Aufklärung der Stressantwort bakterieller Biofilme mittels elektromagnetischer Sensoren und Transkriptomanalyse auf Einzelzellniveau
Phase 1
Das Projekt zielt darauf ab, physiologische und genetische Anpassung einzelnen Bakterienzellen aus realen Biofilmen infolge von Umwelteinflüssen durch Beprobung quantitativ zu korrelieren. Mit einem solchen System wird ein vertieftes Verständnis der Mechanismen möglich, die dieser schnellen Anpassungsfähigkeit von Bakterien zugrunde liegt. Dieses Verständnis lieferte die Grundlage für die Entwicklung besserer und effizienterer Strategien zur Verhinderung oder Entfernung von Biofilme.
Projektleitung und beteiligte Institute:
Prof. Dr.-Ing. Rolf Jakoby, Technische Universität Darmstadt, Institut für Mikrowellentechnik und Photonik
Dr. Bastian Rapp, Karlsruhe Institut für Technologie, Institut für Mikrostrukturtechnik
Prof. Thomas Schwartz, Karlsruhe Institut für Technologie, Institut für Funktionelle Grenzflächen
Forschungsgruppe:
M. Sc. Sönke Schmidt
Dr.-Ing. Martin Schüßler
Dr.-Ing. Christiane Richter
M. Sc. Julia Bruchmann
Ziele
- Untersuchung von Strategien zur Kultivierung, Fixierung und zum Auflösen von Biofilmen
- Entwicklung mikrofluidischer Durchflussfilter Filter zum Prozessierend er aufgelösten Biofilme
- Entwicklung mikrofluidischer Systeme für die Immobilsierung von Einzelzellen mit Kompatibilität zur elektrischen Impedanzspektroskopie
- Untersuchung eines Impedanzspektroskopiesystems für den Frequenzbereich von 0.1 bis 67 GHz
- Methoden zur Parameterextraktion auf Einzelzellniveau zur Unterscheidung morphologischer Änderungen in den Zellen
- Untersuchungen von Extraktionsprotokollen zur Einzelzell-Genexpressionsanalyse aus Zellfallen
- Entwicklung zur mRNA Verstärkung für Einzelzellen
Abstract
Biofouling kommt in der Natur überall vor. Die Bildung dieser sogenannten Biofilme ist eine besondere Herausforderung für technische Systeme in wässrigen Umgebungen. Biofilme sind sessile Kolonien von Bakterien auf technischen Substraten, die symbiotisch koexistieren und sich gegenseitig metabolisch ergänzen und vor Umwelteinwirkungen schützen. Bakterien in Biofilmen sind wesentlich resistenter gegen äußere Einwirkungen als Bakterien im planktonischen Zustand in Lösung. Aufgrund der Tatsache, dass Biofilme die Funktionalität technischer Systeme (Membranprozesse, Materialeigenschaften, etc.) gefährden, sind sie ein großes ökonomisches Problem. Allerdings sind sie mittlerweile auch zu einem großen Problem für die menschliche Gesundheit geworden. Ihr kurzer Lebenszyklus erlaubt eine schnelle genetische Anpassung, was beispielsweise zur schnellen Immunisierung gegen Antibiotika führt. Das ist mittlerweile ein gegenwärtiges Problem in Krankenhäusern, wo Biofilme mit diesen resistenten Keimen zu einer Quelle gefährlicher Infektionen und ähnlicher Krankheiten geworden sind.
Um bessere Strategien zur Verhinderung oder Entfernung von Biofilmen zu entwickeln, sind neue Werkzeuge notwendig, die es erlauben, die physiologische und genetische Anpassung von Bakterien in Biofilmen zu untersuchen, die mit einer bestimmten Behandlungsmethode gestresst wurden. Das Ziel dieses Projektes ist es, ein solches Werkzeug zu entwickeln, das es erlaubt, physiologische (morphologische) und genetische Anpassung auf Einzelzellniveau quantitativ zu untersuchen. Im Rahmen dieses Projektes wird dieses System auf Biofilme aus Einzelzellpopulationen eingesetzt werden, die durch bestimmte Behandlungsstrategien gestresst werden, um physiologische und genetische Anpassung zu induzieren. Die Biofilme werden dann mit geeigneten Enzymcocktails behandelt, die präferiert die extrazelluläre Matrix angreifen, und damit Biofilme zu Zellsuspensionen zersetzen. Diese Suspensionen werden dann in einem mikrofluidischen System durchflussfiltriert und die einzelnen Bakterien mechanisch gefangen. Im immobilisierten Zustand werden die Zellen unter Verwendung von elektrochemischer Impedanzspektroskopie im Mikrowellenfrequenzbereich untersucht. The Messdaten werden an Ersatzschaubilder gefittet und die relevanten Parameter der Modelle zwischen Bakterien aus unterschiedlich behandelten Biofilmen verglichen. Zusätzlich werden die Zellen für Genexpressionsanalyse auf Einzelzellniveau extrahiert, was eine Korrelation zwischen elektrischen (physiologischen) und genetischen Änderungen erlaubt.
Dieser kombinierte Ansatz zielt darauf ab physiologische und genetische Anpassung einzelnen Bakterienzellen aus realen Biofilmen infolge von Umwelteinflüssen durch Beprobung quantitativ zu korrelieren. Mit einem solchen System wird ein vertieftes Verständnis der Mechanismen möglich, die dieser schnellen Anpassungsfähigkeit von Bakterien zugrunde liegt. Dieses Verständnis lieferte die Grundlage für die Entwicklung besserer und effizienterer Strategien zur Verhinderung oder Entfernung von Biofilme.
Publikationen
Julia Bruchmann, Kai Sachsenheimer, Bastian E. Rapp, Thomas Schwartz: „Destabilization of biofilms in a microfluidic online sensor targeting eDNA degradation“, Biofilms7, 2016, Porto
K. Sachsenheimer, J. Bruchmann, T. Schwartz, B. E. Rapp: „Integrated peristaltic pump for probing a biofilm online monitoring system“, µTAS, 2016, Dublin, Ireland
Michler, Fabian, et al.: „Calibration scheme for microwave biosensors using exclusively liquid calibration standards“, 2016 IEEE Topical Conference on Biomedical Wireless Technologies, Networks, and Sensing Systems (BioWireleSS).
Schmidt, Sönke, et al.: „Concept and design of a 40 GHz differential sensor for the analysis of biomedical substances“, 2016 IEEE Topical Conference on Biomedical Wireless Technologies, Networks, and Sensing Systems (BioWireleSS).
Sönke Schmidt, Martin Schüßler and Rolf Jakoby: „All Liquid Based Calibration Scheme for Microwave Dielectrometry“, IEEE MTTS International Microwave Symposium 2017, Hawaii
Christiane Richter, Nadine Kirschner, Matthias Worgull, Bastian E. Rapp, „Fast and cheap fabrication of molding tools for polymer replication“, Proc. SPIE 10061, Microfluidics, BioMEMS, and Medical Microsystems XV, 100610D (28 February 2017); doi: 10.1117/12.2249831