Die weiträumige extrazelluläre Matrixarchitek­tur und gewebeähnliche Morphogenese als emergente Eigenschaften bakterieller Multizellulari­tät

• Prof Dr Regine Hengge Humboldt-Universität zu Berlin, Institut für Biologie/Mikrobiologie, Arbeitsgruppe Mikrobiologie.

© SPP2389

Das Projekt zielt auf ein gründliches Verständnis der wichtigsten architektonischen, funktionellen und regulatorischen Eigenschaften ab, die sich aus der bakteriellen Multizellularität ergeben, wobei E. coli-Makrokolonie-Biofilme als Modellsystem dienen.

Bakterielle Biofilme sind in die extrazelluläre Matrix (ECM) eingebettete multizelluläre Aggregate, die eine räumlich-zeitliche Selbstorganisation aufweisen, indem sie primäre und sekundäre Stoffwechselgradienten erzeugen und auf diese reagieren. Diese werden in eine räumlich unterschiedliche, reproduzierbare dreidimensionale ECM-Architektur umgesetzt, die um mehr als zwei Größenordnungen größer ist als die Millionen von Zellen, die sie koordiniert aufbauen.
Die ECM-Zusammensetzung und die spezifische Architektur sind eine Voraussetzung für die sich herausbildenden Eigenschaften dieser multizellulären bakteriellen Lebensform: (i) das elastische, gewebeartige Knicken und Falten von sehr flachen Makrokolonien zu Grat- oder Faltenmustern ohne Bruch, d. h. makroskopische Morphogenese; (ii) das Potenzial für Homöostase und "Nischenbildung" im extrazellulären, jedoch biofilminternen Raum; und (iii) Schutz vor mikrobiellen Fressfeinden. Da die beiden letztgenannten Eigenschaften die Erhaltungsenergie innerhalb der Biofilmpopulation reduzieren und somit einen Fitnessgewinn darstellen, kann die ECM-assoziierte Multizellularität als eine emergente Eigenschaft des Lebens selbst betrachtet werden.

Forschungsschwerpunkt

Daher zielt das Projekt darauf ab:

• Verständnis der Bildung der biofilminternen ECM-Architektur und ihrer Beziehung zur makroskopischen Morphogenese.
• Aufdeckung und Nachweis der Bildung und der molekularen Schlüsselfunktion großräumiger metabolischer und regulatorischer Gradienten (Nährstoffe, O2, Fermentationsprodukte, c-di-GMP) bei der physiologischen Differenzierung, die der Bildung der ECM-Architektur zugrunde liegt.
• Klärung der genetisch-regulatorischen Neuverdrahtung, die die evolutionäre Plastizität der ECM-Architektur und ihre Folgen für die makroskopische Morphogenese ermöglicht, wie sie bei bestimmten kommensalen und pathogenen E. coli-Stämmen beobachtet wird.

Die aus dieser Studie mit dem genetisch sehr gut handhabbaren Modellorganismus E. coli gewonnenen Erkenntnisse werden für das Verständnis des evolutionären Übergangs vom einzelligen Zustand von Bakterien und anderen Mikroben zur frühen funktionellen Mehrzelligkeit von grundlegender Bedeutung sein.

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