Mechanische und biochemische Organisation dreidimensionaler Biofilmarchitekturen

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Mietke
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431144836

Während der letzten 20 Jahre hat die mikrobiologische Forschung gezeigt, dass sich die meisten bakteriellen Spezies in oberflächenhaftenden, multizellulären Gemeinschaften organisieren, die man als Biofilme bezeichnet. Die Untersuchung bakterielle Biofilme war dabei üblicherweise auf biochemische Signalwege und Genregulation fokussiert, sowie darauf, wie diese die Morphologie zweidimensionaler, makroskopischer Kolonien beeinflussen. Details der mikroskopischen Dynamik des Biofilm-Wachstums und die Art und Weise wie mikroskopische Prozesse die emergente, multizelluläre Architektur bestimmen, sind weniger gut verstanden. Erst kürzlich ist es mit Hilfe von speziell entwickelten Mikroskopietechniken gelungen, das dreidimensionale Biofilm-Wachstum unter Auflösung jeder einzelnen Zelle live zu beobachten. Es konnte dabei gezeigt werden, dass für Kolonien von bis zu einigen hundert Zellen, ein Modell kurzreichweitiger mechanischer Interaktionen genügt, um die beobachteten Biofilmarchitekturen zu erklären. Für größere Biofilme können mechanische Wechselwirkungen allein die experimentellen Daten jedoch nicht mehr überzeugend beschreiben. Dies weist darauf hin, dass es für das Verständnis von Biofilmarchitekturen über diese erste Wachstumsphase hinaus notwendig ist, mechanische Wechselwirkungen und biochemische Prozesse gemeinsam zu berücksichtigen. Im vorliegenden Projektantrag beschreibe ich einen datengestützten Ansatz zur Entwicklung eines entsprechenden, skalenüberbrückenden Models des Biofilm-Wachstums in drei Dimensionen. Es ist dabei insbesondere das Ziel, ein zellbasierte Beschreibung zu entwickeln, welche mechanische Interaktionen zwischen Zellen, aber auch effektive biochemische Interaktionen integriert, wobei letztere meist im engen Zusammenhang mit genregulatorischen Vorgängen stehen. Weiterhin soll diese Beschreibung mit einer angemessenen Kontinuumsbeschreibung zusammengebracht werden um eine quantitative Beziehung zwischen den Eigenschaften mikroskopischer und makroskopischer Biofilme herzustellen. Das Erreichen dieser Ziele wird es uns erlauben die folgende zentrale Frage zu beantworten: Welche mechanischen und biochemischen Wechselwirkungen und welcher Grad an Inhomogenität jener Wechselwirkungen sind minimal notwendig, um die beobachteten mesoskopische Biofilm-Architekturen zu erklären. In enger Zusammenarbeit mit Experimentatoren, wird diese theoretische Arbeit durch einzigartige, einzelzellaufgelöste Mikroskopiedaten und Genexpressionskarten wachsender Biofilme aus bis zu 10.000 Zellen unterstützt. Durch den Vergleich des theoretischen Modells mit mechanischen, chemischen und genetischen Störungen am experimentellen Biofilmsystem, erarbeiten wir eine quantitative Beschreibung des Biofilm-Wachstums und wir werden diese nutzen um die essentiellen Mechanismen für eine robuste Formierung dreidimensionaler, mesoskopischer Biofilmarchitekturen zu identifizieren.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Jörn Dunkel, Ph.D.