Emergente Toleranz von Biofilmen gegen Antibiotika und deren Entstehung aus multizellulären Effekten von Antibiotika-Efflux

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Rosalind Allen; Dr. Frank Schreiber
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503989054

Biofilme sind multizelluläre Bakteriengemeinschaften, in denen Interaktionen zwischen einzelnen Zellen zu neuen funktionellen Eigenschaften führen. Biofilme lassen sich nur schwer mit antimikrobiellen Substanzen abtöten, ein Phänomen, das als Toleranz bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um eine emergente Eigenschaft, da Biofilme eine ausgeprägtere Toleranz aufweisen als planktonische Zellen. Bisherige Studien deuten auf eine Rolle von sogenannten Multi-Drug Efflux-Pumpen hin, und zwar sowohl durch Efflux-vermittelte räumliche Interaktionen als auch durch eine Kopplung zwischen Efflux und der Bildung von besonders toleranten Persisterzellen. Unser Ziel ist es, ein quantitatives, mathematisches Modell für die Efflux-vermittelte, antimikrobielle Toleranz in multizellulären Bakteriengemeinschaften zu entwickeln. Unsere zentrale Hypothese ist, dass die Aktivität von Efflux-Pumpen durch das Zusammenspiel von Efflux-vermittelten, räumlichen Interaktionen und Efflux-getriebener Persistenz, zu Toleranz in Biofilmen führt. Um dieses quantitative Verständnis zu erlangen, werden wir mikrobiologische Experimente und mathematische Modellierung kombinieren und Informationen aus drei Arten von multizellulären Bakteriengemeinschaften integrieren: Bakterienkolonien, direkte Zell-Zell-Interaktionen und Biofilme in 3D-Durchflusskammern. Zunächst werden wir die durch Efflux vermittelte, räumliche Struktur und Persistenz in Bakterienkolonien quantifizieren und deren Folgen für antimikrobielle Toleranz bestimmen. Dazu werden wir die Koloniemorphologie, die räumlichen Muster der Expression von Effluxpumpen und die Kolonietoleranz für Stämme messen, die sich in ihren Efflux-Eigenschaften unterscheiden. Ein auf Mikrohabitaten basierendes Modell wird unsere Beobachtungen mathematisch darstellen. Zweitens werden wir durch Efflux vermittelte Zell-Zell-Interaktionen und Persistenz auf Einzelzellebene in einer mikrofluidischen Umwelt quantifizieren. Hierbei werden wir Wachstumsinhibition und Entstehung von Persisterzellen in räumlicher Abhängigkeit zur Effluxaktivität der umliegenden Zellen bestimmen. Mit diesen Informationen als Eingangsparameter werden wir schließlich die durch Efflux vermittelte räumliche Struktur und Persistenz sowie Antibiotikatoleranz in komplexen 3D-Biofilmen vorhersagen und messen. Mithilfe agentenbasierter Modellierung werden wir die Entwicklung der räumlichen Struktur des Biofilms, die Muster der Effluxaktivität, die Bildung von Persisterzellen sowie die Toleranz gegenüber Antibiotika vorhersagen. Diese Vorhersagen werden direkt mit Biofilmexperimenten in Durchflusskammern getestet. Unser Projekt wird zu den zentralen Aspekten des SPP2389 beitragen. Es wird den physiologischen Nutzen und die molekularen Mechanismen einer emergenten Funktion - hier von Toleranz gegen Antibiotika - und die zugrunde liegende Architektur, Dynamik und biophysikalischen Eigenschaften der multizellulären Form, die diese emergente Funktion hervorbringt, aufklären.

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