Einzelzell-RNA-Sequenzierung von multizellulären Gemeinschaften

• Prof Dr Susanne Häußler , Twincore, eine gemeinsame Einrichtung von der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) und des Helmholtz Zentrums für Infektionsforschung (HZI), Institut für Molekulare Bakteriologie.

© JGT Twincore

Multizelluläre bakterielle Gemeinschaften weisen verschiedene Formen der Heterogenität auf. Dazu gehört das Auftreten von Zellen mit unterschiedlichen morphologischen Merkmalen, biochemischen Eigenschaften und Genexpressionsprofilen. Bei Biofilm-assoziierten Infektionen ist darüber hinaus die genetische Vielfalt des infizierenden Stammes ein typisches Merkmal. Diese Heterogenität wird mit einer höheren Produktivität und einer geringeren Anfälligkeit der Bakteriengemeinschaft gegenüber Umweltveränderungen in Verbindung gebracht. Die Gemeinschaft zeichnet sich besonders durch eine erhöhte Antibiotikaresistenz aus sowie durch veränderte Virulenzmerkmale. Da es notwendig und wichtig ist, diese Heterogenität besser zu verstehen, sind verschiedene Methoden, wie z. B. der Einsatz von fluoreszierenden Genexpressionsreportern in großem Umfang angewandt worden.

In jüngerer Zeit hat sich die Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) zu einem leistungsfähigen Instrument zur Untersuchung der Heterogenität eukaryontischer Zellen entwickelt. Diese fortschrittliche Technologie steht erst am Anfang ihrer Anwendung bei Bakterien, da es noch einige Hürden zu überwinden gilt. Die bakterielle Zellwand ist unvergleichlich widerstandsfähiger gegen Zelllyse, die mRNA hat eine kürzere Halbwertszeit und eine viel geringere Kopienzahl, und die Isolierung einzelner Zellen aus einer vielzelligen Gemeinschaft ist eine Herausforderung. Dennoch haben erste neuere Arbeiten wertvolle Erkenntnisse über die Faktoren geliefert, die die mikrobielle Heterogenität beeinflussen.

In diesem Antrag werden wir die Einzelzell RNA-sequenzierung auf der Grundlage veröffentlichter Protokolle etablieren und untersuchen, wie die Mikroumgebung und die genetische Variabilität der Biofilmpopulation von Pseudomonas aeruginosa Subpopulationen formt und antibiotikatolerante Phänotypen hervorbringt. Darüber hinaus wollen wir zur Etablierung einer SPP-Technologiepipeline beitragen, die Einzelzelltranskriptomik und FACS-basierte Zellsortierung umfasst. Die Integration der Daten verspricht eine detaillierte Charakterisierung der bakteriellen Subpopulationen von drei bakteriellen Modellspezies (P. aeruginosa, Bacillus subtilis und Escherichia coli).

Über uns

Wir sind eine multidisziplinäre Forschungsgruppe, deren übergeordnetes Ziel es ist, die genetischen Determinanten der Pathogenität von Pseudomonas aeruginosa, der Anpassung an einen chronischen, anhaltenden Infektionszustand und der Widerspenstigkeit gegenüber antimikrobieller Behandlung aufzudecken.
Zu diesem Zweck wenden wir Hochdurchsatz-omics-Techniken auf eine Vielzahl klinischer P. aeruginosa-Isolate an und nutzen die erzeugten groß angelegten Sequenzvariationen und Genexpressionsdatensätze für genomweite Assoziationsstudien.
Mit diesem Ansatz wollen wir die molekulare Diagnostik zur Erstellung von Resistenzprofilen verbessern und alternative therapeutische Strategien zur Bekämpfung chronischer Biofilm-assoziierter Infektionen entwickeln.

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Die Arbeitsgruppe Molekulare Bakteriologie ist am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig, am TWINCORE in Hannover und an der Universitätsklinik (Rigshospitalet) in Kopenhagen, Dänemark, angesiedelt.

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