Quantifizierung des Zusammenhangs zwischen architektonischer Integrität und adaptivem Potenzial bei der Entwicklung von Biofilmen

• Antragsteller: Professor Dr. Oskar Hallatschek
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503995533

Ein faszinierender Aspekt von Biofilmen ist ihre dynamische Selbstorganisation, die eine Vielzahl morphologischer Merkmale hervorbringt, einschließlich einer ausgeprägten inneren Zellordnung, einer starken Oberflächenhaftung und in größeren Maßstäben Falten, Falten und Kanäle. Die emergente Architektur unterstützt das Überleben von Biofilmen, verleiht ihnen Widerstandsfähigkeit gegen physische Belastungen und trägt zur Antibiotikatoleranz bei. Die Integrität und Funktion der Biofilmarchitektur ist jedoch durch Mutationen, die während des Biofilmwachstums entstehen, gefährdet, wenn sie sich diese ausdehnen und den Wildtyp verdrängen. Mechanismen, die gegen solche „krebsartigen“ Mutationen puffern, würden eine robuste Biofilmentwicklung fördern. Tatsächlich deuten neuere Simulationen und Koloniestudien darauf hin, dass mechanische Wechselwirkungen dazu beitragen können, schwache Mutationen in Schach zu halten und so die Integrität der Architektur zu fördern. Andererseits sollte die Unterdrückung nützlicher Mutationen die Gemeinschaft daran hindern, sich beispielsweise an die Belastungen anzupassen, gegen die die Architektur schützt (Antibiotika, physische Belastungen). Wir vermuten daher einen tradeoff zwischen der architektonischen Integrität eines Biofilms und seiner Fähigkeit, sich schnell an Umweltherausforderungen anzupassen. Wir planen zu testen, ob ein solcher tradeoff existiert und untersuchen, ob er in Richtung Integrität oder Anpassungsfähigkeit tendiert, möglicherweise abhängig von den Mutationen und ihrer Wirkung. V. cholerae ist das perfekte Modellsystem, um den hypothetischen Kompromiss zu untersuchen. Abgesehen von ihrer Bedeutung für die öffentliche Gesundheit und ihrer genetischen Zugänglichkeit haben V. cholerae-Biofilme eine gut charakterisierte Morphogenese, von der ein Großteil mit Einzelzellauflösung untersucht wurde. Wir können daher auf einem exzellenten Verständnis der Wildtyp-Architektur von V. cholerae-Biofilmen aufbauen, um zu untersuchen, wie sie durch evolutionäre Prozesse gestört oder abgepuffert wird. Zu diesem Zweck verwenden wir neue Bildgebungstechnologien von 3D-Biofilmen und spontan mutierende fluoreszierende Reporterkonstrukte, um mutierte Klone in Raum und Zeit zu verfolgen. Diese Daten werden verwendet, um ein prädiktives Modell von evolutionären Prozessen in Biofilmen zu entwickeln, das es uns ermöglicht, unsere tradeoff-Hypothese zu testen. Ein quantitatives Verständnis der grundlegenden Kräfte der Evolution in Biofilmen eine Grundlage für die Modellierung eines breiten Spektrums evolutionärer Prozesse bieten. Wir sehen das neu entwickelte synthetische Mutagenesesystem sowie das Biofilm-Evolutionsmodell als nützlich für zahlreiche andere SPP-Projekte mit Interesse an der Untersuchung oder Berücksichtigung evolutionärer Prozesse in Biofilmen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2389: Emergente Funktionen der bakteriellen Multizellularität
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Knut Drescher, Ph.D.