Wie Kannibalismus in Bacillus subtilis bakterielles Biofilmgewebe formt und funktionalisiert

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Daniel Dar, Ph.D.; Professor Dr. Thorsten Mascher
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504017689

Bacillus subtilis ist ein Gram-positiver Modellorganismus, der auf festen Agaroberflächen hochstrukturierte Koloniebiofilme bildet. Diese Differenzierung beruht auf einer räumlich-zeitlich kontrollierten Diversifizierung der multizellulären Gemeinschaft in eine Reihe phänotypisch unterschiedlicher Subpopulationen, die dem Koloniebiofilm einen Selektionsvorteil in fluktuierenden Umgebungen verschaffen. Lang anhaltende Hungerphasen führen schließlich zur Bildung sehr widerstandsfähiger Endosporen, die an der Spitze von Fruchtkörpern innerhalb der Kolonie gebildet werden. Kannibalismus ist eine bakterielle Form des programmierten Zelltods, bei der drei Kannibalismus-Toxine produziert werden: der Sporulation Killing Factor (SKF), das Sporulation Delay Protein (SDP) und das Epipeptid (EPE). Kannibalistische Produzentenzellen sind autoimmun gegen die selbstproduzierten Toxine, während nichtproduzierende Geschwisterzellen dies nicht sind. Ursprünglich wurde postuliert, dass diese Subpopulation durch toxinabhängige Lyse geopfert wird, um Nährstoffe freizusetzen, die von den kannibalistischen Zellen aufgenommen werden, um so die Endosporenbildung zu verzögern.Das Verständnis der biologischen Bedeutung des Kannibalismus ist das Hauptziel dieses Vorhabens. Die Ergebnisse der ersten Förderperiode stellen das ursprüngliche Bild des Kannibalismus als „altruistische Tötung“ einer Subpopulation in Frage. Unsere vorläufigen Daten deuten darauf hin, dass Kannibalismustoxine nicht primär als „biochemische Waffen“ dienen, jedenfalls nicht in differenzierten Kolonien. Stattdessen strukturieren und funktionalisieren sie Biofilme, um so die flächige Ausdehnung der Kolonie mit der in die Höhe gerichteten Faltenbildung von Kolonien zu koordinieren. Die sich daraus ergebenden kannibalismusabhängigen Strukturen bestimmen DANN die Funktionen innerhalb der Kolonien, einschließlich der Sporenbildungsrate und des Zelltods. Die Untersuchung dieser Hypothese ist der Schwerpunkt dieses gemeinsamen Antrags.Um die Rolle der Kannibalismustoxine für die Gestaltung und Funktionalisierung des Biofilmgewebes in der Entwicklung von B. subtilis zu entschlüsseln, werden wir die relevanten Differenzierungsstrategien und Phänotypen mit zwei sich ideal ergänzenden methodischen Ansätzen analysieren und korrelieren: Die räumliche Transkriptomik ermöglicht es, die Differenzierung von Mikrokolonien in 2D mit Einzelzellauflösung zu untersuchen, während die Kryo-Dünnschnittuntersuchungen von Makrokolonien ein 3D-Bild der Wirkung von Kannibalismus-Toxinen in einem vollständig differenzierten bakteriellen Biofilm liefern werden. Zusammen werden diese Ansätze ein umfassendes, räumlich und zeitlich aufgelöstes Verständnis dafür liefern, wie Kannibalismus die Struktur und Funktion der Biofilmdifferenzierung über vier Größenordnungen hinweg beeinflusst, von der Mikrometerebene einzelner Zellen bis hin zur Zentimeterebene ausdifferenzierter und hochstrukturierter bakterieller Kolonien.

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