2025-11-172025-11-17https://hdl.handle.net/11420/58830Leitfähige Biofilme werden von Organismen produziert, die in der Natur durch die Nutzung unlöslicher Elektronenakzeptoren wie Eisen- oder Manganoxide als terminale Elektronenakzeptoren ihrer Atmungskette wachsen. Diese Leitfähigkeit ermöglicht es Zellen, die nicht in direktem Kontakt mit dem Elektronenakzeptor stehen, Elektronen der Atmungskette an benachbarte Zellen zu übertragen. Der Redoxpotentialgradient leitet dann den Elektronenfluss durch die Matrix zum Punkt des höchsten Redoxpotentials, was typischerweise das Mineral ist. Zellen innerhalb dieser Materialien durchlaufen eine Spezialisierung, potenziell aufgrund von: (I) Dicke und Zelldichte des Biofilms, die zu Zell-Zell-Interaktionen sowie Massentransferlimitierung des Elektronendonors aus der Bulkphase führen, (II) respiratorischem Elektronentransfer, der aufgrund zunehmenden Widerstands mit der Elektronentransportlänge mit unterschiedlicher Kinetik arbeitet, (III) Bildung von Gradienten, wie im Fall des pH-Werts, die zu Wachstum mit unterschiedlicher Kinetik führen und (IV) Scherkräften, die zur Biofilmkompression führen, aber auch die Bildung einer stärkeren extrazellulären Matrix erfordern.Derzeit ist nicht verstanden, wie diese Faktoren die Entwicklung verschiedener regulatorischer Routinen beeinflussen, die die zelluläre Spezialisierung antreiben. Dennoch beobachten wir diese Routinen , wenn Zellen verschiedene leitfähige Strukturen basierend auf ihrer Nähe zum terminalen Elektronenakzeptor aufbauen. Wir beobachten auch, dass einige Schichten in diesen leitfähigen Biofilmen hauptsächlich aus nicht lebenden Zellen bestehen, diese Schichten jedoch weiterhin als leitfähige Strukturen funktionieren. Unser Ziel ist es, die Auslöser und Regulationsmechanismen innerhalb einzelner Zellen zu entschlüsseln, die zur Bildung dieser stabilen, dynamischen leitfähigen Biofilmstrukturen führen. Ein grundlegendes Verständnis dieser Prozesse wird erheblich beeinflussen, wie wir die Wichtigkeit dieser Strukturen in Ökosystemen wahrnehmen, wo sie kritische Funktionen haben können. Um unser Ziel zu erreichen, werden wir multiparallele mikrofluidische bioelektrochemische Experimente mit Reporterstämmen durchführen und FACS gekoppelt Transkriptomanalysen einsetzen, um regulatorische Routinen zu verstehen. Darüber hinaus werden wir analysieren, wie diese leitfähigen Biofilme mit anderen Zellen interagieren und neue physiologische Eigenschaften ermöglichen.Conductive biofilms are produced by organisms that flourish in nature using insoluble electron acceptors, such as ferric or manganese oxides, as terminal electron acceptors of their respiratory chain. This conductivity allows cells that are not in direct contact with the electron acceptor to transfer respiratory electrons to neighbouring. The redox potential gradient then guides the electron flow through the matrix towards the point of highest redox potential, which is typically the mineral. Cells within these materials undergo specialization potentially due to: (I) thickness and cell density of the biofilm leading to cell-cell signalling as well as mass transfer limitation of the electron donor from the bulk phase, (II) respiratory electron transfer operating with different kinetics due to increasing resistance with electron transport length, (III) gradients forming, as in the case of pH, leading to growth with different kinetics and (IV) shear force leading to biofilm compression but also necessitating the formation of a stronger extracellular matrix. Currently, it's not understood how these factors influence the development of different regulatory routines that drive cellular specialization. Nevertheless, at a more phenomenological level, we observe these routines as cells construct different conductive structures based on their proximity to the terminal electron acceptor. We also observe that some layers in these conductive biofilms are primarily composed of non-living cells, yet these layers still function as conductive structures. Our goal is to decipher the triggers and regulatory mechanisms within individual cells that lead to the formation of these stable, dynamic conductive biofilm structures. A fundamental understanding of these processes will significantly impact how we perceive these structures in ecosystems, where they can have critically important functions. To reach our goal we will use multiparallel microfluidic bioelectrochemical experiments conducted with reporter strains and will use FACS coupled to transcriptomic analyses to understand regulatory routines. Moreover, we will aim to understand how these conductive biofilms interact conductively with other cells enabling new physiological features.