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Titel:Architecture, spatial metabolism and stress response of bacterial biofilms
Autor:Díaz Pascual, Francisco Javier
Weitere Beteiligte: Drescher, Knut (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2021
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2021/0086
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2021-00861
DOI: https://doi.org/10.17192/z2021.0086
DDC:570 Biowissenschaften, Biologie
Publikationsdatum:2022-05-30
Lizenz:https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0

Dokument

Schlagwörter:
Biofilm, antibiotic

Summary:
Bacteria commonly live in communities, embedded in a self-produced matrix, termed as biofilms. Bacterial biofilms are involved in many processes in natural, clinical and industrial settings. They, for example, influence environmental biochemical cycles, increase the persistence and resistance to antibiotics in the context of infection, and are commonly associated with the damage of food and pipelines in industry. The study of biofilms, particularly the process of formation, cellular metabolism of biofilm-dwelling bacteria, and their collective stress response, is instrumental for the development of new methods to combat biofilms, as well as for understanding bacterial physiology in natural environments. This dissertation addresses and contributes to answering some of the open questions in the field of biofilm research: how are biofilms formed and what determines their architecture? How do biofilm heterogeneity and biofilm metabolism interplay? How do different microbial subpopulations interact within a single-species biofilm? How do biofilms respond to stress at the single-cell and multicellular levels, and what are the consequences of such responses? In chapter 2, we showed that mechanical cell-cell interactions determine biofilm architecture in surface-attached Vibrio cholerae biofilms. Using single-cell segmentation of microscopy images and in silico simulations we defined an interaction potential that predicts the overall biofilm architecture. To study biofilm heterogeneity and metabolic interactions between subpopulations within bacterial biofilms, we searched for novel metabolic amino acid cross-feeding in isogenic Escherichia coli biofilm colonies. In chapter 3, using metabolomics, global and spatial transcriptomics, and confocal fluorescence imaging, we found new evidence suggesting alanine cross-feeding between different regions of the biofilm. This cross-feeding interaction had important consequences for colony growth and morphology, and for bacterial survival within the biofilm. Biofilms are hypothesized to have an enrichment of slow-growing cells caused by environmental heterogeneity. Due to a lack of techniques for monitoring spatial metabolism this idea has however not been validated in vivo. We developed a new method to study slow-growing cells. In chapter 4, as a proof of concept, slow growing cells were enriched from a CRISPRi library by sorting them according to a fluorescent growth rate reporter. This technique could be applied to study slow growing cells within bacterial biofilms. In chapter 5, we focused on how biofilms respond to antibiotic stress. Using V. cholerae biofilms, we found that bacteria respond at the single-cell level and at the multicellular level when exposed to translational inhibitors. Specifically, the cell volume and cell-cell spacing increased upon protein synthesis inhibition. These architectural changes had important consequences for the ecology of biofilms, in particular antibiotic-treated biofilms were prone to invasion by other bacterial cells and bacteriophages. In conclusion, this dissertation contributes to answer important questions in the field of biofilm research. It improves our understanding of bacterial biofilms, and could facilitate the development of new strategies to combat biofilms in clinical and industrial settings. Furthermore, this work highlights the importance of applying techniques with single-cell resolutions to study biofilms.

Zusammenfassung:
Bakterien schließen sich für gewöhnlich, eingebettet in einer selbst produzierten Matrix, in Gemeinschaften zusammen. Diese sogenannten Biofilme sind in vielen natürlichen, klinischen und industriellen Prozesse involviert. So beeinflussen sie beispielsweise biochemische Umweltzyklen, erhöhen bei Infektionen die Resistenz gegen Antibiotika und sind gemeinhin verbunden mit Ertragsverlusten in der Nahrungsmittelherstellung und industriellen Produktionen. Die Forschung an Biofilmen ist fundamental für die Entwicklung neuer Strategien zur Bekämpfung von Biofilmen, aber auch für das Verständnis der bakteriellen Physiologie in natürlichen Umgebungen. Eine große Rolle spielen hier insbesondere der Prozess der Biofilmformierung, der zelluläre Metabolismus und die kollektive Antwort auf Stressoren. Diese Dissertation gibt Antworten auf offene Fragen in der Biofilmforschung. Wie formen sich Biofilme und welche Faktoren bestimmen deren Architektur? Wie spielen Biofilmheterogenität und Metabolismus zusammen? Wie interagieren verschiedene mikrobielle Subpopulationen innerhalb eines isogenen Biofilms? Wie reagieren Biofilme auf dem einzel- und multizellulären Level auf Stress und was folgt aus der Reaktion? In Kapitel 2 zeigen wir, dass mechanische Zell-Zell Interaktionen die Architektur von oberflächenverbundenen Vibrio cholerae Biofilmen bestimmt. Mittels Einzelzellsegmentierung von Mikroskopie Bildern und in silico Simulierungen, konnten wir ein Interaktionspotential definieren, welches die Biofilmarchitektur vorhersagen kann. Um Biofilmheterogenität und metabolische Interaktionen zu identifizieren, suchten wir nach unbeschriebenen Aminosäure cross-feeding Verhalten zwischen Subpopulationen, innerhalb eines isogenen Escherichia coli Biofilms. In Kapitel 3 beschreiben wir, gestützt durch Metabolom-Analysen, globalen und räumlichen Transkriptom-Analysen und Konfokalmikroskopie, ein Alanin-cross-feeding zwischen den Zellen verschiedener Biofilmregionen. Diese Interaktion hat wichtige Konsequenzen für die Form, sowie das Wachstum der Kolonie und für das Überleben der Bakterien innerhalb des Biofilms. Es wird angenommen, dass Aufgrund der heterogenen Bedingungen innerhalb des Biofilms, langsam wachsende Zellen akkumulieren. Dies konnte jedoch bisher, wegen der fehlenden Technik Metabolismus räumlich nachzuverfolgen, in vivo nicht bewiesen werden. Dadurch motiviert, haben wir eine neue Methode entwickelt, um diese Zellen zu untersuchen. In Kapitel 4 haben wir als konzeptionellen Beweis, langsam wachsende Zellen mittels Fluss-Sortierers und einem fluoreszierenden Wachstumsraten-Reporter angereichert. Diese Technik kann dazu genutzt werden, langsam wachsende Zellen innerhalb von Biofilmen zu untersuchen. Kapitel 5 befasst sich damit, wie Biofilme auf Stress durch Antibiotika reagieren. In V. cholerae Biofilmen haben wir herausgefunden, dass Bakterien auf dem einzel- und multizellulären Level auf Translationsinhibitoren reagieren. Als Folge, hat sich insbesondere das Zellvolumen und der Abstand zwischen den einzelnen Zellen erhöht. Diese architektonischen Veränderungen haben wichtige Folgen für die Ökologie der Biofilme, so sind sie anfälliger für die Invasion durch andere Bakterien oder Bakteriophagen. Diese Dissertation trägt dazu bei, wichtige Fragen der Biofilmforschung zu beantworten und das Verständnis von Biofilmen zu verbessern. Dies kann dazu beitragen, neue Strategien für den Kampf gegen Biofilme in klinischen und industriellen Bereichen zu entwickeln. Außerdem unterstreicht diese Arbeit die Wichtigkeit der Verwendung von Techniken mit Einzelzellauflösung für die Forschung an Biofilmen.


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