Charakterisierung der Mechanismen die zur Antibiotikatolerenz in Biofilmen von Vibrio cholerae führen

• Antragsteller: Professor Knut Drescher, Ph.D.; Professor Dr. Kai Papenfort
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503931087

Bakterien können räumlich strukturierte, vielzellige Gemeinschaften, sogenannte Biofilme, bilden. Biofilme gelten als die vorherrschende Form bakteriellen Lebens auf der Erde und sind dafür bekannt Mikroorganismen vor schädlichen Umweltbedingungen zu schützen. Bakterien innerhalb von Biofilmen zeigen beispielsweise im Vergleich zu planktonischen Bakterien eine erhöhte Antibiotikatoleranz, wodurch antimikrobielle Therapien bei Infektionen erschwert werden. Somit stellt die Antibiotikatoleranz eine wichtige multizelluläre Funktion von Biofilmen dar. Die zugrundeliegenden regulatorischen Prozesse und biophysikalischen Mechanismen der erhöhten Antibiotikatoleranz in Biofilmen sind jedoch noch unklar. Mit diesem Projekt wollen wir diese Lücke schließen, indem wir die Antibiotikatoleranz von Biofilmen des humanpathogene Erregers Vibrio cholerae untersuchen. Unsere vorläufigen Daten deuten darauf hin, dass eine erhöhte Antibiotikatoleranz mit der Biofilmbildung bei V. cholerae verbunden ist und dass Funktionen multizellulärer Strukturen wie Quorum Sensing, Biofilmarchitektur, physiologische Differenzierung und stochastische Genexpression in diesen Prozess einfließen. Um die molekularen Prinzipien zu verstehen, die zur erhöhten Antibiotikatoleranz in Biofilmen führen, werden wir verschiedene Technologien wie Lebendzellmikroskopie, mikrobielle Genetik, Transkriptomanalysen und Bildanalysemethoden nutzen, welche wir sowohl auf der Populationsebene, als auch auf der Einzelzellebene anwenden werden. Unsere Analysen basieren auf drei Antibiotika mit unterschiedlichen Wirkmechanismen, sowie auf ausgewählten Mutanten von V. cholerae, welche wir vergleichen werden, um ein generalisiertes regulatorisches Modell für die Biofilm-assoziierte Antibiotikatoleranz bei V. cholerae abzuleiten. Allgemein betrachtet, wird diese Forschung unser Verständnis dafür verbessern, wie Bakterien die spezifischen molekularen und biophysikalischen Eigenschaften mehrzelliger Strukturen nutzen, um ihre Antwort auf Umweltstress zu koordinieren. Im Kontext des speziellen Forschungsfelds betrachtet, wird die diese Forschung Einblicke in die zelluläre Differenzierung bei der Biofilmentwicklung, die interzelluläre Kommunikation und die regulatorischen Prinzipien liefern, welche die Antibiotikatoleranz in Bakteriengemeinschaften fördern. Praktische Anwendungen der beantragten Forschung könnten neue Strategien zur Kontrolle von Biofilm-assoziierten Bakterienwachstum sein, welche in der Medizin, Biotechnologie und Lebensmittelindustrie von großer Bedeutung wären.

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