=== Deutsche Version siehe unten ===

About Us: The BIOSCALE group is situated within the Chemical Engineering (CIW) Faculty of the KIT. Our goal is to tackle challenges in bioprocess development with a novel and interdisciplinary approach involving bioprocess engineering, molecular biotechnology and data science. Our team envisions a biologically driven bioprocess development while applying cutting edge next generation sequencing technology and pioneering a harmonization of the molecular and technical nature of biotechnological processes.

Project: Microbial cells continuously adapt their gene expression in response to changing environmental and process conditions. When comparing two or more conditions using transcriptomic analyses, most studies focus on identifying differentially expressed genes (DEGs). While these statistical approaches reveal significant changes in gene expression, they do not directly account for the biological costs associated with these changes. In this project, we want to introduce an additional perspective: How much energy does a microbial cell invest in adapting its gene expression? For example, a small change in the expression of a very large protein might require more cellular resources than a large change in a small protein. To investigate this, we aim to estimate the bioenergetic costs associated with changes in gene expression, considering nucleotide and amino acid biosynthesis as well as the transcription and translation processes themselves, expressed in ATP equivalents. As a model organism, we work with Corynebacterium glutamicum, a well-established industrial workhorse widely used for the production of amino acids and other biotechnologically relevant compounds. Using existing transcriptomic datasets, we aim to explore whether the genes showing the strongest changes in expression are also those associated with the highest energetic costs, providing a new perspective on how microbial cells allocate their resources.

Your tasks:

• Literature research on the bioenergetic costs of gene expression in microorganisms
• Development of a computational approach to estimate the energetic costs of transcription and translation
• Comparison of conventional differential gene expression analyses with the estimated energetic costs
• Visualization and biological interpretation of the results

Your qualification:

• Background in bioinformatics, biology, biotechnology, bioengineering or similar
• Interest in microbial physiology, metabolism, and working with biological datasets
• Programming experience in R and/or Python are desirable but not mandatory
• Strong analytical thinking and interest in understanding biological mechanisms underlying transcriptional responses

Contact:

Nele Grünig

nele gruenig ∂does-not-exist.kit edu

Die Energiekosten der Genexpression: Wie Mikroorganismen ihre Ressourcen einsetzen

Über uns: Die BIOSCALE-Gruppe ist an der Fakultät für Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik (CIW) des KIT angesiedelt. Unser Ziel ist es, Herausforderungen in der Bioprozessentwicklung mit einem neuartigen und interdisziplinären Ansatz zu adressieren, der Bioverfahrenstechnik, molekulare Biotechnologie und Data Science miteinander verbindet. Unser Team verfolgt die Vision einer biologisch getriebenen Bioprozessentwicklung und setzt dabei modernste Next-Generation-Sequencing-Technologien ein, um die molekulare und technische Ebene biotechnologischer Prozesse stärker miteinander zu verknüpfen.

Projekt: Mikrobielle Zellen passen ihre Genexpression kontinuierlich an sich verändernde Umwelt- und Prozessbedingungen an. Beim Vergleich von zwei oder mehr Bedingungen mithilfe transkriptomischer Analysen liegt der Fokus der meisten Studien auf der Identifizierung differentiell exprimierter Gene (DEGs). Während diese statistischen Ansätze signifikante Veränderungen in der Genexpression aufzeigen, berücksichtigen sie nicht direkt die damit verbundenen biologischen Kosten. In diesem Projekt möchten wir eine zusätzliche Perspektive einbringen: Wie viel Energie investiert eine mikrobielle Zelle in die Anpassung ihrer Genexpression? Beispielsweise könnte eine geringe Veränderung in der Expression eines sehr großen Proteins mehr zelluläre Ressourcen erfordern als eine starke Veränderung in der Expression eines kleinen Proteins. Um dies zu untersuchen, möchten wir die bioenergetischen Kosten von Veränderungen in der Genexpression abschätzen. Dabei sollen sowohl die Kosten der Nukleotid- und Aminosäurebiosynthese als auch die Transkriptions- und Translationsprozesse selbst berücksichtigt und in ATP-Äquivalenten ausgedrückt werden. Als Modellorganismus verwenden wir Corynebacterium glutamicum, einen etablierten industriellen Produktionsorganismus, der häufig zur Herstellung von Aminosäuren und weiteren biotechnologisch relevanten Produkten eingesetzt wird. Anhand bereits vorhandener transkriptomischer Datensätze möchten wir untersuchen, ob die Gene mit den stärksten Veränderungen in ihrer Expression auch diejenigen sind, die mit den höchsten energetischen Kosten verbunden sind. Dadurch soll eine neue Perspektive darauf eröffnet werden, wie mikrobielle Zellen ihre Ressourcen einsetzen.

Deine Aufgaben:

• Literaturrecherche zu den bioenergetischen Kosten der Genexpression in Mikroorganismen
• Entwicklung eines computergestützten Ansatzes zur Abschätzung der energetischen Kosten von Transkription und Translation
• Vergleich klassischer differentieller Genexpressionsanalysen mit den abgeschätzten energetischen Kosten
• Visualisierung und biologische Interpretation der Ergebnisse

Deine Qualifikation:

• Studium im Bereich Bioinformatik, Biologie, Biotechnologie, Bioingenieurwesen oder einem verwandten Fachgebiet
• Interesse an mikrobieller Physiologie, Stoffwechselprozessen und der Arbeit mit biologischen Datensätzen
• Programmierkenntnisse in R und/oder Python sind wünschenswert, aber keine Voraussetzung

Kontakt:

Nele Grünig

nele gruenig ∂does-not-exist.kit edu