Kannibalismus bei Kolonien von Bacillus subtilis: die Rolle von programmiertem Zelltod für die Strukturierung und Funktionalisie­rung differenzierter multizellulärer Populationen

• Prof Dr Klaus Dreisewerd  Westfälische Wilhems-Universität Münster, Institut für Hygiene, Forschungsabteilung Biomedizinische Massenspektrometrie.
• Prof Dr Thorsten Mascher  Technische Universität Dresden, Institut für Mikrobiologie, Arbeitsgruppe, Allgemeine Mikrobiologie.

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Kannibalismus ist eine einzigartige bakterielle Form des programmierten Zelltods (PCD), die in Bacillus subtilis multizelluläre Differenzierung und Sporulation verbindet. Auf festen Nährböden bilden nichtdomestizierte Stämme komplex strukturierte Kolonien aus, in denen phänotypisch unterschiedliche Zelltypen sich räumlich-zeitlich strikt reguliert zu robusten mikrobiellen Geweben zusammenfinden und Fruchtkörper ausbilden. Diese Strukturen liefern den multizellulären Rahmen, der die Ausbreitung der Population steuert, Wachstum und Überleben balanciert und letztlich zur Ausbildung ruhender Endosporen führt.

Kannibalismus basiert auf der Produktion von mindestens drei Toxinen, dem Sporulationsabtötungsfaktor SKF, dem Sporulationsverzögerungsprotein SDP und dem Epipeptid EPE. Kannibalismus scheint einen zentralen Checkpoint in der Gewebebildung darzustellen, da er (i) Ressourcen zur Verfügung stellt, um die Sporulation entweder zu verzögern oder letztendlich zu ermöglichen, (ii) die Kolonien strukturiert und funktionalisiert und letztendlich dazu dienen könnte, (iii) das Verhältnis verschiedener Zelltypen in strukturierten mehrzelligen Populationen auszugleichen.In diesem Verbundprojekt wollen wir die Rolle des Kannibalismus-vermittelten PCD für die Struktur und Funktion differenzierter B. subtilis-Kolonien entschlüsseln. Unser Ziel ist es, die Wirkung von Kannibalismustoxinen sowohl in 2D-Mikrokolonien mit Einzelzellauflösung als auch in 3D differenzierten Makrokolonien mechanistisch zu verstehen (Mascher). Die Produktion von Kannibalismustoxinen in Kolonien dient auch als biologisches Modellsystem zur Anwendung und Entwicklung der mikrobiellen MALDI-Massenspektrometrie-Bildgebung (MSI), einer Kerntechnologie dieses Schwerpunktprogramms. Diese leistungsstarke Technik wird entwickelt, um die komplexe Chemie von Bakterienkolonien (cm-Bereich) räumlich-zeitlich mit Einzelzellauflösung (μm-Bereich) zu untersuchen. Die Kombination von MSI mit weiteren Bildgebungsmodalitäten, einschließlich Lebendzell-Mikroskopie, Multiparameter-Durchflusszytometrie und Einzelzell-Transkriptomik, wird es ermöglichen, eine umfassende raumzeitliche Karte der mikrobiellen Gewebedynamik und -struktur mit beispielloser Auflösung zu erhalten. Für die Entwicklung der MALDI-MSI (Dreisewerd) wird der aktuelle Aufbau für 2D-Topview und Querschnittsanalyse optimiert und das Spektrum der detektierten Verbindungen erweitert. Eine Methode zur Integration von Transmissionsgeometrien wird durch die Analyse vertikaler Dünnschnitte von Kolonien mit einer Auflösung im μm-Bereich erstellt. In Kombination mit der 2D-Topsicht ermöglicht dies die Analyse von Bakterienkolonien in 3D mit hoher Auflösung bis hin zur Einzelzellebene. Darüber hinaus sollen die etablierten MALDI-MSI-Verfahren über B. subtilis hinaus angewendet werden, z. B. zur Untersuchung des PCD in E. coli und zur Analyse der chemischen Kommunikation in P. aeruginosa-Biofilmen.

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