Forschung

Prinzipien der Matrix-Architektur in Biofilmen

Biologische Gewebe sind komplexe, dreidimensionale Strukturen. Diese werden durch zelluläre Organismen gebildet, welche sich in einer Matrix aus selbst produzierten Biopolymerfasern einbetten. Das Ziel unserer Gruppe besteht darin, grundlegende Prinzipien der Gewebearchitektur aufzuklären. Deshalb untersuchen wir, wie Zellen ihre extrazelluläre Matrix zu einer komplexen, dreidimensionalen und suprazellulären Mikroumgebung strukturieren, welche sich sowohl i) aus den physikalischen Beschränkungen der Wirtsoberfläche ergibt als auch ii) mechanische und biologische Funktionen erfüllt.

Dazu verfolgen wir einen von der Materialwissenschaft inspirierten Top-Down-Ansatz:

  • makroskopische raumzeitliche Charakterisierungen der Gewebegeometrie und -mechanik
  • mikroskopische Strukturuntersuchungen der Gewebeorganisation
  • rechnergestützte Modellierung der biophysikalischen Gesetze, die bei der Entstehung von Gewebemustern eine Rolle spielen

Biofilme sind derzeit unser Hauptschwerpunkt. Diese gewebeartigen komplexen 3D-Strukturen aus Biopolymeren werden von Bakterien hergestellt. Biofilme haben einen negativen Effekt auf die Gesundheit, sie bilden Antibiotikaresistenzen und können industrielle Prozesse negativ beeinflussen.

Das Verständnis über den Aufbau dieser biologischen Materialien, kann helfen, Strategien zu entwickeln, die ihre Entstehung verhindern und ihre Beseitigung begünstigen. Darüber hinaus sind Biofilme zu einer großen Inspirationsquelle für die Entwicklung biologischer Materialien mit dynamischen Eigenschaften geworden, was unsere Forschung ebenfalls stark motiviert. 

Um Einblicke in die Prinzipien der Matrixarchitektur in mikrobiellen Geweben zu erhalten, untersuchen wir das geometrische, mechanische und chemische Verhalten von Biofilmen, während sie in verschiedenen physikalischen und chemischen Umgebungen gezüchtet werden. Dazu haben wir Methoden für Live-Bildgebung, Bildanalyse und Probenpräparation entwickelt, welche wir in Kombination mit Fluoreszenz-Stereomikroskopie, Spektroskopie und Röntgenbeugungs-techniken einsetzen. 

 

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