Microorganisms under stringent conditions - analysis and modeling of pattern formation in growth of yeast colonies

• Applicant: Professor Dr. Thomas Bley
• Subject Area: Biological Process Engineering
• Term: from 2001 to 2004
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5304978

Das Wachstum von Mikroorganismen in natürlichen oder technischen heterogenen Systemen, d.h. in Systemen mit einer Ungleichverteilung von Nährstoffen, ist durch das Auftreten von Nährstofflimitationen infolge langsam ablaufender Transportprozesse gekennzeichnet. Bei der Besiedelung von Oberflächen reagieren Mikroorganismen durch die Ausbildung eines verzweigten Wachstumsmusters auf solche Limitationen. Die Wachstumsmuster haben fraktalen Charakter und erlauben eine effektive Ausfüllung von Flächen bei einem minimalen Biomasseeinsatz. Sie sind somit Grundvoraussetzung für das Überleben dieser Organismen unter stringenten Bedingungen. Die Beschreibung solcher Prozesse ist für das Verständnis des Wachstumsverhaltens von Mikroorganismen in ihrer natürlichen Umgebung sowie für die Optimierung technischer Prozesse in heterogenen Systemen notwendig. Hauptschwierigkeit ist hierbei die Gewinnung experimenteller Daten für die Verifizierung der entwickelten Modelle, da die Messungen hochortsaufgelöst erfolgen müssen. Als Modellorganismus für die Untersuchung musterbildender Prozesse soll Saccharomyces cerevisiae verwendet werden. Da Hefen unbeweglich sind und im Myzel von S. cerevisiae keine Transportprozesse stattfinden, können entscheidende Vereinfachungen in den Randbedingungen der Modelle getroffen werdbn, die für eine korrekte Beschreibung des Systems notwendig sind. Die Wachstumsversuche sollen auf Agamährböden durchgeführt und Wachstumsmuster bei verschiedenen Nährstofflimitationen aufgenommen werden. Durch Markieren bestimmter Zielgene mit fluoreszierenden Proteinen kann deren Expression verfolgt und eine Abschätzung der metabolischen Aktivität auf Einzelzellebene durchgeführt werden. Mit Hilfe der optischen Nahfeldmikroskopie sollen Nährstoffkonzentrationen fluoreszenz-spektroskopisch mit einer örtlichen Auflösung von wenigen Mikrometem bestimmt werden. Anhand der gemessenen Werte werden Modelle für die musterbildenden Prozesse abgeleitet und überprüft. Dies ist die entscheidende qualitative Verbesserung gegenüber bisher entwickelten Modellen, deren Annahmen nicht durch gemessene Parameter abgesichert sind und aus diesem Grunde nur hypothetischen Charakter tragen.

• DFG Programme: Research Grants