Lichtgesteuerte Designer-Biofilme und Bakterienbots mit photoschaltbarer Bakterienadhäsion

• Antragstellerin: Professorin Dr. Seraphine Wegner
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405620560

Bakterien sind von großem biotechnologischem Interesse, sowohl in Biofilmen, wo sie innerhalb einer Gemeinschaft Funktionen erfüllen können, die einzelne Bakterien nicht können, als auch in Bakterienbots, wo bakterielle Mikroschwimmer Lasten in komplexen Umgebungen liefern. In beiden Fällen liegt die Herausforderung in der Kontrolle der Bakterienadhäsion und ihrer dynamischen Regulation. Im Fall von Biofilmen bestimmt nicht nur die Wechselwirkungsstärke zwischen den Bakterien, sondern auch ihre Dynamik wie sie sich als Gemeinschaft organisieren und verhalten. Uns fehlen jedoch die Werkzeuge und das Verständnis, wie sich die Dynamik bakterieller Zell-Zell-Adhäsionen auf die Entwicklung, Architektur und Funktion von Biofilmen auswirkt. Auch für Bakterienbots ist das Ablegen der Last am Zielort für eine effiziente Lieferung wichtig. Die statische Bindung von Last und Bakterien ist jedoch ein großes Problem dabei und bei der Entwicklung von autonomen Bakterienbots, die keine externe Überwachung erfordern und bei Bedarf sich selber zusammenbauen und einmal am Zielort die Last ablegen. In diesem Projekt werden wir uns diesen Herausforderungen bei der Kontrolle von Biofilmen und dem Bau autonomer Bakterienbots widmen, die auf den zuvor etablierten photoschaltbaren Bakterienadhäsionen aufbauen. Diese photoschaltbaren bakteriellen Adhäsionen ermöglichen es uns, die Adhäsion durch Blaulichtbeleuchtung mit hoher räumlich-zeitlicher Präzision dynamisch ein- und auszuschalten. Zunächst werden wir untersuchen, wie wir die Gas-Flüssigkeit-Feststoff-ähnlichen Übergänge in multibakteriellen Aggregaten photoregulieren und dadurch ihre 3D-Struktur, die Kompaktierung, das Quorum-Sensing und die Zellsortierung steuern können. Zweitens werden wir uns darauf konzentrieren, wie die bakterielle Zell-Zell-Adhäsionsdynamik die Entwicklung, Architektur und Funktionalität von Biofilmen in Co-Kulturen reguliert. Andererseits werden wir einen kürzlich entdeckten Photoaktivierungsmechanismus durch Biolumineszenz nutzen, um autonome Bakterienbots herzustellen. Dazu werden wir zunächst Bakterien mit Biolumineszenzreportern entwickeln, die ihre Last unter bestimmten Umweltsignalen aufnehmen, abtransportieren und in Umgebungen absetzen, die das Signal nicht mehr haben. Schließlich werden wir auch Bakterienbots mit aktiver Kommunikation zwischen der Last und den Bakterien untersuchen, was ihre Autonomie erweitern wird. Letztendlich wird dies den Weg für die Entwicklung von Multispezies-Biofilmen und autonomen Bakterienbots für verschiedene biotechnologische Anwendungen ebnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen