SPP 1617: Heterogenit?t der Matrix-Produktion bei der bakteriellen Filmbildung

Bakterielle Biofilme zeigen r?umliche physiologische Differenzierung, die N?hrstoff- und/oder Sauerstoffgradienten folgt. Fluoreszenz- und EM-Analysen von Kryoschnitten durch Makrokoloniebiofilme von E. coli zeigen eine klare Stratifizierung mit wachsenden, flagellierten Zellen in der unteren Schicht und an den R?ndern und mit kleinen Station?rphasenzellen in der oberen Schicht, die eine Matrix aus Curli-Fasern und Cellulose bilden. In der ?bergangsschicht dazwischen finden sich matrixproduzierende und matrixfreie Zellen direkt nebeneinander. Au?erdem bleibt der MatrixON-Zustand in Tochterzellen stabil erhalten, wodurch zuf?llig orientierte und von Matrix umhüllte kleine Zellketten (wenn nur Curli produziert wird) oder vertikale ?S?ulen‘ (wenn Curli und Cellulose produziert wird) in der ?bergangsschicht entstehen. Curli- und Cellulose-Biosynthese stehen unter Kontrolle des Biofilm-Schlüsselregulators CsgD, der dieselbe heterogene Expression in Makrokolonien zeigt. Die Transkription von csgD ben?tigt eine Transkriptionsfaktorkaskade (RpoS, MlrA) sowie c-di-GMP-abh?ngigen Signal-Input. Zudem wird die csgD mRNA von mehreren kleinen regulatorischen RNAs angesteuert. In diesem Kontrollnetzwerk findet sich an drei Stellen gegenseitige Inhibition sowie ein positiver Feedback-Loop, d.h. also Kontrollmotive, die Bistabilit?t erzeugen k?nnen. Erste genetische Untersuchungen sowie ein vorl?ufiges mathematisches Modell (in Zusammenarbeit mit Dr. K. Yousef and Dr. M. v. Kleist, FU Berlin) weisen auf das c-di-GMP-Kontrollmodul als haupts?chliche Quelle der bimodalen CsgD-Expression und Matrix-Synthese hin. Insgesamt ist das Forschungsthema also die Heterogenit?t der extrazellul?ren Matrixproduktion in bestimmten Zonen eines bakteriellen Biofilms, wobei unsere Vorarbeiten zeigen, dass es sich hier um ein Beispiel von zellul?rer Arbeitsteilung handelt, die für die strukturelle Integrit?t des sich entwickelnden Biofilms wesentlich ist. Da diese Arbeitsteilung in direkt benachbarten Zellen beobachtet wird, kann diese nicht durch verschiedene ?u?ere Bedingungen bewirkt werden, sondern beruht eher auf dem Bistabilit?tspotenzial des zugrunde liegenden regulatorischen Netzwerks, was durch eine vorl?ufige mathematische Modellierung unterstützt wird. Das umfassende Ziel des Projekts ist es, die genauen molekularen Mechanismen und physiologischen Funktionen dieser fein ausgewogenen und pr?zise lokalisierten Heterogenit?t in einer hochstrukturierten bakteriellen Gemeinschaft aufzukl?ren und dass sie beschreibende mathematische Modell weiter zu verfeinern und zu testen.