Wie heilen Biofilme ihre Wunden?

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Liraz Chai; Professor Vasily Zaburdaev, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504222949

Biofilme sind bekannt als komplexe bakterielle Gemeinschaften, die sich mit eigenproduzierten polymerischen Matrixsubstanzen einhüllen und sich dadurch auszeichnen, dass sie verschiedensten Belastungen aus der Umwelt, einschließlich Antibiotika-Behandlungen, standhalten. Sie sind berüchtigt dafür, Krankheiten auszulösen, werden aber auch kultiviert, um symbiotische Pflanzen zu schützen oder Wasserverunreinigungen zu säubern. Diese vielseitigen Eigenschaften sind möglich, da Biofilme als heterogene multizelluläre Organismen agieren, wobei sie verschiedene Fähigkeiten mit sich entwickelnden eukaryotischen Organismen und Geweben gemein haben. Eine markante Eigenschaft in solchen Geweben ist die Erholung von mechanischen Schäden sowie die Wundheilung. Erstaunlicherweise, obwohl Biofilme in natürlichen Umgebungen und auch im Labor nachweislich ihre Wunden heilen, ist der Wundheilungsmechanismus von Biofilmen nahezu unerforscht. In diesem Projekt, unter Verwendung des biofilmbildenden Modellorganismus Bacillus subtilis, werden wir experimentelle mikrobiologische und biophysikalische Methoden mit theoretischen Modellierungen vereinen, um zu verstehen, wie sich Biofilme von mechanischen Schäden erholen. Dieser Prozess verbindet naturgemäß mehrere Aspekte des Biofilm-Daseins, wie Zellwachstum, -differenzierung und -tod, Metabolismus, Signalübertragung, Produktion von Extrazellulärmatrix, mechanische Kräfte und Wasserfluss. Im Detail werden wir im experimentellen Teil den Wundverschluss von Biofilmen verschiedenen Alters und mit verschiedenen Mutationen, welche die Zusammensetzung der Biofilme beeinflussen, verfolgen. Wir werden entstehende Kräfte messen, entsprechende Änderungen der mechanischen Eigenschaften der Biofilme quantifizieren und diese mit der phänotypischen Zusammensetzung der Wunde korrelieren. Um Stressreaktionen und Signalübertragungswege zu betrachten, die bei der Wundheilung beteiligt sein könnten, werden wir einschichtige Biofilme betrachten. Im theoretischen Teil werden wir Daten des Wundverschlusses in mehrschichtigen Gittersimulationen rationalisieren. Wir werden die Biofilme als viskoelastisches Zweikomponentenmaterial - bestehend aus in polymerischer Matrix eingebetteten Zellen - behandeln und eine kontinuierliche Beschreibung des Biofilms erstellen, um die Rolle von Kräften, Wasser- und Nährstofffluss im Wundheilungsprozess zu erfassen. Schlussendlich, um Mechanik und molekulare Stressantwort miteinander zu verknüpfen, werden wir agentenbasierte Simulationen des Wundverschlusses in einschichtigen Biofilmen mit explizit modellierten regulatorischen Signalnetzwerken durchführen. Um den Mechanismus der Wundheilung aufzudecken, ist ein interdisziplinärer Einsatz nötig, welcher reziproke experimentelle und theoretische Werkzeuge beinhaltet. Diese Untersuchung wird unser Verständnis der Biofilmphysiologie massiv voranbringen und – wie wir glauben – auch Aufschluss geben über Heilungsprozesse in eukaryotischen und künstlichen Geweben.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2389: Emergente Funktionen der bakteriellen Multizellularität
• Internationaler Bezug: Israel