Analyse mikrobieller Verwandschaftsbeziehungen in vivo mit Ramanmikroskopie (AMIRA)

• Antragstellerinnen: Dr. Ann-Kathrin Kniggendorf; Professorin Dr. Regina Maria de Oliveira Barros Nogueira
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397827619

In der Natur kommen Bakterien kaum in ihrer planktonischen Form vor, statt dessen bilden sie Biofilme. Biofilme sind dichte, diverse und strukturierte Metaorganismen, deren Eigenschaften sich stark von den in ihnen vergesellschafteten Mikroben unterscheiden. Informationen über Abstammung und relative Verwandtschaft, d.h. die Phylogenie der in ihnen vergesellschafteten Mikrobenpopulationen, sind entscheidend für das Verstehen und den erfolgreichen Einsatz der natürlichen Ressource Biofilm. Die Standardverfahren zur mikrobiellen Phylogenese, also der Bestimmung mikrobieller Verwandtschaftsbeziehungen, sind durchgängig invasiv und zerstören die beobachteten mikrobiellen Gemeinschaften entweder durch Extraktion von Zellmaterial oder durch Einbringen von Sonden- und Markermolekülen, so dass ein phylogenetisches Studium sich ungestört entwickelnder mikrobieller Gemeinschaften, sogenannter Biofilme, derzeit nicht möglich ist. Im Rahmen dieses Projekts beabsichtigen wir, Zytochrom-c resonante Ramanmikroskopie (CRRM) für die kontinuierliche optische in vivo und in situ Analyse bakterieller Verwandtschaftsbeziehungen in lebendem, sich ungestört entwickelndem Biofilm mit einer zellgenauen Auflösung zu etablieren. CRRM wird bereits erfolgreich zur strukturellen in vivo Untersuchung von Biofilmen auf Zellebene eingesetzt. Um zusätzlich die in den Zytochromen kodierte phylogenetische Information abzufragen, ist es erforderlich die Methode mit bakteriellen Stämmen, deren Verwandtschaftsbeziehungen eindeutig bekannt sind, sowie mit sich aus diesen Stämmen entwickelnden Biofilmen zu kalibrieren. Hierzu dienen uns zwanzig Stämme Ammoniak oxidierender Bakterien (AOB), die die gesamte Ordnung der Nitrosomonadales Bakterien abdecken. Die Nitrosomonadales haben eine wichtige Rolle für den globalen Stickstoffkreislauf. Biofilme mit einem hohen AOB Gehalt sind entscheidend für die biologische Abwasserreinigung, dennoch liegen über ihre Entstehung keine belastbaren Erkenntnisse vor. Wir werden daher AOB in planktonische Kulturen bei optimalen Wachstumsbedingungen, unter Sauerstoffstress, und während der Biofilmbildung unter verschiedenen Flussbedingungen untersuchen. Dabei werden wir den phylogenetischen Geltungsbereich von CRRM unter wechselnden Wachstumsbedingungen bestimmen und die Vergleichbarkeit mit den invasiven Standardmethoden sicherstellen. In diesem Projekt werden wir eine vollständige Methode für die phylogenetisch sensitive Analyse komplexer bakterieller Biofilme entwickeln, den ersten auf rein-optischen, nicht-invasiven, kontaktfreien in vivo Messungen basierenden Stammbaum erstellen, und einen Zeitrafferfilm ungestörter, phylogenetisch aufgelöster AOB Biofilmentstehung aufnehmen.Dies wird erstmalig die direkte vollständige Beobachtung fortschreitender, ungestörter Biofilmbildung einschließlich der Verwandtschaftsbeziehungen der die entstehenden Mikrohabitate besiedelnden Bakterien ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen