Mikrobiální společenstva: Pravidla buněčné adheze a organizace biofilmů

• Thesis title in Czech: Mikrobiální společenstva: Pravidla buněčné adheze a organizace biofilmů
• Thesis title in English: Microbial communities: Rules for cell adhesion and biofilm organization
• Academic year of topic announcement: 2025/2026
• Thesis type: dissertation
• Department: Department of Genetics and Microbiology (31-140)
• Supervisor: prof. RNDr. Zdena Palková, CSc.
• Advisors: RNDr. Libuše Váchová, CSc.

Preliminary scope of work

Anotace projektu disertační práce:
Kvasinky a bakterie tvoří na pevných/polopevných površích organizovaná mnohobuněčná společenstva, jako jsou různé typy kolonií a biofilmů. Předchozí studie odhalily významné regulátory Cyc8p a Tup1p zapojené do tvorby koloniálních biofilmů Saccharomyces cerevisiae na agaru, stejně jako do adheze buněk na plasty a tvorby biofilmů na rozhraní pevná látka-kapalina (SLI biofilmy) (npj Biofilms Microbiomes 6, 7, 2020; PLoS Genet 14: e1007495, 2018). Cyc8p působí jako represor tvorby biofilmu, zatímco Tup1p je aktivátor, který narušuje funkci Cyc8p a stabilizuje Flo11p, což je nezbytné pro tvorbu biofilmu. Hladiny Cyc8p jsou zvyšovány působením extracelulární glukózy prostřednictvím dosud neznámého mechanismu (npj Biofilms Microbiomes 6, 7, 2020). Homology Cyc8p a Tup1p se nacházejí také u dalších kvasinek, včetně klinicky významného lidského patogenu C. glabrata. Narozdíl od S. cerevisiae je C. glabrata schopná tvořit biofilmy i v přítomnosti glukózy.

Projekt se zaměřuje na principy a molekulární mechanismy buněčné adheze a tvorby SLI biofilmu u patogenních kvasinek rodu Candida spp. a u klinických kmenů S. cerevisiae ve srovnání s referenčním kmenem S. cerevisiae BRF. Jedna část projektu zahrnuje konstrukci kmenů C. glabrata se změněnými koncentracemi Cyc8p a Tup1p a analýzu buněčné adheze a tvorby biofilmů těmito kmeny za různých nutričních podmínek s cílem porovnat funkce těchto regulátorů u C. glabrata a S. cerevisiae. V této souvislosti budou provedeny obdobné experimenty i s vybranými klinickými kmeny S. cerevisiae, které podle předběžných dat vykazují odlišnou odpověď na glukózu než referenční divoký kmen BRF. Druhá část zahrnuje analýzy buněčné adheze a tvorby biofilmu (včetně výskytu diferencovaných buněk, jako jsou buňky ve tvaru kvasinek a hyfy/pseudohyfy, jakož i lokalizaci buněk se změněnou životaschopností ve struktuře biofilmu) u divokých kmenů (wt), u vytvořených kmenů výše zmíněných kvasinek a u vybraných biofilmy-tvořícících patogenních kvasinek Candida spp (a případně vybraných bakterií) na různých materiálech (kov, plast) s povrchy upravenými mikro/nanostrukturováním (poskytnutými našimi spolupracovníky z HiLASE) za různých nutričních (a jiných) podmínek. Mikro/nanostruktury mění vlastnosti povrchů a mohou snižovat (nebo zvýšovat) adhezi buněk k materiálu. Na základě výsledků obou částí budou navrženy další experimenty k odhalení vztahů mezi buněčnou adhezí, schopností buněk tvořit biofilmy a vlastnostmi biofilmů (a jejich vnitřní strukturou). To bude zahrnovat proteomické studie k porovnání vlastností buněk s různými adhezními schopnostmi ve vztahu k jejich schopnosti tvořit biofilm.

Projekt využije širokou škálu mikrobiologických a molekulárně/buněčně biologických metod, včetně kultivace kvasinek (bakterií) za různých podmínek, analýzy adheze mikrobiálních buněk (mikroskopie a různé barvící metody), konstrukce kmenů produkujících GFP a delečních kmenů (genomové fúze) a jejich analýzy, metody tvorby biofilmu a jejich analýzy (včetně světelné a fluorescenční mikroskopie), a dále metody OMICS a bioinformatické analýzy včetně data „mining“.

Preliminary scope of work in English

The annotation of the dissertation project:
Yeasts and bacteria form organized multicellular communities on solid/semi-solid surfaces, such as different types of colonies and biofilms. Previous studies have discovered the important regulators Cyc8p and Tup1p involved in the formation of colony biofilms of Saccharomyces cerevisiae on agar as well as in cell adhesion to plastics and biofilm formation at solid-liquid interfaces (SLI biofilms) (npj Biofilms Microbiomes 6, 7, 2020; PLoS Genet 14: e1007495, 2018). Cyc8p acts as a repressor of biofilm formation, while Tup1p is an activator that interferes with Cyc8p and stabilizes Flo11p, which is essential for biofilm formation. Cyc8p levels are increased by extracellular glucose via an unknown mechanism (npj Biofilms Microbiomes 6, 7, 2020). Cyc8p and Tup1p homologs are also found in other yeasts, including the clinically important human pathogen C. glabrata. In contrast to S. cerevisiae, C. glabrata is able to form biofilms even in the presence of glucose.

The project focuses on the principles and molecular mechanisms of cell adhesion and SLI biofilm formation by yeast pathogens of Candida spp. and by clinical strains of S. cerevisiae in comparison to the S. cerevisiae reference strain BRF. One part of the project involves the construction of C. glabrata strains with altered Cyc8p and Tup1p concentrations and the analysis of cell adhesion and biofilm formation by these strains under different nutritional conditions with the aim of comparing the functions of these regulators in C. glabrata and S. cerevisiae. In this context, similar experiments will be performed with selected clinical strains of S. cerevisiae which, according to preliminary data, show a different response to glucose than the reference wild strain BRF. The second part includes analyses of cell adhesivness and biofilm formation (including the appearance of differentiated cells such as yeast-shaped cells and hyphae/pseudohyphae as well as the localization of cells with altered viability within the biofilm structure) of wt, of constructed strains of the above-mentioned yeasts and of selected biofilm-forming pathogenic Candida spp (and potentially selected bacterial species) on different materials (metal, plastic) with surfaces modified by micro/nanostructuring (provided by our HiLASE collaborators) under different nutritional (and other) conditions. Micro/nanostructures change the surface properties and can reduce (or increase) cell adhesion to the material. Based on the results of both parts, additional experiments will be designed to uncover relationships between cell adhesion, the ability of cells to form biofilms, and biofilm properties (and internal structure). This will include proteomic studies to compare the characteristics of cells with different adhesion properties in relation to their ability to form a biofilm

The project uses a wide range of microbiological and molecular/cell biological methods, including the cultivation of yeast (bacteria) under various conditions, the analysis of microbial cell adhesion (microscopy and various stains), the construction of GFP-producing or knockout strains (genomic fusions) and their analysis, methods of biofilm formation and their analysis (including light and fluorescence microscopy) as well as OMICS methods and bioinformatic analyses and data mining.