PP 1617: Phenotypic Heterogeneity and Sociobiology of Bacterial Populations


Bakterielle Biofilme zeigen räumliche physiologische Differenzierung, die Nährstoff- und/oder Sauerstoffgradienten folgt. Fluoreszenz- und EM-Analysen von Kryoschnitten durch Makrokoloniebiofilme von E. coli zeigen eine klare Stratifizierung mit wachsenden, flagellierten Zellen in der unteren Schicht und an den Rändern und mit kleinen Stationärphasenzellen in der oberen Schicht, die eine Matrix aus Curli-Fasern und Cellulose bilden. In der Übergangsschicht dazwischen finden sich matrixproduzierende und matrixfreie Zellen direkt nebeneinander. Außerdem bleibt der MatrixON-Zustand in Tochterzellen stabil erhalten, wodurch zufällig orientierte und von Matrix umhüllte kleine Zellketten (wenn nur Curli produziert wird) oder vertikale ‚Säulen‘ (wenn Curli und Cellulose produziert wird) in der Übergangsschicht entstehen. Curli- und Cellulose-Biosynthese stehen unter Kontrolle des Biofilm-Schlüsselregulators CsgD, der dieselbe heterogene Expression in Makrokolonien zeigt. Die Transkription von csgD benötigt eine Transkriptionsfaktorkaskade (RpoS, MlrA) sowie c-di-GMP-abhängigen Signal-Input. Zudem wird die csgD mRNA von mehreren kleinen regulatorischen RNAs angesteuert. In diesem Kontrollnetzwerk findet sich an drei Stellen gegenseitige Inhibition sowie ein positiver Feedback-Loop, d.h. also Kontrollmotive, die Bistabilität erzeugen können. Erste genetische Untersuchungen sowie ein vorläufiges mathematisches Modell (in Zusammenarbeit mit Dr. K. Yousef and Dr. M. v. Kleist, FU Berlin) weisen auf das c-di-GMP-Kontrollmodul als hauptsächliche Quelle der bimodalen CsgD-Expression und Matrix-Synthese hin. Insgesamt ist das Forschungsthema also die Heterogenität der extrazellulären Matrixproduktion in bestimmten Zonen eines bakteriellen Biofilms, wobei unsere Vorarbeiten zeigen, dass es sich hier um ein Beispiel von zellulärer Arbeitsteilung handelt, die für die strukturelle Integrität des sich entwickelnden Biofilms wesentlich ist. Da diese Arbeitsteilung in direkt benachbarten Zellen beobachtet wird, kann diese nicht durch verschiedene äußere Bedingungen bewirkt werden, sondern beruht eher auf dem Bistabilitätspotenzial des zugrunde liegenden regulatorischen Netzwerks, was durch eine vorläufige mathematische Modellierung unterstützt wird. Das umfassende Ziel des Projekts ist es, die genauen molekularen Mechanismen und physiologischen Funktionen dieser fein ausgewogenen und präzise lokalisierten Heterogenität in einer hochstrukturierten bakteriellen Gemeinschaft aufzuklären und dass sie beschreibende mathematische Modell weiter zu verfeinern und zu testen.


Principal Investigators
Hengge, Regine Prof. Dr. (Details) (Microbiology)

Duration of Project
Start date: 07/2015
End date: 12/2019

Research Areas
Biochemistry, Biophysics, Mathematics, Medicine

Publications
Yousef, K.P., A. Streck, C. Schütte, H. Siebert, R. Hengge, and M. von Kleist (2015) Logical-continuous modelling of post-translationally regulated bistability of curli fiber expression in Escherichia coli. BMC Syst. Biol. 23, 39. doi: 10.1186/s12918-015-0183-x.

Serra, D.O., G. Klauck, and R. Hengge (2015) Vertical stratification of matrix production is essential for physical integrity and architecture of macrocolony biofilms of Escherichia coli. Environ. Microbiol. 17, 5073-5088. doi: 10.1111/1462-2920.12991.

Klauck, G., D.O. Serra, A. Possling, and R. Hengge (2018) Spatial organisation of different sigma factor activities and c-di-GMP signalling within the 3D landscape of a bacterial biofilm. Open Biol. 8: 180066. doi: 10.1098/rsob.180066.

Last updated on 2021-15-09 at 13:16