Analyse der lokalen Struktur und Funktion von bakteriellen Kolonien und Biofilmen auf Einzelzellebene mittels Durchflusszytometrie, Zellsortierung, Multi-omics und Datenwissenschaft - Z-PROJECT

• Antragsteller: Dr. Gorkhmaz Abbaszade, Ph.D.; Professor Dr. Christian L. Müller
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503905203

Biofilme bestehen aus Einzelzellen mit bemerkenswerten physiologischen und phänotypischen Eigenschaften, die gleichzeitig kollektive Funktionen hervorbringen. Die Dimension der Funktionen hängt von der Verteilung der Zellen im Biofilm, ihrem physiologischen Zustand und ihren Wechselwirkungen untereinander ab. In der ersten Phase haben wir eine enge Zusammenarbeit mit den Kooperationspartnern im SPP2389 aufgebaut und umfassende FCM- und FACS-Analysen durchgeführt. Es wurde eine Biopsiemethode entwickelt, die es ermöglicht, Zellen aus beliebigen Bereichen einer Kolonie zu entnehmen und so die Biogeographie der Kolonie auf Einzelzellebene zu entschlüsseln. In der zweiten Phase werden wir weitere zytometrische Protokolle entwickeln. Interessierende Zellen werden mittels Biopsie, Durchflusszytometrie und FACS selektiert und zur anschließenden scRNA-Seq in Partnerlabore transferiert. Darüber hinaus werden wir die Zytometrie mit Subpopulations-RNA-Seq kombinieren, um einen robusten RNA-Seq-Ansatz für phänotypische Zellsubgruppen mit möglicherweise unterschiedlichen Genexpressionsmustern zu entwickeln. Beide Methoden sollen lokal hochaufgelöste funktionelle Informationen über Phänotypen liefern. Sie sind entscheidend für die Aufklärung von kollektiven Funktionen von Zellen in Biofilmen. Ergänzend zu den experimentellen Fortschritten der ersten Phase entwickelten wir statistische und datenwissenschaftliche Workflows für die Analyse bakterieller Einzelzellmessungen. Ein Beitrag ist ein durchgängiges Framework, BacSC, das auf bakterielle scRNA-Seq-Daten zugeschnitten ist. BacSC ermöglicht die statistisch valide Identifizierung bakterieller Heterogenität auf transkriptomischer Ebene. BacSC ermöglicht es SPP2389-Mitgliedern, scRNA-Seq-Datenanalysen mit minimaler Beratung durchzuführen. Unser zweiter Beitrag ist die Entwicklung von Biscot, einem Framework für die multimodale Integration bakterieller Einzelzelldaten. Biscot nutzt Konzepte des optimalen Transports, um FCM-definierte Zellphänotypen mit ungepaarten scRNA-Seq-Genexpressionsprofilen abzugleichen und so die molekulare Charakterisierung von Phänotypen zu ermöglichen. In der zweiten Phase werden wir diese Framework verfeinern und weitere Datenmodalitäten integrieren. Um einen breiteren Zugang und bessere Dateninterpretation zu ermöglichen, werden wir die Erstellung einer öffentlich zugänglichen Datensammlung von FCM- und scRNA-Sequenzdaten, dem Bacterial Single-Cell Atlas (BacSCat), initiieren. Alle in diesem Z-Projekt entwickelten Methoden werden öffentlich zugänglich gemacht, um die Anwendung in der mikrobiologischen und bioinformatischen Forschung zu fördern. Die Entwicklung dieser Techniken (und ihre Verbreitung im Rahmen von SPP2389) ist eine zentrale Säule dieses Z-Projekts. Die gemeinsame Entwicklung neuartiger experimenteller und datenwissenschaftlicher Techniken wird dazu beitragen, Funktionen bakterieller makroskopischer Strukturen in einem räumlich-zeitlichen Kontext zu entschlüsseln.

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