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Projekt
Die weiträumige extrazelluläre Matrixarchitektur und gewebeähnliche Morphogenese als emergente Eigenschaften bakterieller Multizellularität
Antragstellerin
Professorin Dr. Regine Hengge
Fachliche Zuordnung
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Förderung
Förderung seit 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504035721
Im Projekt geht es um ein detailliertes Verständnis der emergenten architektonischen, funktionellen und regulatorischen Eigenschaften bakterieller Multizellularität, wobei E. coli Makrokoloniebiofilme als Modelsysteme genutzt werden. Diese in eine extrazelluläre Matrix (ECM) eingebetteten, multizellulären bakteriellen Aggregate zeigen strukturelle raum-zeitliche Selbstorganisation, indem sie auf selbst erzeugte primäre und sekundäre metabolische Gradienten reagieren. Dadurch wird eine räumlich distinkte, reproduzierbare dreidimensionale ECM-Architektur generiert, die >2 Größenordnungen größer als die Millionen einzelner Zellen sind, die diese Architektur koordiniert aufbauen. In umfangreichen früheren und vorläufigen Arbeiten haben wir gezeigt, dass die ECM-Zusammensetzung und –Architektur eine Voraussetzung für die emergenten Eigenschaften dieser multizellulären bakteriellen Lebensform sind. Zu diesen Eigenschaften gehören (i) das elastische gewebeähnliche Auffalten von sehr flachen Makrokolonien in Muster von hohen Leisten und Falten ohne zu brechen, d. h. makroskopische Morphogenese; (ii) die Fähigkeit zur Homöostase und ‚Nischenbildung’ im extrazellulären, jedoch biofilm-internen Raum; und (iii) Schutz vor mikrobiellen Räubern. Dass die letzten beiden Eigenschaften die Erhaltungsenergie innerhalb der Biofilmpopulation reduzieren und damit einen Fitness-Gewinn bieten, macht ECM-assoziierte Multizellularität zu einer emergenten Eigenschaft des Lebens selbst. Auf dieser Basis verfolgt das Projekt folgende Ziele: • Die Bildung der biofilm-internen ECM-Architektur mit ihren distinkten 3D-Mustern auf molekularer Ebene zu verstehen und wie diese der makroskopischen Morphogenese von Makrokolonie-Biofilmen zugrunde liegt; • Wichtige biofilm-weite metabolische und regulatorische Gradienten (Nährstoffe, O2, Fermentationsprodukte, c-di-GMP) nachzuweisen und deren molekulare Schlüssel-funktion bei der physiologischen Differenzierung zu zeigen, die der Bildung der ECM-Architektur zugrunde liegt; • Die genetisch-regulatorische ‘Neuverdrahtung‘ aufzuklären, welche zu einer evolutionären Plastizität der biofilm-weiten ECM-Architektur mit Konsequenzen für die makroskopische Morphogenese führt, wie sie beim probiotischen E. coli Nissle 1917 und bei pathogenen enteroaggregativen E. coli (EAEC) zu beobachten ist; • Gene für potenzielle Transportproteine zu identifizieren, die eine ‚räumlich erweiterte Physiologie’ und Homöostase innerhalb des Biofilm-Raumes erlauben; • Den Beitrag der ECM und ihrer spezifischen Architektur zum Schutz von E. coli gegen einen mikrobiellen Räuber (Myxococcus xanthus) zu untersuchen. Ergebnisse dieses Projekts werden von grundlegender Bedeutung sein, um den evolutionären Übergang vom einzelligen Zustand von Bakterien hin zu einer frühen funktionellen Multizellularität zu verstehen. Sowohl konzeptionell wie auch durch experimentelle Zusammenarbeit wird dieses Projekt eine integrative Schlüsselrolle im SPP 2389 spielen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
