Excellence in Research: Biofilm Adhesive and Kinetic Properties Under Hydrodynamic Influences During Early Evolution Stages

卓越的研究:早期进化阶段水动力影响下的生物膜粘附和动力学特性

基本信息

  • 批准号:
    2000330
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 71.22万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-08-01 至 2024-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Biofilms are aggregates of bacteria. Biofilms play important roles in ecological, industrial, and biomedical processes of national relevance. For example, they are associated with biofouling, where microorganisms attach to surfaces and reduce the performance of machines. In medical fields, biofilms play a key role in the development of antibiotic-resistant microorganisms. Biofilms often form in wet environments under fluid flow. Although a large body of knowledge on biofilm formation exists, little is known about how initial single- and multi-cell interactions and fluid flow influence the growth and final structure of biofilms. This project will analyze the fundamental processes that govern cell interactions within a biofilm in fluid flow environments. The results will improve understanding of the developmental stages of microbial biofilm formation by investigating the bacteria cell responses under flow conditions. This may ultimately lead to a way to control biofilm evolution. These outcomes could also help with novel diagnosis and treatment methods for problems caused by biofilms. This project is a collaboration between researchers at two two Historically Black Colleges and Universities (HBCUs) and one national lab. The institutions are Howard University, Florida A&M University, the National High Magnetic Field Laboratory. The project supports the interdisciplinary training of underrepresented groups. Undergraduate, graduate, and K-12 students in STEM (Science, Technology, Engineering, and Mathematics) will participate at their respective institutions. Biofilms constitute an inherent part of the natural life cycle of most microorganisms, and most bacterial biofilms develop under hydrodynamic stress. The hypothesis is that the cost of growing and evolving in hydrodynamic conditions for these banks of bacteria has a net effect of initiating and promoting intrinsic physical, physiological, and kinetic properties that may contribute to biofilm resistance and resilience. This project presents a novel strategy to investigate the impact of hydrodynamics that occurs within bacterial communities using live and model bacteria systems and high-resolution fluorescent velocimetry. This research integrates theoretical and experimental work with the following objectives: (1) Investigate the various hydrodynamic conditions at the substratum boundary and their effect on the adhesion kinetics and spatial distribution of bacterial cells and (2) Determine the impact of hydrodynamic forces on the intercellular and interspecies interactions during biofilm evolution, and (3) Develop a working model for predicting the kinetics of recruitment and detachment of bacteria to and from biofilms under hydrodynamic milieus.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
生物膜是细菌的聚集体。 生物膜在国家相关性的生态,工业和生物医学过程中起重要作用。例如,它们与生物污染有关,在该生物污染中,微生物附着在表面上并降低机器的性能。在医疗领域,生物膜在抗生素耐药微生物的发展中起关键作用。生物膜通常在流体流动下的潮湿环境中形成。尽管存在有关生物膜形成的大量知识,但对初始单细胞相互作用以及流体流程如何影响生物膜的生长和最终结构,知之甚少。该项目将分析流体流动环境中生物膜内细胞相互作用的基本过程。结果将通过研究流动条件下的细菌细胞反应来提高对微生物生物膜形成的发育阶段的了解。这最终可能导致一种控制生物膜进化的方法。 这些结果还可以帮助解决由生物膜引起的问题的新型诊断和治疗方法。该项目是两所历史悠久的黑人学院(HBCUS)和一个国家实验室的研究人员之间的合作。 这些机构是佛罗里达州A&M大学的霍华德大学,国家高磁场实验室。该项目支持代表性不足的群体的跨学科培训。 STEM(科学,技术,工程和数学)的本科,研究生和K-12学生将参加各自的机构。 生物膜构成大多数微生物自然生命周期的固有部分,大多数细菌生物膜在流体动力胁迫下发展。假设是,这些细菌库在流体动力学条件下增长和发展的成本具有启动和促进内在的物理,生理和动力学特性,这可能有助于生物膜耐药性和弹性。该项目提出了一种新的策略,以研究使用活细菌系统和高分辨率荧光速度法在细菌群落中发生的流体动力学影响。这项研究将理论和实验性工作与以下目标整合在一起:(1)研究底部边界处的各种流体动力学条件及其对细菌细胞的粘附动力学和空间分布的影响,以及((2)确定水动力力对在生物膜上和(3)开发kin的过程中相互作用的水动力学对kin和(3)在工作过程中的研究的影响该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是值得通过基金会的知识分子优点和更广泛的影响审查标准来评估的,反映了NSF的法定任务。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Magnetic bio-hybrid micro actuators
  • DOI:
    10.1039/d2nr00152g
  • 发表时间:
    2022-02-28
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Quashie, David, Jr.;Benhal, Prateek;Ali, Jamel
  • 通讯作者:
    Ali, Jamel
Propulsion kinematics of achiral microswimmers in viscous fluids
  • DOI:
    10.1063/5.0048277
  • 发表时间:
    2021-05-17
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Benhal, Prateek;Quashie, David, Jr.;Ali, Jamel
  • 通讯作者:
    Ali, Jamel
Propulsion efficiency of achiral microswimmers in viscoelastic polymer fluids
  • DOI:
    10.1002/aic.17988
  • 发表时间:
    2022-12-15
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Quashie,David;Gordon,David;Ali,Jamel
  • 通讯作者:
    Ali,Jamel
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