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Biofilme – Komplexe Gesellschaften und ihre molekularen Tricks

Anlagen für Trinkwasseraufbereitung, Kanülen von Kathetern oder Körperimplantate – Mikroorganismen suchen sich manchmal wahrlich unpassende Lebensräume. Sie wieder loszuwerden kann schwierig sein, denn die Lebenskünstler bilden bakterielle Gemeinschaften, die hervorragenden Schutz vor zum Beispiel UV-Strahlen, Desinfektionsmitteln oder Antibiotika bieten. Wie diese sogenannten Biofilme aufgebaut sind und wie die darin lebenden Organismen auf Angriffe von außen reagieren, untersucht die Arbeitsgruppe von Dr. Thomas Schwartz vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Methoden der Mikro- und Molekularbiologie enthüllen das Bild von gut organisierten und komplexen Lebensgemeinschaften. Wie reagieren die Kolonisten auf Stress? Und haben sie potenzielle Schwachstellen?

Wissenschaftler unterscheiden mehrere Phasen der Biofilmbildung: Zunächst nähern Bakterien, einzellige Pilze oder Algen sich einer Oberfläche an und heften sich an sie an. In einem späteren Schritt sezernieren sie eine Schicht aus Polysacchariden, Proteinen und Nukleinsäuren nach außen (sogenannte extrazelluläre polymere Substanzen, EPS) und bilden einen mechanisch schwer ablösbaren und zunächst zweidimensionalen Belag. Dann setzt der Reifungsprozess ein: Die Kolonie wird dreidimensional, es siedeln sich neue Spezies an, es entstehen Subpopulationen, die unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Es resultieren zum Beispiel aerobe und anaerobe Bereiche, in denen unterschiedliche Arten unterschiedliche biochemische Verhaltensweisen an den Tag legen. „Ein reifer Biofilm ist kein willkürliches System aus einzelnen Individuen“, sagt Dr. Thomas Schwartz vom Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) des Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Die Zellen tauschen Signalmoleküle aus und reagieren aufeinander.“ Kommunikation auf chemischem Niveau also, ein Phänomen, das als „Quorum Sensing“ bekannt ist. Ein Biofilm ist gegen Störungen von außen gut gewappnet. Selbst wenn die äußeren Schichten aus Mikroorganismen durch Desinfektionsmittel, Antibiotika oder UV-Strahlen abgetötet werden, überleben andere Mitglieder eines Biofilms und können sich nach kurzer Zeit wieder ausbreiten.

Schematische Darstellung der Entstehung eines Biofilms auf einer Oberfläche © Dr. Thomas Schwartz

Waffen im Kampf gegen Stress

Schwartz und sein Team von der Arbeitsgruppe für Mikrobiologie an natürlichen und technischen Grenzflächen untersuchen in Kooperation mit zahlreichen Industrie- und Universitätspartnern die Vorgänge in Biofilmen, die vor allem aus Bakterien aufgebaut sind. Die Hoffnung ist nicht nur, grundsätzlich zu verstehen, wie die komplexen Ökosysteme entstehen und sich organisieren. Durch die Identifikation von relevanten molekularen Mechanismen erhoffen sich die Forscher auch, konkrete Ansätze zu entwickeln, mit denen sich klinisch und industriell relevante Biofilme kontrollieren lassen.

Am Anfang einer Untersuchung steht immer die Frage nach der Zusammensetzung eines Biofilms. Durch genetische Fingerprinttechniken erstellen die Forscher um Schwartz zunächst ein taxonomisches Profil einer Biofilmgemeinschaft, um die einzelnen Arten zu identifizieren. Danach prüfen sie mit Hilfe von molekularbiologischen Methoden, welche Gene während der Besiedelung von verschiedenen Oberflächen oder während der Entwicklung eines Biofilms aktiviert werden und welche molekularen Signalprozesse in Gang treten. Schließlich suchen sie nach unbekannten Genen und genetischen Programmen, die Bakterien als Antwort auf Stress anschalten. Denn diese Mechanismen gehören zu den Waffen der Organismen im Kampf gegen Antibiotika, UV-Strahlen und Co.

Eine mikroskopische Aufnahme eines Biofilms nach Anfärbung mit einem Fluoreszenzfarbstoff © Dr. Thomas Schwartz

Ein Ergebnis aus einem Forschungsprojekt mag beispielhaft die Arbeitsweise von Schwartz und seinem Team verdeutlichen. Immer häufiger wird Trinkwasser in Wasserwerken mit UV-Strahlern desinfiziert. Diese Strahlung führt zu Brüchen in der Struktur der bakteriellen DNA und inaktiviert dadurch Bakterien im kontaminierten Wasser. Aber ein Teil der bakteriellen Gemeinschaften in den Rohren oder Tanks einer Anlage kann es schaffen, Mechanismen zu aktivieren, die die Schäden im Erbgut wieder reparieren. Nach einer kurzen Erholungsphase können sich diese Bakterien wieder vermehren und zu einer hygienisch relevanten Kontamination des Trinkwassers führen. „Im Rahmen von Projekten mit Industriepartnern aus dem Trink- und Abwasserbereich konnten wir zum Beispiel zeigen, dass nach Bestrahlung mit UV-Licht in bestimmten Bakterien das Gen rec A angeschaltet wird“, sagt Schwartz. „Dieses Gen aktiviert wiederum Proteine, die sich an DNA-Schäden anlagern und diese reparieren.“ Dadurch kann ein Teil der bestrahlten Individuen überleben und neue bakterielle Gemeinschaften aufbauen. Will man also bakterielle Verschmutzung mit Hilfe von UV-Bestrahlung loswerden, sollte man darauf achten, dass man vor allem unerwünschte Bakterien mit geeigneten Methoden vollständig und nachhaltig entfernt.

Zähe Gegner und neue Oberflächen

Rec A ist eines der zahlreichen Gene, die bei Bakterien molekulare Antworten auf Stress regulieren. Interessanterweise hat es noch eine zweite Funktion: Wird es durch Stress wie starke UV-Strahlung oder Kontakt mit Antibiotika aktiviert, dann erhöht sich auch die Rate, mit der die einzelnen Bakterien in einem Biofilm untereinander Erbgut austauschen. Dieser als „horizontaler Gentransfer“ bekannte Prozess beruht auf der Fähigkeit von Mikroorganismen, freie DNA aus ihrer Umgebung aufzunehmen und in ihr eigenes Erbgut einzubauen. Auf diese Weise tauschen Bakterien zum Beispiel die Fähigkeit zur Resistenz gegenüber Antibiotika aus. Damit ist klar, dass Bakterien zähe Gegner sind: Was sie nicht umbringt, macht sie nur stärker. „Nur wenn wir verstehen, welche molekularen Mechanismen zum Schutz eines Biofilms beitragen, können wir in Zukunft Bakterien aus Implantaten oder Wasseraufbereitungsanlagen effektiv verbannen“, sagt Schwartz.

Die Suche nach zentralen genetischen Regulatoren von bakteriellen Stressantworten ist ein möglicher Ansatz. Ein anderer ist der Versuch, die Bildung von Biofilmen von vornherein zu erschweren. Dies könnte in Zukunft durch die Entwicklung von neuen Materialien gelingen, deren Oberflächeneigenschaften eine Besiedelung mit Mikroorganismen unmöglich machen oder zumindest hinauszögern. Auch solche Projekte verfolgen Schwartz und sein Team mit Kooperationspartnern aus der Industrie oder vom KIT. In einem Projekt mit dem Unternehmen BASF untersuchen die Forscher zum Beispiel das Potenzial von bestimmten Substanzen, die von Pilzen produziert werden. Diese Substanzen, meist Proteine, können die chemischen Eigenschaften von Materialoberflächen unter Umständen in gewünschter Weise modifizieren oder die Struktur von bereits etablierten Biofilmen destabilisieren.

Ob man mit Hilfe aller dieser Methoden der Besiedelung mit Mikroorganismen gänzlich Herr werden kann, ist eine offene Frage. Aber je besser Forscher die komplexen Vorgänge in einem Biofilm verstehen, desto besser können sie in Zukunft ihre Strategien gegen unerwünschte Lebensgemeinschaften ausrichten.

Glossar

  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Ein Gentransfer besteht in der Übertragung eines Gens in Empfängerzellen.
  • Nukleinsäure ist der Oberbegriff für DNA und/oder RNA.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Das Sezernieren einer Substanz oder Flüssigkeit ist das Absondern dieser Substanz oder Flüssigkeit aus einem Gewebe oder aus Zellen, meist ohne dass eine Drüse vorhanden ist.
  • Ein Biofilm ist eine dünne Schleimschicht, die aus Mikroorganismen besteht und sich auf Oberflächen bildet, die in Kontakt mit Wasser stehen. Ein gutes Beispiel dafür ist der Zahnbelag.
  • Als Ökosystem wird das Zusammenleben zwischen den Lebewesen in ihrer Umwelt bezeichnet.
  • Aerob bedeutet "mit Sauerstoff".
  • Anaerob bedeutet "lebt ohne Sauerstoff".
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