Phasenverhalten von bakterielle binäre Mischungen

• Antragsteller: Dr. Remy Colin
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448615934

In bakteriellen Populationen führt die durch das Schwimmen generierte Motilität zur Entstehung komplexer selbstorganisierter Dynamiken. In Verbindung mit biochemischen Regulationsmechanismen bestimmen diese kollektiven Effekte die Organisation bakterieller Gemeinschaften. Beispiele hierfür reichen von der motilitätsbedingten Oberflächenbesiedlung bis hin zur Biofilmbildung. Daher sind bakterielle Populationen nicht nur leistungsfähige Modellsysteme, um die Physik aktiver Materie zu untersuchen, die daraus gewonnenen Erkenntnisse können auch direkt zum Verständnis ihrer Biologie beitragen. In natürlichen Gemeinschaften koexistieren für gewöhnlich mehrere Arten, sowohl bewegliche als auch nicht bewegliche Bakterien. Obwohl die Rolle der biochemischen Wechselwirkungen zwischen den Arten bei der Gemeinschaftsbildung zunehmend untersucht wird, blieb bislang das physikalische Verhalten heterogener Bakterienmischungen weitgehend unerforscht. Bisherige Experimente und Theorien haben sich tatsächlich zumeist auf homogene Populationen schwimmender Bakterien konzentriert. Mit dem vorliegenden Forschungsantrag soll begonnen werden, diese Wissenslücke zu füllen. Wir untersuchen experimentell das physikalische Verhalten von Mischungen aus beweglichen und nicht-beweglichen Bakterienstämme, welche vom Modellorganismus E. coli abgeleitet wurden, um komplexe artenübergreifende biochemische Interaktionen auszuschliessen. Vorläufige Ergebnisse zeigen die Bildung von Dichtemuster unter einer Vielzahl von Bedingungen, mit Eigenschaften, die auf eine Phasentrennung der Mischung hindeuten könnten. Die vorgeschlagene Arbeit zielt auf das Verständnis der beteiligten Physik und ihrer Konsequenzen für die Strukturierung von Multispezies-Bakteriengemeinschaften, sowohl in Ruhe als auch unter Belastung. Wir werden ein vollständiges Phasendiagramm der binären Mischung erstellen und dabei mögliche Kontrollparameter (Zellgröße, Schwimmgeschwindigkeit, Suspensionseinschluss...) variieren, um die physikalischen Mechanismen, die zur Bildung von Dichtemustern führen, zu entschlüsseln. Im Anschluss werden wir ihre Auswirkungen auf die bakterielle Selbst- und Koaggregation untersuchen, um die Physik der Bildung von artübergreifenden Biofilmen besser zu verstehen. Schlussendlich werden wir messen, wie die Mischung auf chemische und mechanische Belastungen reagiert, um sowohl ihre Physik als auch ihre Biologie besser zu verstehen. Zu diesen Zielen werden wir die einfach genetische Manipulierbarkeit von E. coli nutzen, mikrogefertigte und damit gut kontrollierte experimentelle Vorrichtungen bauen und diese mit Bildanalyseprogramme kombinieren, welche von uns in unserer früheren Forschung zur Untersuchung der bakteriellen Motilität entwickelt wurden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen