Israel ISF-DFG: Verständnis der mikroskopischen Mechanismen der Bildung der extrazellulären Matrix in Biofilmen

• Antragsteller: Dr. Thomas Pfohl; Professor Vasily Zaburdaev, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561112971

Bakterielle Biofilme sind omnipräsent und für viele Aspekte des menschlichen Lebens von entscheidender Bedeutung. Dies betrifft sowohl die tägliche Gesundheit, wie die Zahnpflege oder die Verdauung, als auch lebensbedrohliche Infektionen in Krankenhäusern sowie gravierende industrielle Probleme wie die Blockierung von Ölpipelines oder die Bremswirkung bei Kreuzfahrtschiffen. Eines der Hauptmerkmale eines Biofilms ist die extrazelluläre Matrix (ECM), die von den sich zusammenballenden Bakterien abgesondert wird, um sie einzukapseln und zu einem Ganzen zu formen. Die Aufgaben der ECM im Biofilm sind vielfältig. Sie bildet ein mechanisches Gerüst und vermittelt Widerstandskraft gegen physikalische und biochemische Störungen. Zudem trägt sie zur Ausbreitung des Biofilms bei, hilft bei der Verteilung von Wasser und Nährstoffen und sorgt für den biochemischen Austausch zwischen den Bakterien und ihrer Umgebung. Obwohl die ECM schon früh als Schlüsselkomponente des Biofilms erkannt wurde, konzentrierte sich die Forschung eher auf die bakteriellen Zellen, ihre phänotypische Heterogenität, Genexpressionsmuster, Signaltransduktion und Mechanismen der Antibiotikaresistenz. Wir haben kürzlich vorgeschlagen, dass Bakterien in Biofilmen ein hochdynamisches Mikromilieu aus ECM, Wasser und darin gelösten Metallionen, Signalmolekülen, Nährstoffen und Abfallmolekülen erzeugen. In diesem extrazellulären Raum finden zahlreiche physikalische Prozesse statt, die durch mechanisch-physikalisch-chemische Wechselwirkungen zwischen den Zellen und dem Milieu gekennzeichnet sind. Obwohl die Bestandteile der bakteriellen ECM und die dafür verantwortlichen Gene für viele Bakterienarten relativ gut charakterisiert sind, ist der sequentielle Prozess der ECM-Bildung im extrazellulären Raum bis heute unbekannt. Der mikroskopische Maßstab, die Schwierigkeit, die beteiligten Akteure optisch abzubilden und die Unmöglichkeit, in opake, im Labor präparierte Biofilme hineinzusehen, haben die Untersuchung dieses Prozesses bisher erschwert. In diesem Projekt wollen wir unsere Expertise in Biomikrofluidik, Mechanobiologie und Biochemie der bakteriellen ECM mit theoretischen Modellen kombinieren, um die zeitliche Abfolge und die Mechanismen der ECM-Bildung, einschließlich der Prozesse der molekularen Verdrängung und der Flüssig-Flüssig-Phasentrennung, zu entschlüsseln. Die vorgeschlagenen mikrofluidischen Aufbauten, die sowohl Experimente mit eingebetteten als auch mit von der ECM isolierten Bakterien ermöglichen, erlauben die Untersuchung der ECM-Bildung in B. subtilis Biofilmen auf mesoskopischer Skala mit einer breiten Palette mikroskopischer und -rheologischer Techniken unter sehr kontrollierten Bedingungen. Übergeordnetes Ziel des Projektes ist es, bisher unbekannte, physikalisch gekoppelte Mechanismen aufzudecken, die zur Bildung dieser wichtigsten Kittsubstanz bakterieller Biofilme (ECM) führen und damit neue Einblicke in die Physiologie von Biofilmen zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• Partnerorganisation: The Israel Science Foundation
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Liraz Chai