Microfluidics and optical micromanipulations studies on communication and community-formation in quorum sensing bacteria  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
84335
Type K
Principal investigator Ormos, Pál
Title in Hungarian Baktériumok kommunikációjának és közösségformálásának vizsgálata optikai manipulációs és mikrofluidikai módszerekkel
Title in English Microfluidics and optical micromanipulations studies on communication and community-formation in quorum sensing bacteria
Keywords in Hungarian mikrofluidika, optikai csipesz, quorum érzékelés
Keywords in English microfluidics, optical tweezers, quorum sensing
Discipline
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)70 %
Ortelius classification: Molecular biophysics
Bioinformatics (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Panel Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent Institute of Biophysics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants Aekbote, Badri Lakshmanrao
Búzás, András
Fábián, László
Kelemen, Lóránd
Kerényi, Ádám Szilárd
Pongor, Sándor
Reiz, Beáta
Szegletes, Zsolt
Valkai, Sándor
Starting date 2011-03-01
Closing date 2015-02-28
Funding (in million HUF) 39.896
FTE (full time equivalent) 15.69
state closed project
Summary in Hungarian
A mikrobiális közösségek különösen fontos szerepet játszanak az egysejtű élőlények világában. A bél mikroflórája, a rizoszféra, a kórházakban fellelhető baktériumok, vagy a fémek víz alatti rozsdásodásáért felelős biofilmek akár több száz baktériumfajt is tartalmazhatnak, melyek diffúzibilis anyagok segítségével kommunikálnak egymással. E telepek még a szabad természetben is rendkívül ellenállóak, stabilitásuk oka ma még nagyrészt ismeretlen.

Céljunk a jól definiált, szintetikus mikrobiális konzorciumok stabilitásának vizsgálata optikai mikromanipulációval és mikrofluidikával. Modellként az opportunista patogén Pseudomonas aeruginosa-t fogjuk használni, mely jólismert jelmolekulákkal és szekretált molekulákkal kommunikál. Tervezett, jelkibocsátásra képtelen mutánsokat használunk szenzorként, igy a sejtek aktivációját és a baktériumok motilitását az egyes sejtek szintjén is kimutathatjuk, akár zárt, akár nyílt rendszert modellezünk. A kolóniák stabilitásához szüksgéges minimális tulajdonságokat számítógépes szimulációkkal határozzuk meg.

Reményeink szerint új típusú adatokat nyerünk majd arra nézve, hogy az egyes sejtek kommunikációja, a diffúzió és a topológia hogyan járul hozzá a baktérium közösségek stabilitásához. Az optikai manipulációhoz, mikrofluidikához és in silico modellezéshez szükséges baktériumok, a technikai eszközök és a szaktudás a pályázók rendelkezésére állnak. A munkánkból nyert tudás felhasználható olyan rendszerek vizsgálatánál, melyeknél szerepe van a kollektív jelenségeknek, mint például a fertőzések, az új élőhelyek kolonizációja, járványok kialakulása, és ötleteket adhat káros mikrobiális közösségek elleni stratégiák kifejlesztésére is.
Summary
Multispecies microbial consortia are a major form of life for many
unicellular organisms. Communities such as the gut microflora, the
rhizosphere, bacteria of hospital environments or biofilms damaging
underwater metal surfaces can contain hundreds of species capable of
communicating with each other via diffusible materials, and are often
remarkably stable even in open environments. The reasons of this stability
are poorly understood.

We propose to study the stability of microbial consortia with synthetic
communities of well defined topology, using microfluidics and optical
tweezers. We will use Pseudomonas aeruginosa, an opportunistic pathogen
that communicates via a set of signals and public goods. We will set up
experimental arrangements where engineered mutants deficient in signaling
will be used as sensors, and the activation of signaling and the onset of
bacterial motility can be recorded between individual cells in a
controlled microenvironment mimicking either closed or completely open
systems. We will use computer simulations to determine the minimal set of
properties necessary to reproduce the observed stability criteria.

We hope to generate new kind of data on how communication between
individual cells contributes to the stability of bacterial
microcommunities and how diffusion and community topology influences these
phenomena. The bacterial models, expertise and tools of optical
micromanipulation, microfluidics and in silico modeling are available at
the proposers. labs. The knowledge obtained can be employed to systems in
which collective phenomena play a role, such as the infection of hosts by
pathogens, colonization of new habitats, epidemies, etc and may provide
clues for designing strategies against unwanted microbial communities.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A kutatások alapproblémája a baktérium sokaságok mozgása, a kollektív mozgások alapját képező kommunikáció mechanizmusának a részletei, jellegzetes viselkedési mintázatok megfigyelése. A megközelítési technikák egyrészt a baktériumpopulációk számítógépes elméleti modellezése, másrészt pedig a mozgások kísérleti megfigyelése és jellemzése meghatározóan optikai mikromanipulációs és mikrofluidikai technikák alkalmazásával. Az elméleti számítások a baktériumtelepek kialakulását, a sokaság mozgását modellezték ágens modellek segítségével, a kollektív makrojelenségektől a genom jellegzetességéig. A kísérleti kutatásokban a baktériumok releváns jellemzőit vizsgáltuk, mind élő baktériumokon, mind pedig mesterségesen előállított modellrendszereken. Fejlesztettünk mikroszkopikus spektroszkópiai technikákat, amelyek a mikrofluidikai környezetben lehetővé teszik baktériumok részletes vizsgálatát.Kidolgoztunk olyan fénnyel hajtott mikroszkopikus modelleket, amelyekkel a baktériumok mozgásának fizikai jellegzetességei zavaró körülményektől mentesen, tisztán vizsgálhatók. Ezek alkalmazásával lényeges új jelenségeket figyeltünk meg és jellemeztünk a bakteriális mozgások tartományában. A két területen (elmélet és kísérlet) a terület által kívánt irányban folyt a munka, az elméleti és kísérleti irányok összeérése a pályázat végére került elérhető közelségbe. A munkából készült közleményekre összesen már száznál több hivatkozás érkezett.
Results in English
The fundamental question of the research is the motion of many bacteria, the details of the communication on which the colllective motions are based, observation of characteristic behavior patterns. The approach was on one hand theoretical computer modelling of bacterial populations, on the other hand experimental observation and characterization of motions primarily using optical micromanipulation in microfluidics environment. The theoretical model calculations characterized the formations of bacterial colonies, their motions using agent models, from collective macro-phenomena down to genomic properties. In the experiments we investigated the characteristic of bacterial motion, on live bacteria but also on artificially produced model systems. We elaborated microscopic spectroscopic techniques that enable the detailed observation of bacteria in microfluidics environment. We developed light driven microscopic models on which the characteristic properties of bacterial motions can be studied without disturbing environmental side effects. Using these systems we observed and characterized in detail significant new phenomena in bacterial motion. The two areas (theory and experiment) both proceeded as dictated by their own logic, their merging came close by the end of the project. Already over hundred citations came to the papers produced by this work.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=84335
Decision
Yes





 

List of publications

  
Ádám Kerényi, Dóra Bihary, Vittorio Venturi, Sándor Pongor: Stability of Multispecies Bacterial Communities: Signaling Networks May Stabilize Microbiomes, PLOS One, 2013
D. Bihary, A Kerényi, Z. Gelencsér, S Netotea, A Kertész-Farkas, V.Ventura, S. Pongor: Simulation of communication and cooperation in multispecies bacterial communities with an agent based model, Scalable Computing: Practice and Experience, Vol 13, pp. 21-28, 2012
Palima D., A. R. Bañas, G. Vizsnyiczai, L. Kelemen, P. Ormos, and J. Glückstad: Wave-guided optical waveguides, Optics Express 20: 2004-2014, 2012
Di Leonardo Roberto, Búzás András, Kelemen Lóránd, Vizsnyiczai Gaszton, Oroszi László, and Ormos Pál: Hydrodynamic Synchronization of Light Driven Microrotors, Physical Review Letters, 109, 034104, 2012
Akebote, B. L., Jacak, J., Schuetz, G. J.,Csanyi, E.; Szegletes, Z., Ormos, P., Kelemen, L.: Aminosilane-based functionalization of two-photon polymerized 3D SU-8 microstructures, European Polymer Journal 48 1745-1754 (2012), 2012
Búzás A., Kelemen L., Mathesz A., Oroszi L., Vizsnyiczai G., Vicsek T., and Ormos P.: Light sailboats: Laser driven autonomous microrobots, Appl. Phys. Lett. 101, 041111 (2012), 2012
Fabian L, Heiner Z, Mero M, Kiss M, Wolff EK, Ormos P, Osvay K, Der A: Protein-based ultrafast photonic switching, OPTICS EXPRESS 19: 18861-18870, 2011
Gelencsér, Z.; Galbáts, B.; Gonzalez, J.F.; Choudhary, K.S.; Hudaiberdiev, S.; Venturi, V.; Pongor, S.: Chromosomal arrangement of AHL.driven quorum sensing circuits in Pseudomonas, ISRN Microbiology, Volume 2012, Article ID 484176, 2012
Gelencsér, Z.; Choudhary, K.S.; Coutinho, B.G.; Hudaiberdiev, S.; Galbáts, B.; Venturi, V.; Pongor, S.: Classifying the topology of AHL-driven quorum sensing circuits in proteobacterial genomes, Sensors, 12(5), 5432-5444, 2012
Palima, D; Banas, AR; Vizsnyiczai, G; Kelemen, L; Aabo, T; Ormos, P; Glückstad J: Optical forces through guided light deflections, ◦Optics Express, Vol. 21 Issue 1, pp.581-593, 2013
G. Vizsnyiczai, L. Kelemen, B. Aekbote, A. B´uz´as, P. Ormos: Indirect optical manipulation of live cells with functionalized polymer microtools, EUROPEAN BIOPHYSICS JOURNAL WITH BIOPHYSICS LETTERS Volume: 42 Supplement: 1 Pages: S114-S114, 2013
B. L. Aekbote, L. Kelemen, A. Buzas, P. Ormos: Optical tools for localized fluorescence enhancement, EUROPEAN BIOPHYSICS JOURNAL WITH BIOPHYSICS LETTERS Volume: 42 Supplement: 1 Pages: S139-S139, 2013
A. Kincses, S. Valkai, F. Walter, M. A. Deli, P. Ormos, A. Dér: Lab-on-a-chip tool for bioelectronic investigations, EUROPEAN BIOPHYSICS JOURNAL WITH BIOPHYSICS LETTERS Volume: 42 Supplement: 1 Pages: S40-S40, 2013
Di Leonardo R, Buzas A, Kelemen L, Vizsnyiczai G, Oroszi L, Ormos P: Hydrodynamic Synchronization of Light Driven Microrotors, PHYSICAL REVIEW LETTERS 109:(3) Paper 034104., 2012
Di Leonardo R, Buzas A, Kelemen L, Vizsnyiczai G, Oroszi L, Ormos P: Hydrodynamic Synchronization of Light Driven Microrotors, PHYSICAL REVIEW LETTERS 109:(3) Paper 034104., 2012




 

Events of the project

  
2013-08-29 23:08:39
Résztvevők változása
2012-06-12 11:12:47
Résztvevők változása
2011-09-13 08:51:49
Résztvevők változása



Back »