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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 von 2020 bis 2025
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448615934
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die räumlich-zeitliche Organisation mikrobieller Gemeinschaften spielt eine entscheidende Rolle für ihr Funktionieren und ihren Erfolg in der Umwelt, mit Auswirkungen auf die Gesundheit bis zu Landwirtschaft und Industrie. Obwohl biochemische Wechselwirkungen intensiv erforscht werden, war bisher unklar, wie physikalische Wechselwirkungen zur Strukturierung typischerweise artenreicher und phänotypisch vielfältiger bakterieller Gemeinschaften beitragen. In diesem Forschungsprojekt versuchten wir, die physikalischen Auswirkungen des Antriebs aus dem Gleichgewicht durch aktive Motilität auf die Organisation der bakteriellen Gemeinschaften zu entschlüsseln. Zu diesem Zweck haben wir ein kontrolliertes Modellsystem, eine Mischung aus motile und nicht-motile Escherichia coli Bakterien, aufgebaut. Erst untersuchten wir, wie sich diese heterogene Population im Ruhezustand in der Suspension organisiert. Wir fanden heraus, dass die motile Zellen großflächige, fluktuierende Dichtemuster der nicht-motilen Bakterien in einem weiten Bereich physiologisch relevanter Zelldichten induzieren. Unsere veröffentlichten Experimente und Modellierungen haben gezeigt, dass diese Musterbildung ausschließlich auf physikalischen Wechselwirkungen beruht und von zwei Schlüsselfaktoren abhängt: von Schwimmern induzierte Strömungen, die nichtmotile Zellen vorantreiben, und, was unerwartet war, vertikale Symmetriebrechung durch Sedimentation, die lokale Akkumulation ermöglicht. Die Eigenschaften dieses neuen Musterbildungsmechanismus unterstreichen die Bedeutung der weitreichenden Hydrodynamik gegenüber polaren Kurzstreckeneffekten in aktiven bakteriellen Systemen. Nächst untersuchten wir, wie sich diese Muster auf die Aggregation nicht-motiler Zellen und danach die Bildung gemischter Biofilme auswirken. Wir fanden heraus, dass motile Bakterien die Bildung größerer, kompakterer Aggregate nicht-motiler Zellen stark beschleunigen, mit dem bemerkenswerten Vorteil einer höheren Überlebensrate bei bakterizider Behandlung. Wenn die Mischung über längere Zeit zu einem an der Oberfläche haftenden Biofilm heranwächst, begünstigt die anfängliche Aggregation die Bildung eines räumlich strukturierten Biofilms, während zwei iso-phenotypische Stämme gemischt bleiben. Schließlich untersuchten wir, wie sich die gemischte Gemeinschaft unter dem für Bakterien allgegenwärtigen Zwang der Strömung organisiert. Die binäre Mischung, die mikrofluidischen Strömungen ausgesetzt war, zeigte eine schwimmabhängige Segregation von nicht-motilen Zellen: Sie wurden auf eine bestimmte Seite des Kanals geschleust und sammelten sich dort an, was schließlich zu einer asymmetrischen Biofilmbildung führte. Durch Experimente und Modellierung konnte der Mechanismus aufgeklärt werden: Schwimmende Zellen erfahren durch die Scherung der Strömung eine seitliche Rheotaxis und lösen einen Rückstrom aus, der die nicht-motilen Zellen jenseits zieht. Die Sedimentation ist wiederum entscheidend für die Ansammlung der nichtmotilen Zellen, während die motilen Zellen entlang der Kanalwände zirkulieren. Dieses neue aktive Phänomen zeigt, wie wichtig physikalische Zwänge in gemischten mikrobiellen Gemeinschaften sind.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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