographie) eine große Rolle bei unserer Forschung. Überwiegend werden die Experimente mit 14C-radioaktiv markierten Chemikalien durchgeführt.

Dr. B. Schmidt Raum 42D 310 +49 (0)241 80 23686 [email protected]

Umweltforschung

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Forschungsinstitut für Ökosystemanalyse und -Bewertung e. V.

Vorstandsvorsitzender: Prof. Dr. A. Schäffer Geschäftsführung: Dr. Monika Hammers-Wirtz Kackertstr. 10 52072 Aachen [email protected] www.gaiac.rwth-aachen.de

Ökotoxikologie

Das Forschungsinstitut gaiac wurde im Jahr 2003 als Ausgründung des Instituts für Umweltforschung (Biologie V) in Form eines Aninstitutes an der RWTH Aachen gegründet. gaiac wird bisher in der Rechtsform eines eingetragenen Vereins geführt. Dem Verein gehören zurzeit neben dem Vorstand, der vom Institut für Umweltforschung gestellt wird (Vorsitzender Prof. Dr. Andreas Schäffer, Stellvertreterin Dr. Martina Roß-Nickoll, sowie Prof. Dr. Henner Hollert) zwölf weitere Mitglieder an. Die Forschungstätigkeit des Instituts wird von einem Forschungsbeirat aus Fachleuten von Universitäten, Behörden und Industrieunternehmen überwacht. gaiac arbeitet in enger Kooperation mit dem Institut für Umweltforschung (Biologie V) der RWTH Aachen und bringt sein Know-how in verschiedene Lehrveranstaltungen an der RWTH Aachen ein. Das Team besteht derzeit aus elf wissenschaftlichen Mitarbeitern und zwei nicht-wissenschaftlichen Mitarbeitern. Zusätzlich beschäftigt das Institut studentische und wissenschaftliche Hilfskräfte, die in angewandten Projekten mitarbeiten.

Aquat. Ökologie

gaiac führt praxisorientierte Forschung und Dienstleistung in den Bereichen Ökotoxikologie und Ökologie zusammen mit zahlreichen Partnern innerhalb und außerhalb der Hochschule durch. Forschungsschwerpunkte sind die Analyse und Bewertung von aquatischen und terrestrischen Ökosystemen sowie deren Veränderung durch anthropogene Einflüsse. Die Forschung umfasst sowohl experimentelle Laboruntersuchungen und Studien unter Freilandbedingungen als auch die Entwicklung von mathematischen Modellen für ökologische Prozesse und die statistische Analyse komplexer Datensätze. Darüber hinaus versteht sich gaiac als Dienstleister für Behörden, Industrieunternehmen, Wasserverbände und Planungs­ büros. Arbeitsgruppen Dr. Monika Hammers-Wirtz: Ökotoxikologie, Ökotoxikologische Risikobewertung, aquatische Mikro- und Mesokosmosstudien, terrestrische Modellökosysteme (TME), Einzelarttests, Statistische Auswertung

Terr. Ökologie

Kompetenzen in Ökotoxikologie Aquatischer Ökologie Terrestrischer Ökologie Modellierung Statistischer Auswertung

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Biologie V Dr. Tido Strauß, Silke Claßen: Aquatische Ökologie, Ökotoxikologie und Modellierung, Fließgewässerökologie, Ökotoxikologische Risikobewertung, aquatische Mikro- und Mesokosmen, limnologische Fachgutachten, Gewässermanagement, Planktonökologie, ökologische Modellierung, limnologische Fachgutachten, ökotoxikologische Risikobewertung, aquatische Mesokosmosstudien, Taxonomie aquatischer Makroinvertebraten

restrische Modellökosysteme (TME), Bodenökologie, terrestrische Fachgutachten, Datenbanken, GIS, Taxonomie von Bodenarthropoden, Mesofauna und Avifauna.

Dr. Gottfried Lennartz, Dr. Andreas Toschki: Terrestrische Ökologie und Ökotoxikologie, Ökologische Fachgutachten, Landschaftsmanagement, Halden- und Altlastensanierung, Landschaftsmodellierung, GIS, Vegetationskunde, Biozönologie, Ter-

Aquatische und Terrestrische Ökologie

Die Kernkompetenzen liegen in folgenden Themenbereichen: Ökotoxikologie Modellierung

Umweltforschung

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Literatur I.

II. III.

IV.

Bluhm, K., Heger, S., Seiler, T.-B., Hallare, A.V., Schäffer, A. and Hollert. H. (2012) Toxicological and ecotoxicological potencies of biofuels used for the transport sector – a literature review. Energy & Environmental Science, DOI: 10.1039/c2ee03033k. Hollert, H., Ratte, T. und Schäffer, A. (2009) Wasser - alles klar. In: Wasser und Leben. RWTH Themen-Heft. Ausgabe 1/2009, ISSN 0179-079X, S. 40-44. Scholz-Starke, B., Heimbach, F., Keppler, J., Lechelt-Kunze, C., Leicher, T., Nikolakis, A., Ratte, T., Schäffer, A., Theißen, B., Toschki, A. and Roß-Nickoll, M. (2011) Outdoor Terrestrial Model Ecosystems are suitable to detect pesticide effects on soil fauna - Design and method development. Ecotoxicology 20: 1932-1948. Junge, T., Meyer, K.C., Ciecielski, K., Adams, A., Schäffer, A. and Schmidt, B. (2011) Characterization of non-extractable 14C- and 13C-sulfadiazine residues in soil including simultaneous amendment of pig manure. J. Environ. Sci. Health B 46: 137-149

Lehre (Angaben sind evtl. nicht auf dem neuesten Stand, aktuelle Angaben entnehmen Sie bitte Campus.) Bachelor Studiengang Biologie

Master Studiengang Ökotoxikologie

Modul Einführung in die Ökologie  Vorlesung Einführung in die Ökologie  Übung Zoologische und Botanische Bestimmungsübung Modul Quantitative Bioogie und Computeranwendungen  Vorlesung Quantitative Biologie  Übung Quantitative Biologie Vertiefungsmodul Umweltwissenschaften  Vorlesung Einführung in die Ökotoxikologie und Ökochemie  Seminar zum Vertiefungsmodul Umweltwissenschaften Modul Ökologie terrestrischer Systeme  Vorlesung Ökologie terrestrischer Systeme  

Seminar Ökologie terrestrischer Systeme Praktikum Ökologie terrestrischer Systeme

Hollert, Roß-Nickoll, Zielke (Jahnke, Magin) Ottermanns, Schäffer

Schäffer, Hollert, Roß-Nickoll, Preuß, Seiler, Schmidt

Schäffer, Roß-Nickoll, Ottermanns, Lennartz, Toschki Roß-Nickoll, Hollert, Ottermanns Schäffer, Roß-Nickoll

Modul Ökologie limnischer Systeme  Vorlesung Ökologie limnischer Systeme  Seminar Ökologie limnischer Systeme  Praktikum Ökologie limnischer Systeme

Hollert, Strauß, Claßen Hollert, Roß-Nickoll Hollert, Strauß, Claßen

Modul Umweltanalytik von Schadstoffen  Vorlesung Umweltanalytik von Schadstoffen  Seminar Umweltanalytik von Schadstoffen  Praktikum Umweltanalytik von Schadstoffen

Schäffer, Schmidt, Klumpp Schäffer, Schmidt , Klumpp Schäffer, Schmidt

Modul Umweltchemie von Schadstoffen  Vorlesung Umweltchemie von Schadstoffen  Seminar Umweltchemie von Schadstoffen

Schäffer, Schmidt, Klumpp Schäffer, Schmidt

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Biologie V

Master Studiengang Ökotoxikologie

 Praktikum Umweltchemie von Schadstoffen Modul Konzepte der Ökotoxikologie  Vorlesung Konzepte der Ökotoxikologie 

Seminar Konzepte der Ökotoxikologie

Modul Praxis der Ökotoxikologie  Praktikum Praxis der Ökotoxikologie Modul Statistische und mechanistische Modellierung in der Ökotoxikologie  Vorlesung Einführung in die Methoden der statistischen und mechanistischen Modellierung in der Ökotoxikologie  Praktikum Modellierung in der Ökotoxikologie Modul Statistik der Ökotoxikologie  Vorlesung Statistische Methoden in der Ökotoxikologie  Übung Statistik in der Ökotoxikologie Modul Regulatorische Ökotoxikologie  Vorlesung Regulatorik für Ökotoxikologen  Seminar Risikobewertung und Risikomanagement von Stoffen

Schäffer, Schmidt Hollert, Roß-Nickoll, HammersWirtz, Preuß, (Brack, Hommen) Hollert, Schäffer, Roß-Nickoll, Preuß, Seiler, Keiter Hollert, Preuß, Seiler, Keiter

Schäffer, Preuß, Ottermanns, Siehoff, Strauß

Schäffer, Ottermanns Schäffer, Ottermanns, Siehoff, Maes Hollert, Roß-Nickoll, Seiler (Eisenträger)

Modul Modellierung des Verhaltens und der Ausbreitung von Schäffer, Preuß chemischen Stoffen in der Umwelt  Vorlesung Einführung in die Modellierung des Verhaltens und der Ausbreitung von chemischen Stoffen in der Umwelt  Praktikum zur Mathematischen Fate Modellierung Master Studiengang Biologie

Vertiefungsrichtung Umweltwissenschaften Modul Konzepte der Ökotoxikologie  Vorlesung Ökotoxikologische und ökochemische Grundlagen der Umweltrisikoanalyse  Seminar Ökotoxikologie

Modul Ökologie terrestrischer Systeme  Vorlesung Ökologie terrestrischer Systeme 

Seminar Ökologie terrestrischer Systeme

Hollert, Roß-Nickoll, HammersWirtz, Preuß, Seiler, Keiter, (Brack, Hommen) Hollert, Schäffer, Roß-Nickoll, Preuß, Seiler, Keiter

Schäffer, Roß-Nickoll, Ottermanns, Lennartz, Toschki Roß-Nickoll, Ottermanns, H. Hollert,

Umweltforschung

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Master Studiengang Biologie

 Praktikum Ökologie terrestrischer Systeme Modul Ökologie limnischer Systeme  Vorlesung Ökologie limnischer Systeme  Seminar Ökologie limnischer Systeme  Praktikum Ökologie limnischer Systeme Modul Statistische und mechanistische Modellierung in der Ökotoxikologie  Vorlesung Einführung in die Methoden der statistischen und mechanistischen Modellierung in der Ökotoxikologie  Praktikum Modellierung in der Ökotoxikologie Modul Umweltanalytik von Schadstoffen  Vorlesung Umweltanalytik von Schadstoffen  Seminar Umweltanalytik von Schadstoffen  Praktikum Umweltanalytik von Schadstoffen Modul Umweltchemie von Schadstoffen  Vorlesung Umweltchemie von Schadstoffen  Seminar Umweltchemie von Schadstoffen  Praktikum Umweltchemie von Schadstoffen

Lehramt Biologie

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Sonstiges

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Schäffer, Roß-Nickoll Hollert, Strauß, Claßen Hollert, Roß-Nickoll Hollert, Strauß, Claßen, Zielke

Schäffer, Preuß, Ottermanns, Siehoff, Strauß Schäffer, Preuß, Ottermanns, Siehoff, Strauß Schäffer, Schmidt, Klumpp

Schäffer, Schmidt Schäffer, Schmidt, Klumpp

Vorlesung Einführung in die Ökologie Übung Zoologische und Botanische Bestimmungsübung Praktikum der Biologie für Lehramtsstudierende, Gebiet: Ökologie Vorlesung Einführung in die Ökotoxikologie und Ökochemie Praktikum Methoden der Bodenökologie, Ökotoxikologie und Ökochemie

Hollert, Roß-Nickoll (Magin, Jahnke, Zielke)

Skill course „Students going scientific“ Seminar und Vorlesung Schadstoffe in Sedimenten Skill course FILM - Experimente in bewegten Bildern und Medienschulung Seminar zur Ökologie (Natur– und Umweltschutz) Vorlesung Aquatische Chemie Vorlesung Nanopartikel

Hollert, Seiler, Bartsch Hollert, Brack Hollert, Zielke

Hollert, Schäffer, Seiler, Keiter, Schmidt Schäffer, Hollert, Roß-Nickoll, Preuß, Seiler, Schmidt

Hollert, Roß-Nickoll Klumpp Klumpp

Lehrstuhl für Umweltbiologie und – chemodynamik (Biologie V) Worringerweg 1 52074 Aachen

Lehrstuhl für Umweltforschung

Biotechnologie (Biologie VI) Prof. Dr. U. Schwaneberg

Institutsleiter

Überblick Knapp 8 % aller weltweit hergestellten Chemikalien (Umsatz: ~160 Mrd. €, 2011) werden auf biotechnologischem Wege mittels Enzymen hergestellt. Die Produktionsbedingungen in Fermentern unterscheiden sich sehr stark von den natürlichen Umgebungsbedingungen von Enzymen in lebenden Organismen. Daher müssen Enzyme häufig für Ihre Anwendung im Großmaßstab in Ihrer Leistung in Fermentern angepasst werden.

Mittels Methoden des rationalen und evolutiven Proteindesign lassen sich Enzyme für Anwendungen in der Medizin, Chemie, Textil-, Kosmetik- und Lebensmittelindustrie maßschneidern. Am Institut für Biotechnologie werden Studierende und Mitarbeiter in die Grundlagen der Biotechnologie ( S t o f f p r o d uk t io n , OmicsTechnologien) eingeführt und im Design von Proteinen und biologischen Systemen ausgebildet.

Lehrstuhl für Biotechnologie

Sekretariat Worringerweg 1 52074 Aachen Tel.: +49 (0)241 80 24176 Fax: +49 (0)241 80 22387 [email protected] www.biotec.rwth-aachen.de Öffnungszeiten: 9:00-11:30 Uhr

Lehrstuhl Biotechnologie Die Forschungsvision des Lehrstuhl für Biotechnologie ist die Anwendung und Weiterentwicklung der Methoden des evolutiven Proteindesigns, um meist unverstandene, fundamentale ProteindesignPrinzipien aufzufinden. Ein Verständnis der Struktur-Funktionbeziehungen von Proteinen ermöglicht die Erforschung des Proteinsequenzraums und die Definition neu-

er interdisziplinärer Wissensgebiete. So wird das neue Wissenschaftsgebiet „schaltbare Biointeraktive Materialen“ im DWI („Deutsches Wollforschungsinstitut“) in Zusammenarbeit mit Polymer- und Membranchemikern erforscht. Am Lehrstuhl werden zudem neu entwickelte Methoden und Produkte durch Ausgründungen einer industriellen Verwertung zuge-

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Biotechnologie führt (z. B. SeSaM-Biotech und geplante Neugründung in 2012). Aufgrund der entwickelten Methoden ist die AG Schwaneberg im Bereich des Protein Engineerings ein bevorzugter Kooperationspartner für Firmen wie BASF, Biolog, BRAIN, DSM, evocatal, Evonik, Henkel und Roche. In 2011 und 2012 wurden insgesamt 36 Publikationen und fünf Patente erarbeitet bei einer Drittmittelakquise von 2.6 Mio€ in 2012.

Prof. Dr. U. Schwaneberg Raum 42C 150 +49 (0)241 80 24170 [email protected]

Im Folgenden werden die methodischen und technologischen Entwicklungen in den Untergruppen des Lehrstuhls für Biotechnologie vorgestellt. Die Schlüsselmethoden der von Dr. A. Ruff geleiteten „Molecular Biology“ AG liegen im Bereich der Zufallsmutagenese, fokussierten Mutagenese, Genrekombination und Klonierungstechnologien. Highlights der beiden letzten Jahre sind Fortschritte in der Vielfaltsgenerierung der kommerzialisierten SeSaM-Zufallsmutagenesemethoden und strukturellen statistischen Untersuchungsalgorithmen (MAP). Mit der OmniChange-Technologie wurde eine Methode entwickelt und patentiert, die es erlaubt 3,2 Millionen Varianten an fünf rational ausgewählten Aminosäurepositionen zu generieren. Ein weiteres Highlight ist die PTRec-Rekombinationstechnologie, mit der erstmals mehr als zwei Proteine mit geringer Sequenzidentität (