Rasterkraftmikroskop und -spektroskop

• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung in 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449375068

Ein umfassendes Verständnis der initialen Prozesse der mikrobiellen Biofilmbildung ist das große Ziel unserer Forschung. Konkret möchten wir die Zellhaftung in Kombination mit der Proteinadsorption in vielen verschiedenen Situationen verstehen. Insbesondere interessieren uns der Mundraum oder spezielle Infektionsherde im Körper. Die Expertisen der beteiligten Arbeitsgruppen, (Bio-) Physik, Medizinische Mikrobiologie und Zahnmedizin, erlauben eine Untersuchung des Phänomens buchstäblich "from bench to bedside and back": Beispielsweise kann mit Hilfe der Kraftspektroskopie mit einem einzelnen, lebenden Bakterium dessen Haftkraft zu unterschiedlichen Materialien und in unterschiedlichen Umgebungen (z. B. im Kontakt mit Speichel oder Blut) bestimmt werden. Das Materialspektrum reicht hierbei von exakt charakterisierten Modelloberflächen bis hin zu klinischen Implantaten, die zum Teil bereits im menschlichen Körper implantiert waren. Von der Erregerseite aus können verschiedene Arten von Bakterien/Hefen untersucht werden. Für einzelne Arten stehen uns neben den Wildtypen auch genetisch gezielt modifizierte Bakterien zur Verfügung. Wir wollen jedoch nicht nur die Haftkraft bestimmen, sondern detaillierte Kraft-Distanz-Kurven mit Hilfe einzelner, bakterieller Sonden aufnehmen, da diese Kurven tiefere Einblicke gestatten in z. B. die Art der Wechselwirkungen, die Anzahl wechselwirkender Moleküle, deren Länge und Steifigkeit sowie in die Größe der Fläche, mit der das Bakterium mit der Oberfläche in Kontakt kommt.Mit dem hier beantragten Rasterkraftmikroskop-Setup sollen zudem neue Fragestellungen beantwortet werden, die mit den vorhandenen Geräten bisher nicht bearbeitet werden konnten, z. B. weil das Signal/Rausch-Verhältnis eine Größenordnung über dem aktueller Geräte liegt, die Bewegung in der Z-Achse zu eingeschränkt ist, oder weil keine geeignete optische Kontrolle verfügbar ist. Beispielsweise möchten wir aufklären, warum individuelle Bakterien der identischen Zellpopulation zum Teil sehr große Unterschiede im Adhäsionsverhalten aufweisen. Die Hypothese ist, dass die nach einer Zellteilung neu synthetisierten Areale sich bezüglich der Haftkraft von älteren Zellwandarealen unterscheiden. Da eine Unterscheidung des Alters per Fluoreszenzmarkierung möglich ist, ist auch ein Fluoreszenzmikroskop beantragt. Der erweiterte Arbeitsbereich des beantragten Setups in der Z-Achse ermöglicht es uns zudem, per Einzelzellkraftspektroskopie Kraft-Distanz-Kurven auch auf unebeneren Oberflächen wie Zellkulturmonolayern, Gewebeproben oder authentischen, auf Implantaten im Wirt bzw. Tiermodell entstandenen, Biofilmen aufzunehmen.Da das beantragte Gerät auch schneller rastern kann als die uns verfügbaren Geräte (bei sehr geringen Auflagekräften), würden uns zudem Untersuchungen zur Proteinaggregation, zum Materialtransport mit Hilfe von Vesikeln aus Proteinen oder zur Diffusivität von Molekülen durch bzw. in Membranen möglich.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Rasterkraftmikroskop und -spektroskop
• Gerätegruppe: 5091 Rasterkraft-Mikroskope
• Antragstellende Institution: Universität des Saarlandes
• Leiterin: Professorin Dr. Karin Jacobs