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Projekt
Verständnis und Steuerung der zellulären Spezialisierung in leitfähigen multizellulären Strukturen
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professor Dr. Johannes Gescher; Professorin Dr. Anna-Lena Heins
Fachliche Zuordnung
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Förderung
Förderung seit 2025
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568817813
Leitfähige Biofilme werden von Organismen produziert, die in der Natur durch die Nutzung unlöslicher Elektronenakzeptoren wie Eisen- oder Manganoxide als terminale Elektronenakzeptoren ihrer Atmungskette wachsen. Diese Leitfähigkeit ermöglicht es Zellen, die nicht in direktem Kontakt mit dem Elektronenakzeptor stehen, Elektronen der Atmungskette an benachbarte Zellen zu übertragen. Der Redoxpotentialgradient leitet dann den Elektronenfluss durch die Matrix zum Punkt des höchsten Redoxpotentials, was typischerweise das Mineral ist. Zellen innerhalb dieser Materialien durchlaufen eine Spezialisierung, potenziell aufgrund von: (I) Dicke und Zelldichte des Biofilms, die zu Zell-Zell-Interaktionen sowie Massentransferlimitierung des Elektronendonors aus der Bulkphase führen, (II) respiratorischem Elektronentransfer, der aufgrund zunehmenden Widerstands mit der Elektronentransportlänge mit unterschiedlicher Kinetik arbeitet, (III) Bildung von Gradienten, wie im Fall des pH-Werts, die zu Wachstum mit unterschiedlicher Kinetik führen und (IV) Scherkräften, die zur Biofilmkompression führen, aber auch die Bildung einer stärkeren extrazellulären Matrix erfordern.Derzeit ist nicht verstanden, wie diese Faktoren die Entwicklung verschiedener regulatorischer Routinen beeinflussen, die die zelluläre Spezialisierung antreiben. Dennoch beobachten wir diese Routinen , wenn Zellen verschiedene leitfähige Strukturen basierend auf ihrer Nähe zum terminalen Elektronenakzeptor aufbauen. Wir beobachten auch, dass einige Schichten in diesen leitfähigen Biofilmen hauptsächlich aus nicht lebenden Zellen bestehen, diese Schichten jedoch weiterhin als leitfähige Strukturen funktionieren. Unser Ziel ist es, die Auslöser und Regulationsmechanismen innerhalb einzelner Zellen zu entschlüsseln, die zur Bildung dieser stabilen, dynamischen leitfähigen Biofilmstrukturen führen. Ein grundlegendes Verständnis dieser Prozesse wird erheblich beeinflussen, wie wir die Wichtigkeit dieser Strukturen in Ökosystemen wahrnehmen, wo sie kritische Funktionen haben können. Um unser Ziel zu erreichen, werden wir multiparallele mikrofluidische bioelektrochemische Experimente mit Reporterstämmen durchführen und FACS gekoppelt Transkriptomanalysen einsetzen, um regulatorische Routinen zu verstehen. Darüber hinaus werden wir analysieren, wie diese leitfähigen Biofilme mit anderen Zellen interagieren und neue physiologische Eigenschaften ermöglichen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
