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Projekt
Wie heilen Biofilme ihre Wunden?
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professorin Dr. Liraz Chai; Professor Vasily Zaburdaev, Ph.D.
Fachliche Zuordnung
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Biophysik
Biophysik
Förderung
Förderung seit 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504222949
Bakterielle Biofilme sind heterogene Ansammlungen von Bakterien, die in einer selbst produzierten extrazellulären Matrix (ECM) eingebettet sind und durch diese zusammengehalten werden. Sobald der Biofilm gebildet ist, ist es sehr schwierig, ihn mechanisch oder biochemisch zu entfernen. Daher stellen Biofilme, die von pathogenen Bakterien gebildet werden, eine erhebliche Herausforderung im medizinischen Kontext dar. Es wird geschätzt, dass etwa 80 % der chronischen bakteriellen Infektionen Biofilme beinhalten, wie etwa bei Myokarditis oder Harnwegsinfektionen. Biofilme sind auf mehreren Ebenen heterogen – genetisch, phänotypisch, strukturell und mechanisch – mit komplexen Zell-Zell- und Zell-Umwelt-Interaktionen. Zunehmend wird die Analogie zwischen Biofilmen und eukaryotischen Geweben gezogen; im Kontext von Biofilmen, die einen Wirt besiedeln, wird sogar vorgeschlagen, die Biofilme als Teil des Wirtsgewebes zu behandeln. Eine bisher unbeantwortete Frage, die sowohl im Kontext der Gewebeanalogie als auch bei der Entfernung unerwünschter Biofilme von Bedeutung ist, ist, wie Biofilme in der Lage sind, sich von einem makroskopischen Schaden zu erholen. In diesem Projekt verwenden wir das Bakterium Bacillus subtilis – ein leistungsstarkes Modellsystem für die Untersuchung der Biofilmbildung – und kombinieren mikrobiologische und biophysikalische Werkzeuge mit theoretischer Modellierung, um zu klären, welche natürliche Reaktion des Biofilms auf eine Verletzung zu beobachten ist. Bis heute haben wir Beweise für dynamische Prozesse gesammelt, die an der Wundheilung beteiligt sind, insbesondere hinsichtlich der Rollen von verbleibenden Zellen und Nährstoffgradienten. Dennoch fehlt uns noch das Verständnis dafür, wie die Abfolge der Ereignisse während der Erholung in Bezug auf phänotypische, molekulare, strukturelle und mechanische Ebenen verläuft und wie diese miteinander verknüpft sind. Auf molekularer und zellulärer Ebene werden wir untersuchen, wie molekulare Signale zelluläre Phänotypen während des Biofilmwachstums von der ECM-Produktion bis zur Sporenbildung antreiben, um so ein zeitlich-räumliches Profil der Wundheilung zu erstellen. Auf der makroskopischen Ebene ganzer Biofilme zielen wir darauf ab, zu quantifizieren, wie sich das „Narben“-gewebe von den „normal“ entwickelnden Biofilmen in Bezug auf ihre mechanischen Eigenschaften, den Wasser- und Metallionengehalt und die Morphologie unterscheidet und wie diese durch die zugrunde liegenden molekularen und zell-phänotypischen Merkmale bestimmt werden. Unser Projekt kombiniert moderne strukturelle Ansätze, Zellsortierung, Massenspektrometrie, Mechanobiologie und biochemische Methoden mit theoretischer Modellierung. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden uns nicht nur ein quantitatives Verständnis darüber vermitteln, wie Biofilme mit Schäden umgehen, sondern auch verschiedene Aspekte ihrer natürlichen Entwicklung aus einer umfassenden, multiskalaren und interdisziplinären Perspektive beleuchten.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Internationaler Bezug
Israel
