Dokument: Bacterial communication in synthetic biology quantified by single cell (droplet) microfluidics

Titel:	Bacterial communication in synthetic biology quantified by single cell (droplet) microfluidics
Weiterer Titel:	Bakterielle Kommunikation in der synthetischen Biologie quantifiziert mittels Einzelzell- (Tröpfchen) Mikrofluidik
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=45583
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20180503-084126-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Mueckl, Andrea [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 21,43 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 15.04.2018 / geändert 15.04.2018
Beitragende:	Jun.-Prof. Dr. Axmann, Ilka M. [Gutachter] Kollmann, Markus [Gutachter]
Stichwörter:	synthetic biology, microfluidics, emulsion droplets, AHL
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Kommunikation zwischen Mikroben wird als Quorum sensing bezeichnet. Diese Art der Kommunikation ist abhängig von der Zelldichte und regelt diverse Funktionen im mikrobiellen Zusammenleben. Quorum sensing wird ermöglicht durch einen autoregulativen Prozess, welcher die Produktion, das Aussenden und den Empfang von kleinen, diffundierenden Molekülen, den sogenannten AHLs, organisiert. Ausgehend von den natürlichen QS-Komponenten des gramnegativen Bakteriums Aliivibrio fischeri, wurde in dieser Studie ein voneinander getrenntes Sender-Empfänger System in Escherichia coli implementiert. Dabei wird AHL von den Senderzellen synthetisiert und in den Empfängerzellen durch Genexpression nachgewiesen. Dieses System ist schon lange bekannt und wird häufig zur Synchronisation von bakteriellem Verhalten in der synthetischen Biologie eingesetzt. Jedoch fehlen bis dato, wichtige Informationen zur zellulären Heterogenität und Stochastizität sowie Informationen über die Kommunikationsfähigkeit bakterieller Populationen in zum Beispiel Wasser-in-Öl Tröpfchen. In dieser Dissertation quantifizieren wir Genexpressionsdynamiken auf der Einzelzellebene, bewerten zelluläres Rauschen sowie das Verhalten von Subpopulationen und zeigen eine Möglichkeit auf, die effektive AHL-Konzentration in einem Gemisch aus Sender- und Empfängerzellen zu bestimmen. Unsere Methode kann dazu beitragen, eine detaillierte, quantitative Aussage über andere, natürliche bakterielle Kommunikationssysteme zu erhalten. In einer weiteren Studie wurde klargestellt, ob Kommunikationsschaltkreise über Emulsionströpfchen hinaus kreiert werden können und unter welchen Gesichtspunkten der Diffusionsprozess stattfindet. Wir starteten ein Kommunikationsexperiment mit dem Ziel möglichst große Flächen von Tröpfchenaneinanderreihungen als auch eindimensionale Anordnungen durch die Diffusion von amphiphilen Chemikalien wie AHL und IPTG zu induzieren. Wir waren die Ersten, die zeigen konnten, dass eine Kommunikation zwischen bakteriellen Empfängern und einem synthetischen, zell-ähnlichen Kompartiment welches AHL über einen zellfreien Synthesemechanismus produziert, aufgebaut werden kann. Die Ergebnisse dieser Studie können für weitere Bereiche der programmierbaren Musterbildung durch einen potentiell einstellbaren Diffusionskoeffizienten von Bedeutung sein. Bacterial communication or quorum sensing (QS) is a cell-density dependent way to regulate diverse functions in microbial communities. QS is mediated by autoregulative processes involving the production, sense and response of small, diffusible molecules such as acyl homoserine lactone (AHL). We utilize an artificial QS system based on isolated sender and receiver parts of the marine bacterium Aliivibrio fischeri and implemented the components in Escherichia coli. The sender cells produce AHL, while the receiver cells express a reporter gene in presents of AHL. The system is widely applied in synthetic gene circuits for the synchronization of bacterial behavior. However, to this end, important information on cellular heterogeneity and stochasticity of the system is lacking as well as information on the communication ability of bacterial groups confined for example in water-in-oil emulsion droplets. In this thesis, we quantified gene expression dynamics at the single cell level, evaluated noise and subpopulation behavior of receiver cells and provided a method to determine the effective AHL concentration at the colony level in co-cultured sender and receiver bacteria. Our results provide quantitative detail and can be further used to elucidate communication behavior of other and natural bacterial communication systems. We further clarified whether communication circuits can be established across emulsion droplets and what mechanisms describe the diffusion processes. We established artificial communication over large arrays of microemulsion droplets and linear droplet chains by the diffusion and integration of two amphiphilic inducer chemicals. We were the first showing communication between a bacterial receiver unit and an artificial cellular sender compartment producing AHL cell-free. Our results demonstrate the potential of programmed pattern formation by a tunable diffusion coefficient.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Mikrobiologie
Dokument erstellt am:	03.05.2018
Dateien geändert am:	03.05.2018
Promotionsantrag am:	16.01.2018
Datum der Promotion:	19.03.2018