Molekulare Regulationsmechanismen in der Entstehung der dreidimensionalen Matrixarchitektur in Biofilmen von Escherichia coli
Creators: name: Polenz, Thi Kim Loan
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: E. coli K12
subject: Makrokoloniebiofilm
subject: Biofilmarchitektur
subject: Heterogenität
subject: macrocolony biofilm
subject: biofilm architecture
subject: heterogeneity
subject: 570 Biologie

description: Diese Arbeit erlaubt einen erweiterten Einblick in die Regulation c-di-GMP-abhängiger Prozesse im Rahmen der Makrokolonieentwicklung von E. coli K12 AR3110, darunter die heterogene Expression des Masterregulators der Biofilmbildung CsgD und die räumlich differenzierte Matrixproduktion. Es konnte erstmals die Verteilung des Signalmoleküls c-di-GMP dargestellt werden und auch die damit einhergehe Dynamik der RdcA/B-DgcE-vermittelten Expression von csgD innerhalb einer Makrokolonie aufgeklärt werden. Zusätzlich konnten weitere Mechanismen in der Kontrolle der CsgD-Aktivität und Proteolyse identifiziert werden; darunter seine zelluläre Aggregation in spezifischen Zonen der Makrokolonie und sein proteolytischer Abbau (durch Lon-Proteasen). Diese Ergebnisse lassen eine präzise gesteuerte Koordination beschriebener Prozesse annehmen, die durch die Entstehung vertikaler Nähr- und Sauerstoffgradienten vermittelt wird. In ihrer Gesamtheit führen sie zu einer räumlich geordneten Produktion und Anordnung von Curlifasern und pEtN-Cellulose in der Makrokolonie, die zur Ausbildung der komplexen dreidimensionalen Matrixarchitektur führen. Jedes einzelne Matrixelement weist dabei eine charakteristische Zusammensetzung und Anordnung auf, die mit spezifischen Materialeigenschaften einhergehen. So bilden sie eine biofilminterne Gerüststruktur aus, die als mechanische Grundlage für die Auffaltung angenommen werden kann. Mikroskopische Analysen konnten matrixfreie, lokal proliferierende Zellen als treibende Kraft darstellen. Sie sind für den Aufbau und auch den Ausgleich eines Kompressionsdrucks verantwortlich, der die Auffaltung überhaupt verursacht. In ihrer Gesamtheit zeigt diese Arbeit, dass sowohl matrixfreie als auch matrixproduzierende Zellen eine horizontale Ausbreitung der Kolonie ermöglichen, ohne den Biofilm und darin befindliche Zellen zu beeinträchtigen. Auf diese Weise sind sie essenziell für die Aufrechterhaltung der physischen Integrität und Homöostase der Makrokolonie.
description: This work allows further insight into the regulation of c-di-GMP-dependent processes within the development of macrocolonies of E. coli K12 AR3110, including the heterogeneous expression of the master regulator CsgD and spatially differentiated matrix production. For the first time, the distribution of second messenger molecule c-di-GMP was visualized along the macrocolony axis. Furthermore, this study was able to elucidate the dynamics of RdcA/B-DgcE-controlled csgD expression and find additional mechanisms in the control of CsgD activity and proteolysis; including its cellular aggregation in specific zones and its proteolytic degradation by Lon-Preoteases. Overall, these results suggest a very precise coordination of cellular processes that depend on the presence of vertical oxygen and nutrient gradients which lead to a spatially defined production and arrangement of curlifibres as well as pEtN-Cellulose within the macrcocolony. This results in the formation of a complex three-dimensional matrix architecture with each individual matrix element exhibiting a characteristic composition and arrangement associated with specific material properties. That way they form a biofilm-internal scaffolding structure that represents the mechanical basis for macrocolony folding. Microscopic analyses were able to identify matrix-free and locally proliferating cells as driving force. They seem to be responsible for both creating as well as releasing pressure on matrix structures that causes buckling up in the first place. Taken together, this work shows that both matrix-free, proliferating cells and matrix-producing cells enable the horizontal spreading of the macrocolony without affecting the biofilm and cells located within. Thus, they are essential for maintaining physical integrity and homeostasis within the macrocolony.