Motility and chemotaxis have been implicated in the process of biofilm formation in a wide range of species. Using a combination of microscopy and image analysis, genetics, microbiology and biochemistry, the initial approach of Rhodobacter sphaeroides cells to a solid surface has been characterised. Interestingly, these data suggest that for R. sphaeroides alterations in motility and swimming behaviour may result in differences in biofilm formation simply by changing the number of cells which reach the surface. This is in contrast to a few other well-studied species where the motility apparatus, the flagellum, has been shown to play an active role in surface sensing and the transition to biofilm growth. Tracking swimming cells and measuring surface attachment revealed that changes in motility affect the ability of cells to attach to a surface, with non-motile cells attaching least and mutants with frequent stops attaching less than smooth swimming cells with few stops. Tracking attaching cells and classifying their method of attachment revealed that flagellar tethering is not essential for R. sphaeroides attachment. Competition assays with fluorescently labelled strains showed that the initial imbalance between motile and non-motile cells remains as microcolonies develop over 48 hours,and the proportion of non-motile cells remains fairly constant. Development on a surface over 48 hours was similar for motile and non-motile strains, including aflagellate strains, once attached. Using parameters calculated by tracking swimming cells to calculate the effective diffusion coefficient in a simple model of cell movement suggested that motion alone could explain the differences in attachment without assuming different cell properties. In particular, aflagellate strains might be hindered from surface attachment by their reduced motility alone. This is interesting since some other bacterial species use the flagellum as a surface sensor.

By growing together in dense communities, microorganisms (microbes) have a huge impact on human life. Microbes also come in a wide variety of shapes, but we have yet to understand the importance of these shapes for community biology. How are multi- species communities, such as biofilms and colonies, affected by the morphologies of constituent cells? Which morphologies might these environments select for in turn? To address these questions, we use individual-based modelling to investigate the effects of cell shape on patterning and evolution within microbial communities. We develop a flexible simulation framework, coupling a continuum model of the biofilm chemical environment to a cellular-level description of biofilm growth mechanics. This modelling system allows competitions between different microbial cell shapes to be simulated and studied, in different community contexts. Our models predict that cell shape can strongly affect spatial structure and patterning within competitive communities. Rod cells perform better at colonising surfaces and the expanding edges of colonies, while round cells are better at dominating the upper surface of a community. Our predictions are supported by experiments using Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa bacteria, and demonstrate that particular shapes can confer a selective advantage in communities. In summary, the work presented in this thesis predicts and examines new mechanisms of self-organisation driven by cell shape, demonstrating a new significance for microbial morphology as a means for cells to succeed in a dense and competitive environment.

Předložená dizertační práce s názvem “Rastrovací elektronová mikroskopie a její aplikace pro senzitivní vzorky” pojednává o problematice rastrovací elektronové mikroskopie v kontextu instrumentálního a metodologického vývoje vedoucího k inovativnímu řešení, které je dobře aplikovatelné zejména v mikrobiologickém výzkumu. Součástí práce je rozprava o historii a současném stavu elektronové mikroskopie (EM) jakožto vědecké zobrazovací a analytické techniky, tato část se nachází v úvodních kapitolách. Nepopiratelný přínos EM v biologických a lékařských oborech je dokazován mnoha citovanými vědeckými publikacemi. Předložená dizertační práce přináší novinky z oblasti přípravy preparátů a kryogenní rastrovací elektronové mikroskopie (cryo-SEM) vyvinuté na pracovišti Ústavu přístrojové techniky AV ČR, v.v.i. v Brně. Jedná se především o návrhy a výrobu speciálních držáků vzorků a vývoj nových metodik v oblasti přípravy mikrobiologických preparátů vedoucích k nalezení optimálních parametrů jednotlivých procesů. V experimentální části se nachází ověření metodologických postupů při studiu hydratovaných a na elektronový svazek senzitivních preparátů. Následné srovnání různých přístupů na definovaném biologickém systému z oblasti mikrobiologie přispívá k rozšíření interpretace doposud známých výsledků. Mezi zkoumanými mikrobiologickými kmeny byly biofilm-pozitivní bakterie Staphylococcus epidermidis a kvasinky jako Candida albicans a Candida parapsilosis, jež jsou považovány za klinicky významné, protože se podílejí na vzniku závažných infekcí zejména u imunokompromitovaných pacientů. Dále byl studován vliv růstu biofilmu bakterie Bacillus subtilis na biodeteriorizaci a biodegradaci poly--kaprolaktonových fólií. Vývoj v oblasti cryo-SEM byl aplikován ve výzkumu mikrobů s biotechnologickým potenciálem, jako jsou např. Cupriavidus necator a Sporobolomyces shibatanus.