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The role of ambient flow and physico-chemical microenvironment in determining the microstructure of the biofilm matrix

English title The role of ambient flow and physico-chemical microenvironment in determining the microstructure of the biofilm matrix
Applicant Secchi Eleonora
Number 179834
Funding scheme PRIMA
Research institution Institut für Umweltingenieurwissenschaften ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.09.2018 - 31.08.2023
Approved amount 1'390'628.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Condensed Matter Physics
Biophysics

Keywords (7)

Rheology; Microfluidics; Biofilms; Microbial imaging; Soft Matter Physics; Hydrodynamics; Pseudomonas aeruginosa

Lay Summary (Italian)

Lead
I biofilm sono aggregati di batteri caratterizzati dalla produzione di una matrice polimerica. Al loro interno, i batteri sono protetti dalle sollecitazioni chimico-fisiche, come essicazione, antibiotici, detergenti e predatori. Inoltre, i biofilm risultano molto difficili da rimuovere. Il loro sviluppo è influenzato da numerosi fattori ambientali, uno dei quali é il flusso, frequentemente presente negli ambienti in cui essi crescono. Nonostante la loro indiscussa importanza, non si sa ancora molto del ruolo delle condizioni ambientali nel determinare la struttura e le proprietà meccaniche dei biofilm.
Lay summary

Soggetto e obiettivo

Il mio obiettivo è comprendere il ruolo del flusso nel determinare la struttura e le proprietà meccaniche dei biofilm e determinare come essi rispondono al cambiamento delle condizioni fisico-chimiche. In particolare, mi ripropongo di testare due ipotesi: (i) biofilm cresciuti in condizioni di flusso diverse hanno una struttura diversa, in termini di proprietà meccaniche e composizione chimica; (ii) biofilm con una struttura diversa rispondono diversamente al cambiamento delle condizioni ambientali.

Contesto socio-scientifico

Il principale risultato scientifico del progetto sarà la comprensione del legame tra le condizioni ambientali e le proprietà fisiche del biofilm. Attraverso lo studio della loro interazione con l’ambiente circostante, il mio progetto renderà possibile lo sviluppo di strategie innovative in ambito industriale e medico per ridurre la formazione di biofilm dannosi, ad esempio all’interno di tubature e cateteri, e per promuovere la loro formazione per fini utili, come sistemi di filtrazione e depurazione.   

Parole chiave

Rheology, Microfluidics, Biofilms, Microbial Imaging, Soft matter Physics, Hydrodynamics, Pseudomonas aeruginosa

Direct link to Lay Summary Last update: 27.08.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Biofilms are consortia of bacteria that grow on surfaces. Most bacteria in moist environments adopt the biofilm lifestyle and biofilms have major environmental, technological and medical impacts. Biofilms consist of dense communities of bacterial cells embedded in a matrix of extracellular material. The matrix can account for over 90% of biofilm mass, is made up of a conglomeration of diverse biopolymers, and provides protection against mechanical and chemical insults. Despite the importance of the matrix to biofilm survival, little is known about how the environment shapes its characteristics and, in turn, how its characteristics shape the biofilm’s response to environmental conditions. Flow is ubiquitous in the aquatic habitats where biofilms are found, and the shear stress resulting from the interaction of flow with surfaces is a fundamental feature of biofilm environments. I will study the influence of flow and shear stress on biofilm matrix development, using the experimental toolbox from soft matter physics to characterize the matrix and elucidate the relation between rheology and chemical composition. I will then use this knowledge to study how matrix structure affects biofilm function, by considering the response to physico-chemical stressors in the form of pH and osmotic pressure gradients. I will use microfluidics to obtain precise control of fluid flow, in combination with microrheology and advanced visualization techniques.This project represents an ambitious step towards understanding the role of the matrix in determining the resistance of biofilms to environmental insults and our efforts to remove them. The knowledge gained from this research will provide fundamental insights relevant for a wide range of applications in the environment, technology and health. By focusing on fundamental mechanisms, this work also has the potential to spark new strategies for biofilm deterrence or eradication, or promote their stability in applications where biofilms are beneficial.
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