 |
Studying ageing related phenomena in bacteria using holographic optical tweezers
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
116516 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Galajda, Péter |
| Title in Hungarian |
Baktériumsejtek öregedésével kapcsolatos jelenségek vizsgálata holografikus optikai csipesszel |
| Title in English |
Studying ageing related phenomena in bacteria using holographic optical tweezers |
| Keywords in Hungarian |
baktériumok, öregedés, fenotípus, mikromanipuláció, mikrofluidika, optikai csipesz |
| Keywords in English |
bacteria, ageing, phenotype, micromanipulation, microfluidics, optical tweezers |
| Discipline |
| Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences) | 70 % | | Ortelius classification: Physiological biophysics | | Microbiology: virology, bacteriology, parasitology, mycology (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 |
Búzás, András
Haja, Orsolya
Kelemen, Lóránd
Kerényi, Ádám Szilárd
Nagy, Krisztina
Valkai, Sándor
|
| Starting date |
2016-02-01 |
| Closing date |
2022-01-31 |
| Funding (in million HUF) |
37.064 |
| FTE (full time equivalent) |
18.27 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A baktériumok bináris osztódással szaporodnak, melynek révén két látszólag azonos utódsejt jön létre. Ez az alapvető szaporodási mód számos kérdést felvet, mely alapvető biológiai fogalmak és koncepciók határait feszegeti. A “szülő” és “utód” alapvetp megkülönböztetése hiányában lehetséges-e a “kor” fogalmának használata baktériumokra? Az utódsejtek valóban hasonlóak az elődőkhöz (azonosak elődökkel)? Ez a hasonlóság sok generáció után is fennáll? Hogyan alakul ki a fenotípus változatossága egy klonális populációban?
A pályázat olyan új kísérleti platform használatát célozza, mely lehetővé teszi egy folyamatosan szaporodó baktériumpopuláció hosszú távú, sejtszintű megfigyelését. Ötvözzük a holografikus optikai csapdázás, a mikrofluidika és a mikroszkópia módszereit. A sejtszintű térbeli felbontás, a leszármazási viszonyok ismerete, a sejtjellemzők mérése illetve a hosszú megfigyelési idő alkalmassá teszi módszerünket arra, hogy olyan biológiai problémákat tanulmányozzunk, melyek kutatása korábban nehézkes volt.
Kísérleteink során Escherichia coli baktériumsejtek növekedését, osztódási rátáját, túlélési képességét, úszási aktivitását és protein expresszióját követjük nyomon egy akár több száz generáción át szaporodó populációban. E kísérletekkel kutatni szeretnénk, hogy a sejt jellemző paraméterei hogyan változnak egy genetikailag homogén populáció növekedése során, illetve miként jelenik meg a fenotípus heterogenitása egyetlen sejt leszármazottai között. A mikromanipuláció módszereivel tanulmányozzuk, hogyan alakulnak ki fenotípus különbségek a különböző környezeti feltételeknek kitett utódsejtek esetében.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Célunk új kísérleti metódus felhasználása a baktériumok szaporodásával,, öregedésével és fenotípus változásaival kapcsolatos alapvető biológiai problémák megválaszolására.
A fundamentális kérdés a következő: mennyire különböznek az egymás utáni generációk (genetikailag azonos) sejtjei az elődöktől?
Korábbi kutatások azt mutaták, hogy néhány paraméter, például a növekedési ráta és a túlélési valószínűség kismértékben változhat az osztódás után. Ezek a munkák azonban meglehetős kísérleti korlátokkal rendelkeztek, és kis adatmennyiségen alapultak. Módszerünk segíthet e korlátok átlépésében, hiszen nagy adatmennyiségeket gyűjthetünk (akár 10000sejt/kísérlet), és a mérések során minden egyes sejtet tetszőlegesen manipulálhatunk. Mindez jelentősen kitágítja a vizsgálható problémák körét.
A következő kérdésekre fókuszálunk:
Hogyan változik az utódok sejtciklusának kezdeti szinkronja az egymást követő generációk során? A gyűjtött adatok alapján megtudunk valamit a sejtnövekedés és osztódás folyamatai közti szoros kapcsolatról?
Hogyan alakul ki a fenotípus heterogenitása egy genetikailag homogén populációban? Hogyan változik a sejtméret, a növekedési sebesség, egyes fehérjék termelése a generációk során?
Hogyan változik az osztódási gyakoriság és a túlélési valószínűség több száz generáció elteltével?
Hogyan hatnak a környezeti feltételek a fenotípus változatosságára? Mikromanipuláció segítségével az utódsejteket meghatározott kémiai feltételeknek tesszük ki és mérjük a fenotípus különböző jellemzőit.
Felhasználjuk a bakteriális kor és öregedés modern koncepcióit az eredmények értelmezésében, valamint elemezzük a fenotípus változatosság szerepét a populációk túlélésében.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A sejtek osztódási ciklusa az élet legalapvetőbb folyamata. Különösen fontos azoknak a biológiai mechanizmusoknak a megértése, melyeken e folyamat alapul. A baktériumok aszexuális szaporodása során genetikailag azonos utódok jönnek létre, mégis bizonyos fenotípus jellemzők kismértékben megváltozhatnak. E különbségek több generáció alatt egy klonális kolónia fenotípus jellemzőinek változatosságát eredményezik. A fentotípus változatossága pedig a populáció túlélését is biztosíthatja (például az ún. perziszter baktériumsejtek túlélhetik az antibiotikum kezelést).
Új kísérleti megközelítésünk átlépi a fent leírt folyamatok kutatásának eddigi korlátait. Kombináljuk a holografikus optikai csapdázás, a mikrofluidika és a mikroszkópia módszereit. Az ezekre épülő platform a következő előnyöket egyszerre kínálja:
-Sejtszintű mérések (populációkra vonatkozó sokasági átlagok helyett)
-A sejtek leszármazási viszonyainak követése
-Egyetlen kísérletben nagyszámú sejt analizálható (tízezres nagyságrend)
-A sejtek hosszútávú megfigyelése (akár több száz generáció)
-Minden egyes sejt külön manipulálható, csapdázható, és mozgatható ellenőrzött módon. Így pontosan kiválogathatjuk az analizálandó sejteket.
Módszerünk a kísérletek új perspektíváját nyitja meg, várhatóan több kutatócsoport is alkalmazni fogja azt jövőben.
Néhány alapvető biológiai kérdés megválaszolására irányuló kísérlet elvégzését tervezzük. Eredményeink várhatóan nem csak a baktériumok szaporodási ciklusának megértését segítik, de lehetőséget adnak arra, hogy a közelmúltban bevezetett új biológiai koncepciókat is teszteljünk (például a baktériumsejtek korának, öregedésének értelmezésre vonatkozó javaslatokat).
Kutatási eredményeink több területen is felhasználhatók. A genetikailag egynemű populációkban a fenotípusok változatossága fontos tényező lehet baktériumfertőzések esetén. A kezelések kiválasztásakor így a fertőzést kiváltó baktériumpopuláció heterogenitását is figyelembe kell venni. A heterogenitás kialakulása hátterében álló mechanizmusok megértése így a kezelésben és a megelőzésben is segíthet. A baktériumsejtek lehetséges öregedésének vizsgálata pedig abban segíthet, hogy a magasabbrendű élőlények hasonló folyamatait és azok alapjait megértsük.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A Nobel-díjas biológus, Francis Jacob azt mondta: “minden sejt álma, hogy két sejtté váljon”. A baktériumok, a legegyszerűbb, egysejtű élőlények ezt az “álmot” a sejtosztódás révén valósítják meg. Ennek eredménye két, látszólag azonos utódsejt. De valóban egyformák ezek az utódok? És vajon mennyire hasonlítanak arra az elődre, melynek osztódásával létrejöttek? A hasonlóság sok-sok generáción át fennmarad? A sejt kettéosztódásakor nem beszélhetünk “szülőkről” és “gyermekekről”, hiszen az eredeti sejt anyaga az utódok része lesz, azokban él tovább. Mégis értelmezhető valahogy a kor baktériumsejtek esetén? Ha igen, vajon öregednek a baktériumok is? Ahhoz, hogy a fenti kérdéseket megválaszolhassuk, új kísérleti módszer kifejlesztésén dolgozunk. Ez az úgynevezett holografikus lézercsipesz működésén alapul, mellyel baktériumsejteket csapdázhatunk, “megfoghatunk”, és azokat mozgathatjuk, tetszőlegesen elrendezhetjük. Ezeket a csapdázott sejteket hosszú időn át figyeljük, és rajtuk különböző méréseket végzünk. A megfigyelés alatt ezek a sejtek igen sokszor osztódnak, így láthatjuk, hogy különböző jellemzőik mennyire változnak az osztódások során. A szaporodáshoz szükséges tápanyagot egy pontosan megtervezett mikroméretű csatornahálózaton, egy mikrofluidikai rendszeren juttatjuk a sejtekhez.
Eredményeink nem csak az alapkutatások számára lehetnek fontosak, de különböző gyógyászati alkalmazásokban is felhasználhatók, ahol a baktériumfertőzések elleni küzdelem, vagy az öregedő és elhaló sejtek megmentése lehet a cél.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Bacteria reproduce by binary fission after which two seemingly identical daughter cells are produced. This simple mode of reproduction raises questions that challenge basic biological concepts. Without a clear distinction between “parents” and “daughters”, can the concept of “age” applied to bacteria? Are the daughter cells really identical/similar (phenotypically)? If so, how long does this similarity remain? After several reproductive cycles are the offsprings still similar to each other and their ancestor? How does (phenotypic) variability emerge in a clonal bacterial population?
Here we propose a novel experimental platform to study a growing colony of bacteria on single cell level for an extended period of time. We combine holographic optical micromanipulation, microfluidics and microscopy to manipulate and monitor small bacterial populations.
The single cell resolution, the ability of tracking cell lineage along with the measurement of phenotypic characteristics and the possibility of extended experimental timescales allow us to study a variety of biological questions that were difficult to address before.
In particular we plan to perform experiments to track cell elongation and division rate, cell survival, expression levels of fluorescent proteins and swimming behavior in a constantly dividing population of E. coli bacteria. We expect to see how variability and heterogeneity of these measured parameters develop in a clonal population descended from a single cell. We will employ micromanipulation techniques to explore how phenotypic differences appear in daughter cells (and their descendants) exposed to different environmental conditions.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Our research aims to apply a novel experimental platform to answer fundamental biological questions on bacterial reproduction, aging and phenotypic variability.
The core question we ask: how bacterial cells of successive generations differ from their ancestors? Previous studies suggest that some cellular characteristics such as growth rate and survival probability might slightly change after cell division. However these studies suffer from limitations, and often are based on a limited amount of data. Our experimental method overcomes these: we collect large amounts of data (10000 cells per experiment), but we have full manipulative control over each single cell.
How the synchrony of the cell cycle change in subsequent generations of bacterial cells? Based on the data, can we say something about the intricate relation between cell elongation and division?
How does phenotypic variability emerge in a clonal population? To study this the measured cellular parameters include cell size, elongation rate, division time (and frequency), protein expression rate (based on fluorescent labeling), and motility (tumbling rate).
How does the division rate and the survival probability change in hundreds of generations? Can we explain the results with the recent concept of bacterial age?
How do environmental conditions affect phenotypic heterogeneity? We will use micromanipulation techniques to expose daughter cells to well controlled chemical conditions and monitor their phenotypic characteristics.
We will apply recent concepts of bacterial aging to explain the experimental results, and we will elaborate on the importance of phenotypic heterogeneity in the survival of populations.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The cellular reproduction and the cell cycle are fundamental processes of life. Thus it is important to understand the mechanisms underlying these processes for bacteria. Although asexual reproduction of bacterial cells results in genetically identical daughter cells, phenotypic differences emerge. These differences lead to a heterogeneity even in a clonal population. That variety ultimately may be a key for the survival of the population (e.g. non dividing persister cells survive antibiotic treatment).
Our novel approach eliminates the limitation of previous experimental methods in the field. We combine leading technologies of holographic optical manipulation, microfluidics and optical microscopy. The experimental platform offers:
-Single cell level measurements (instead of measuring ensemble averages)
-Tracking cell lineage for each single cell in the sample
-Large number (up to tens of thousands) of cells may be measured in a single experiment
-Long timescales are accessible: cells may be tracked through hundreds of generations
-Manipulation capabilities for each single cell in the sample: cells may be trapped, moved or released under full control. This enables the selection of the cells to be measured analyzed.
Our method opens up a wide prospective for the experimental study of the field and as a consequence we expect other research to adapt our approach.
We selected experiments to perform that help to answer some basic biological questions. Not only we may gather information on the fundamental processes of the bacterial cell cycle and reproduction, but we may test recently introduced biological concepts, such as the aging of bacterial cells.
Our research have potential implications in several fields. Phenotypic variability even in a clonal population may be an important factor in bacterial infections. A potential treatment have to consider the heterogeneity of the infecting population. Therefore understanding the mechanisms behind the emergence of heterogeneity may help us preventing or treating such infections.
Furthermore, by understanding aging phenomenon in bacteria, the simplest living organism, we might also learn about the fundamentals of the aging process of higher organisms.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The Nobel Laureate biologist Francis Jacob said: “The dream of every cell is to become two cells”. Bacteria, the simplest unicellular organisms achieve this “dream” by cell division, a result of which is two seemingly identical cells. Are these descendant cells really identical? Are they identical to their ancestor? Do they remain identical through many generations (after many divisions)? In cell division there are no “parents” and “daughters”. Can nevertheless use some concept of age for bacteria? In order to answer these questions we plan to develop a new experimental method. It is based on a device called holographic laser tweezers that allow us to grab and move single bacterial cells in our sample. We follow these trapped cells through many cell divisions while providing nutrients to them though microfluidic channels that we design and fabricate. Using this new experimental approach we plan to collect a large amount of dataset that help us to gain some insight into the life of bacterial cells, from generation to generation.
Our results may find a use not only in the fundamental biological research, but also in medical applications, where fighting bacterial infections or the aging and death of cells of the body is in focus.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Ábrahám Á, Nagy K, Buzás A, Csákvári E, Dér L, Pap I, Kerényi Á, Galajda P: Single-cell level quorum sensing response of Pseudomonas aeruginosa under dynamically changing conditions, BMC Biology (submitted), 2022 | | Nagy K, Dukic B, Hodula O, Ábrahám Á, Csákvári E, Dér L, Wetherington MT, Noorlag J, Keymer JE, Galajda P: Emergence of resistant Escherichia coli mutants in microfluidic on-chip antibiotic gradients, Frontiers of Microbiology (accepted for publication), 2022 | | Széles Eszter, Nagy Krisztina, Ábrahám Ágnes, Kovács Sándor, Podmaniczki Anna, Nagy Valéria, Kovács László, Galajda Péter, Tóth Szilvia Z.: Microfluidic Platforms Designed for Morphological and Photosynthetic Investigations of Chlamydomonas reinhardtii on a Single-Cell Level, CELLS 11: (2) p. 285., 2022 | | Bashir F, Kovács S, Ábrahám Á, Nagy K, Ayaydine F, Valkony-Kelemen I, Ferenc Gy, Galajda P, Tóth SzZ, Sass L, Kós P, Vass I, Szabó M: Viable protoplast formation of the coral endosymbiont alga Symbiodinium spp. in a microfluidics platform, Lab on a chip (submitted), 2022 | | Wetherington MT, Nagy K, Dér L, Noorlag J, Galajda P, Keymer JE: Quenched Disorder in Landscapes Leads to Shifts in Microbial Population Scaling, Frontiers in Microbiology (reviewers endorsed publication), 2022 | | Wetherington MT, Dér L, Nagy K, Ábrahám Á, Noorlag J, Galajda P, Keymer JE: Ecological succession and the competition-colonization trade-off in microbial communities, BMC Biology (submitted), 2022 | | Wetherington, MT: The spatial ecology of microbes, https://repositorio.uc.cl/xmlui/handle/11534/59531, 2021 | | Ábrahám Ágnes, Sipos Orsolya, Galajda Péter: Studying the movement of microscopic particles and bacteria in holographic optical tweezers, nyomtatott absztrakt könyv, 2016 | | Ágnes Ábrahám, Krisztina Nagy, Lóránd Kelemen, Peter Galajda: Trapping Single Bacterial Cells and Their Progeny to Study the Emergence of Phenotypic Heterogeneity, Konferenciafüzet, Single-Cell Biophysics: Measurement, Modulation, and Modeling, 2017 | | Krisztina Nagy, Ágnes Ábrahám, Juan E. Keymer, Péter Galajda: Application of microfluidics in experimental ecology: the importance of being spatial, Frontiers in Microbiology (közlésre elküldve), 2017 | | Nagy Krisztina, Dukic Barbara, Ábrahám Ágnes, Galajda Péter: Antibiotikum rezisztencia gyors evolúciója heterogén környezetben, Konferenciafüzet, A Magyar Biofizikai Társaság Kongresszusa 2017, 2017 | | Ábrahám Ágnes, Nagy Krisztina, Kelemen Lóránd, Galajda Péter: Egyes baktériumsejtek és utódaik mikrofluidikai csapdázása öregedés és fenotípus heterogenitás vizsgálatára, Konferenciafüzet, A Magyar Biofizikai Társaság Kongresszusa, 2017 | | Nagy Krisztina, Sipos Orsolya, Valkai Sándor, Ormos Pál És Galajda Péter: Kémiai gradiensek hatása baktériumpopulációkra, Konferenciafüzet, A Magyar Biofizikai Társaság Kongresszusa, 2017 | | Nagy Krisztina, Zsiros Vanda, Csákvári Eszter És Galajda Péter: A quorum érzékelés dinamikája Pseudomonas aeruginosa baktériumban, Konferenciafüzet, A Magyar Biofizikai Társaság Kongresszusa, 2017 | | Krisztina Nagy, Ágnes Ábrahám, Juan E. Keymer, Péter Galajda: Application of microfluidics in experimental ecology: the importance of being spatial, Frontiers in Microbiology vol.9 pp312-9, 2018 | | Galajda P.: Fast evolution of antibiotic resistance in microfluidic devices., 8th Regional Biophysics Conference RBC 2018, Zrece, Szlovénia, 2018 | | Ábrahám Ágnes: Holografikus lézercsipesszel csapdázott mikroszkopikus részecskék és baktériumok mozgásának vizsgálata, SZTE Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet, MSc szakdolgozat, 2016 | | Dukic Barbara: Baktériumok mozgása és növekedése antibiotikum koncentráció grádiensben, SZTE Biotechnológia Tanszék, MSc szakdolgozat, 2017 | | Zsiros Vanda: A folyadékáramlás és tápanyagellátás hatása a bakteriális quorum érzékelésre, SZTE Biotechnológia Tanszék, MSc szakdolgozat, 2017 | | Lukács Rebeka Ráchel: Mikrofluidikai sejtcsapdák fejlesztése és alkalmazása baktériumok egysejt-szintű vizsgálatára, SZTE Biotechnológia Tanszék, 2020 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
