Kollektive Dynamik des Membranpotentials in bakteriellen Kolonien

• Antragstellerin: Professorin Dr. Berenike Maier
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Medizinische Mikrobiologie und Mykologie, Hygiene, Molekulare Infektionsbiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503746438

Bakterien erzeugen eine elektrische Potenzialdifferenz über ihre innere Membran: sie sind elektrisch polarisiert. Diese Polarisierung hat wichtige Funktionen bei der ATP Synthese und beim Membrantransport. Jüngste Untersuchungen haben gezeigt, dass die Polarisierung in planktonischen Bakterien erstaunlich heterogen und dynamisch ist. Über die Polarisationsdynamik in räumlich strukturierten Bakteriengemeinschaften ist jedoch nur sehr wenig bekannt. Wir haben entdeckt, dass in Kolonien von Neisseria gonorrhoeae räumliche Polarisationsmuster entstehen, die wellenförmig durch die Kolonie wandern. In der ersten Projektphase konnten wir zeigen, dass der Übergang zu dieser kollektiven Polarisation den Beginn der Differenzierung in Subpopulationen mit unterschiedlichen Wachstumsraten und Antibiotikatoleranz markiert. Wir konnten nachweisen, dass das Polarisierungsmuster durch den lokalen Sauerstoffgradienten innerhalb der Kolonie bestimmt wird. In der nächsten Projektphase wollen wir die molekularen Mechanismen und biologischen Funktionen der kollektiven Polarisierungsdynamik verstehen. Zunächst werden wir nach Ionentransportern und Ionenkanälen suchen, die die Polarisierungsdynamik beeinflussen. Deletionsstämme dieser Transporter oder Kanäle werden die funktionale Charakterisierung erleichtern. Wir wollen die Polarisationsdynamik mit der morphologischen Dynamik der Kolonien verknüpfen. Insbesondere werden wir eine Kombination aus Laserpinzette, Einzelzellverfolgung und Particle Image Velocimetry verwenden, um die Hypothese zu testen, dass eine vorübergehende Hyperpolarisierung die Kohäsionskräfte im Zentrum der Kolonie verringert und folglich eine globale Umstrukturierung der Kolonie auslöst. Eine weitere Frage wird sein, wie sich der Übergang von der aeroben Atmung zur Denitrifikation auf die Polarisationsdynamik auswirkt. Vorläufige Experimente weisen auf eine Heterogenität zwischen einzelnen Zellen und zwischen einzelnen Kolonien bezüglich Polarisierung und dem Wachstum hin. Um diese Heterogenität zu verstehen, werden wir Reporterstämme für die Expression von Genen entwickeln, die an beiden Stoffwechselwegen beteiligt sind. Schließlich werden wir die Hypothese testen, dass die Heterogenität einen Fitness-Kompromiss zwischen Wachstum und Antibiotikatoleranz ermöglicht. Das Projekt wird einen wichtigen Beitrag zum Verständnis kollektiver Phänomene der bakteriellen Elektrophysiologie leisten. Innerhalb des Schwerpunktsprogramms werden wir die Verallgemeinerung auf andere Bakterienarten testen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2389: Emergente Funktionen der bakteriellen Multizellularität