Mikrobielle Matten

Ein Biofilm ist eine Population von Bakterien, Algen, Hefen oder Pilzen, die an einer Oberfläche haften. Die Oberfläche kann lebend oder nicht lebendig sein. Beispiele für lebende Oberflächen, auf denen Biofilme wachsen können, sind Zähne, Zahnfleisch und Zellen, die den Darm- und Vaginaltrakt auskleiden. Beispiele für nicht lebende Oberflächen sind Steine ​​in Wasserläufen und implantierte medizinische Geräte wie Katheter.

Das rudimentäre Wissen über das Vorhandensein von Biofilmen ist seit Jahrhunderten bekannt. Zum Beispiel das Bakterium Acetobacter aceti Holzspäne werden seit dem 1980. Jahrhundert zur Herstellung von Essig verwendet. Trotz dieser Geschichte wurden Biofilme bis in die XNUMXer Jahre eher als Kuriosität angesehen. In der Tat ist vieles, was über Mikroorganismen und bestimmte Bereiche wie die Antibiotikaresistenz von Bakterien bekannt ist, auf die Verwendung von Bakterien zurückzuführen, die als schwimmende (planktonische) Populationen in flüssigen Wachstumsquellen wachsen.

Ab den 1980er Jahren häuften sich Beweise, die zu der Erkenntnis geführt haben, dass die schwebende Form des Bakterienwachstums künstlich ist und dass die Biofilmform des Wachstums die natürliche und bevorzugte Wachstumsart für Mikroben ist. Nun wird angenommen, dass praktisch jede Oberfläche, die mit Mikroorganismen in Kontakt kommt, die Biofilmbildung aufrechterhalten kann.

Vieles, was über Biofilme bekannt ist, stammt aus der Untersuchung von Bakterien. Typischerweise besteht der im Labor untersuchte Biofilm aus einem Bakterientyp. Die Beobachtung von nur einem wachsenden Bakterium erleichtert die Untersuchung der Bildung und des Verhaltens des Biofilms. In einer natürlichen Umgebung besteht ein Biofilm jedoch häufig aus einer Vielzahl von Bakterien. Zahnbelag ist ein gutes Beispiel. In dem Biofilm, der sich auf der Oberfläche der Zähne und des Zahnfleisches bildet, können Hunderte von Bakterienarten vorhanden sein.

Die Bildung eines Biofilms beginnt, wenn schwimmende Bakterien auf eine Oberfläche treffen. Die Anhaftung kann unspezifisch oder spezifisch erfolgen. Die spezifische Bindung beinhaltet die Erkennung eines Oberflächenmoleküls durch ein anderes Molekül auf der Oberfläche des Mikroorganismus. Die Anhaftung von Bakterien kann durch Anhänge wie Flagellen, Zilien oder das Festhalten von unterstützt werden Caulobacter crescentus.

Auf die Anhaftung folgt eine länger anhaltende Verbindung mit der Oberfläche. Für Bakterien beinhaltet diese Assoziation strukturelle und genetische Veränderungen. Gene werden nach Oberflächenanlagerung exprimiert. Ein besonders charakteristisches Ergebnis dieser bevorzugten genetischen Aktivität ist die Produktion einer großen Menge eines zuckerhaltigen Materials, das als Glycocalyx oder Exopolysac-Charid bekannt ist. Die Zuckerschicht vergräbt die Bakterienpopulation und erzeugt den Biofilm.

Mit der Zeit kann ein Biofilm dicker werden. Ein älterer, reiferer Biofilm unterscheidet sich von einem jüngeren Biofilm. Studien mit Instrumenten, die einen Biofilm untersuchen können, ohne dessen Struktur physikalisch zu stören, haben gezeigt, dass die Bakterien, die sich tiefer in einem Biofilm befinden, die Produktion des Expopolysaccharids einstellen und ihre Wachstumsrate verlangsamen, um fast ruhend zu werden. Im Gegensatz dazu wachsen die Bakterien am Rand des Biofilms schneller und produzieren große Mengen an Exopolysaccharid. Diese Aktivitäten finden gleichzeitig statt und sind tatsächlich koordiniert. Die Bakterien können chemisch miteinander kommunizieren. Dieses Phänomen, das als Quorum Sensing bezeichnet wird, ermöglicht das Wachstum eines Biofilms und ermutigt Bakterien, einen Biofilm zu verlassen und an anderer Stelle neue Biofilme zu bilden.

Ein weiterer Unterschied bei Biofilmen, die sich im Laufe der Zeit entwickeln, betrifft ihre dreidimensionale Struktur. Ein junger Biofilm hat eine ziemlich einheitliche Struktur, wobei die Bakterien gleichmäßig im Biofilm verteilt sind. Im Gegensatz dazu besteht ein gut etablierter Biofilm aus Bakterien, die in Mikrokolonien zusammengeballt sind, mit umgebenden Regionen von Exopolysaccharid und offenen Wasserkanälen, die es Lebensmitteln ermöglichen, leicht zu den Bakterien zu gelangen, und Abfallmaterial kann leicht aus dem Biofilm austreten.

Bakterielle Biofilme sind wichtig für die Etablierung und Behandlung von Infektionen. Innerhalb des Biofilms sind Bakterien sehr resistent gegen Chemikalien wie Antibiotika, die die Bakterien sonst abtöten würden. Antibiotikaresistente Biofilme treten auf inerten Oberflächen wie künstlichen Herzklappen und Harnkathetern sowie auf lebenden Oberflächen wie Gallensteinen und in der Lunge von Mukoviszidose-Patienten auf. Bei Mukoviszidose wird hauptsächlich der Biofilm von Bakterien gebildet Pseudomonas aeruginosa, schützt die Bakterien vor dem Immunsystem des Wirts. Die Immunantwort kann jahrelang anhalten, was das Lungengewebe reizt und schädigt.

Untersuchungen haben ergeben, dass das Innere eines bakteriellen Biofilms eine chemische Kommunikation zwischen einzelnen Bakterien beinhaltet, die die Koordination der Entwicklung des Biofilms und das Ablösen peripherer Bakterien unterstützt, die sich auf entfernteren Oberflächen niederlassen, um einen neuen Biofilm zu bilden. Die Kenntnis dieser chemischen Signale kann dazu beitragen, die Bildung von Biofilmen bei Mukoviszidose und anderen Krankheiten und Infektionen zu verzögern oder sogar zu verhindern.

Ressourcen

Bücher

Ghannoum, Mahmoud und George A. O'Toole. Mikrobielle Biofilme. Washington, DC: ASM Press, 2004.

Pace, John L., Mark Rupp und Roger G. Finch. Biofilme, Infektionen und antimikrobielle Therapie. Boca Raton: CRC, 2005.

Wilson, Michael und Deirdre Devine. Medizinische Implikationen von Biofilmen. Cambridge: Cambridge University Press, 2003.