Architecture, spatial metabolism and stress response of bacterial biofilms

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 ant...

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Main Author: Díaz Pascual, Francisco Javier
Contributors: Drescher, Knut (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2021
Subjects:
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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.