Wie ändern sich die Flagellendynamiken und die Bewegung von Bakterien in strukturierten und raumlimitierten Umgebungen?

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Beta; Professor Dr. Kai Thormann
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443369470

Zahlreiche Bakterienarten bewegen sich mithilfe polarer Flagellen — helikalen Proteinfilamenten, die von einem rotierenden Motor angetrieben werden. Bisher wurde flagellenvermittelte Motilität sowie die Dynamik flagellarer Filamente fast ausschließlich beim freien Schwimmen in planktonischen Umgebungen sowie teilweise beim Schwärmen auf Oberflächen untersucht. In ihrem natürlichen Lebensraum bewegen sich viele Bakterien jedoch durch stark eingegrenzte, enge Umgebungen, in denen die Zellen in ständigem mechanischen Kontakt mit der Umgebungsmatrix stehen, wie etwa in Polysaccharid-Netzwerken (Schleime oder Biofilme) oder in granularen Medien (feuchte Böden oder Sedimente). Wie Bakterien ihre Flagellen verwenden, um sich durch solche Umgebungen zu bewegen, ist weitgehend unbekannt. In dem vorliegenden Forschungsprojekt kombinieren wir holographische Bildgebung, Hochgeschwindigkeits-Fluoreszenzmikroskopie, Mikrofluidik, molekulare Mikrobiologie und mathematische Modellierung, um die Motilität der beiden unterschiedlich polar flagellierten Modellorganismen Shewanella putrefaciens und Pseudomonas putida in engen strukturierten Umgebungen zu untersuchen. Insbesondere werden wir mit Hilfe von dreidimensionalem holographischen Tracking eine große Anzahl von Zellen in einer Polysaccharidmatrix in Gegenwart und in Abwesenheit chemischer Gradienten verfolgen, um ihre Bewegungsmuster in dichten Umgebungen zu bestimmen und zu modellieren. Diese Analyse der Zelltrajektorien wird durch Hochgeschwindigkeits-Fluoreszenzaufnahmen der Flagellendynamik ergänzt, um aufzuklären, wie der flagellare Antrieb der Zellen unter diesen Bedingungen arbeitet. Wir werden außerdem untersuchen, ob Bakterien die Zusammensetzung ihres Flagellums verändern können, um die Ausbreitung in engen, begrenzten Umgebungen zu optimieren. Schließlich werden wir unsere Analyse auf reale Umweltbedingungen ausweiten und die Bewegungsmuster von Bakterien während des Eindringens in einen Biofilm, während der Besiedlung von Pflanzenwurzeln und während der Annäherung an redoxaktive Oberflächen untersuchen. Wir erwarten, dass unsere Forschungsergebnisse grundlegende neue Aspekte der flagellen-basierten bakteriellen Motilität in komplexen, strukturierten Umgebungen aufzeigen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Dr. Laurence Wilson