Aufklärung der Stressantwort bakterieller Biofilme mittels elektromagnetischer Sensoren und Transkriptomanalyse auf Einzelzellniveau

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rolf Jakoby; Professor Dr.-Ing. Bastian Ernst Rapp; Professor Dr. Thomas Schwartz
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Messsysteme ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 272139544

Biofouling kommt in der Natur überall vor. Die Bildung dieser sogenannten Biofilme ist eine besondere Herausforderung für technische Systeme in wässrigen Umgebungen. Biofilme sind sessile Kolonien von Bakterien auf technischen Substraten, die symbiotisch koexistieren und sich gegenseitig metabolisch ergänzen und vor Umwelteinwirkungen schützen. Bakterien in Biofilmen sind wesentlich resistenter gegen äußere Einwirkungen als Bakterien im planktonischen Zustand in Lösung. Aufgrund der Tatsache, dass Biofilme die Funktionalität technischer Systeme gefährden, sind sie ein großes ökonomisches Problem. Allerdings sind sie mittlerweile auch zu einem großen Problem für die menschliche Gesundheit geworden. Ihr kurzer Lebenszyklus erlaubt eine schnelle genetische Anpassung, was beispielsweise zur schnellen Immunisierung gegen Antibiotika führt. Das ist mittlerweile ein gegenwärtiges Problem in Krankenhäusern, wo Biofilme mit diesen resistenten Keimen zu einer Quelle gefährlicher Infektionen und ähnlicher Krankheiten geworden sind.Um bessere Strategien zur Verhinderung oder Entfernung von Biofilmen zu entwickeln, sind neue Werkzeuge notwendig, die es erlauben, die physiologische und genetische Anpassung von Bakterien in Biofilmen zu untersuchen, die mit einer bestimmten Behandlungsmethode gestresst wurden. Das Ziel dieses Projektes ist es, ein solches Werkzeug zu entwickeln, das es erlaubt, physiologische (morphologische) und genetische Anpassung auf Einzelzellniveau quantitativ zu untersuchen. Im Rahmen dieses Projektes wird dieses System auf Biofilme aus Einzelzellpopulationen eingesetzt werden, die durch bestimmte Behandlungsstrategien gestresst werden, um physiologische und genetische Anpassung zu induzieren. Die Biofilme werden dann mit geeigneten Enzymcocktails zersetzt, in einem mikrofluidischen System durchflussfiltriert und die einzelnen Bakterien mechanisch gefangen. Im immobilisierten Zustand werden die Zellen unter Verwendung von elektrochemischer Impedanzspektroskopie im Mikrowellenfrequenzbereich untersucht. The Messdaten werden an Ersatzschaubilder gefittet und die relevanten Parameter der Modelle zwischen Bakterien aus unterschiedlich behandelten Biofilmen verglichen. Zusätzlich werden die Zellen für Genexpressionsanalyse auf Einzelzellniveau extrahiert, was eine Korrelation zwischen elektrischen (physiologischen) und genetischen Änderungen erlaubt.Dieser kombinierte Ansatz wird es erlauben, physiologische und genetische Anpassung einzelnen Bakterienzellen aus realen Biofilmen infolge von Umwelteinflüssen durch Beprobung quantitativ zu korrelieren. Mit einem solchen System wird ein vertieftes Verständnis der Mechanismen möglich, die dieser schnellen Anpassungsfähigkeit von Bakterien zugrunde liegt. Dieses Verständnis lieferte die Grundlage für die Entwicklung besserer und effizienterer Strategien zur Verhinderung oder Entfernung von Biofilme.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1857: Elektromagnetische Sensoren für Life Sciences (ESSENCE)
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. David Dubuc; Dr. Katia Grenier