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Bakterien : Biofilme: Hort gefährlicher Keime

  • -Aktualisiert am

Eine Kolonie des Bacillus subtilis Bild:

Gegen Bakterien kommen mittlerweile ausgeklügelte Verfahren und Materialien zum Einsatz. Doch es ist immer noch nicht leicht, auf Oberflächen sich ausbreitenden Bakterienkolonien Herr zu werden.

          3 Min.

          Bakterien lieben feuchte Oberflächen. Haben sie sich einmal darauf niedergelassen, breiten sie sich rasch aus und bilden größere Kolonien. Dabei produzieren sie eine gallertartige Substanz, mit der sie sich schützend umgeben. Solche Filme von Bakterien – kurz Biofilme – findet man auf vielen Oberflächen, ob in der Natur, an Gebäuden oder im Haushalt. Fatalerweise entstehen Biofilme jedoch auch auf Kunststoffen und anderen Materialien, die man für medizinische Zwecke nutzt. Die Keime sind oftmals besonders hartnäckig und trotzen der körpereigenen Abwehr und Bioziden oder Antibiotika, was zu einer Blutvergiftung bei Patienten führen kann. Die Frage, wie Biofilme entstehen und wie sie sich verhindern lassen, beschäftigt zahlreiche Forschergruppen weltweit, wie kürzlich auf einem internationalen Symposion an der Harvard University in Cambridge (Massachusetts) deutlich wurde.

          Medizinische Hilfsmittel

          Viele medizinische Hilfsmittel bestehen aus Kunststoff. Dazu zählen Instrumente, Katheter, Gefäßprothesen und Kontaktlinsen. Im Organismus wird die Oberfläche der Polymere rasch von Proteinen überzogen. Dort können Bakterien wie der pathogene Keim Pseudomonas aeruginosa andocken und eine Infektion auslösen. Den Medizinern bleibt oft nur die Möglichkeit, einen befallenen Gegenstand auszutauschen. Diverse Forschungsansätze zielen daher darauf ab, von vornherein die Besiedlung des Kunststoffs mit Bakterien zu verhindern oder zumindest zu erschweren.

          Als geeignet dafür haben sich beispielsweise sogenannte selbstorganisierende Monoschichten erwiesen. Diese bestehen aus langen Kettenmolekülen, an deren Enden bestimmte chemische Gruppen sitzen. Über diese können sich die Moleküle an eine Kunststoffoberfläche anlagern und wie der Flor eines Teppichs ausrichten. Auf dem Symposion in Cambridge berichtete der Chemiker George Whitesides von der Harvard University über verschiedene Moleküle, die zumindest bereits im Labor erfolgreich die Ablagerung von Proteinen auf einem Polymer verhindert haben. Dazu gehören Moleküle mit Baueinheiten aus Polyethylenglykol und solche mit Sulfoxid.

          Polymerbürsten

          Ein probates Mittel gegen das Haften von Proteinen an Kunststoffen scheinen auch sogenannte Polymerbürsten zu sein. Hierbei handelt es sich um Verbindungen, die auf ihrer Oberfläche borstenartig abstehende Kunststoffketten tragen. Jan Genzer von der North Carolina State University in Raleigh untersucht solche Oberflächen systematisch. Dazu variiert er sowohl die Länge der aufgebrachten Borsten als auch deren Dichte. An den Proben kann er die Wechselwirkungen zwischen Polymerborsten und Proteinen sowie Zellen genau studieren. Genzer interessiert dabei, welche Länge die Borsten haben müssen, damit sie besonders effektiv wirken, und wie dicht sie aneinandergereiht werden müssen, damit sie eine vorteilhafte, weil abstoßende Konformation einnehmen können.

          Häufig finden in der Medizin auch metallische Werkstoffe Verwendung, etwa wenn bei komplizierten Brüchen die Knochen durch ein externes Gestell fixiert werden müssen. Die Niederländerin Henny van der Mei von der Universität Groningen stellte in Cambridge ein Verfahren vor, mit dem man Metallstifte von Bakterien freihalten kann. Ihre Forschungen ergaben, dass eine geringe permanente elektrische Spannung das Metall vor einer Besiedlung mit Staphylokokken schützt und die bereits anhaftenden Keime abtötet.

          Optimale Lebensgemeinschaften

          Ein Biofilm stellt für Mikroorganismen eine optimale Lebensgemeinschaft dar. Innerhalb der vielzelligen Kolonie herrscht eine gewisse Arbeitsteilung, zudem können die Keime ihre Gene leicht untereinander austauschen. Die von den Zellen selbst produzierte gallertartige Masse, die vor allem aus Zuckern, Proteinen und Wasser besteht, schützt die Bakterien bestens vor dem Aushungern und wirkt als Barriere gegen Desinfektionsmittel.

          Dennoch gibt es offenbar recht elegante Wege, pathogene Keime wie Pseudomonas aeruginosa in Schach zu halten. So hat Peter Greenberg von der University of Washington in Seattle den Eisenstoffwechsel der Bakterien als Schwachstelle identifiziert. Die Keime benötigen das Metall für ihr Wachstum. Limitiert man das verfügbare Eisen – eine von der körpereigenen Abwehr her bekannte Strategie –, wird die Entwicklung von Biofilmen gehemmt.

          Proteine als Hemmstoffe

          Wie Greenberg in Cambridge berichtete, sind Eisen bindende Proteine als Hemmstoffe kaum geeignet. Zum einen verfügen die Mikroorganismen über verschiedene Wege der Eisenaufnahme, die sich nicht alle blockieren lassen, zum anderen sind die entsprechenden Proteine in höheren Dosen giftig. Deshalb kam der Mikrobiologe auf den Gedanken, die Keime mit Galliumsalzen zu behandeln. Galliumionen sind genauso groß wie Eisenionen und werden daher – wie eine Art Trojanisches Pferd – von den Bakterien ebenfalls aufgenommen. Der Stoffwechsel kommt zum Erliegen, da die Galliumteilchen anders als Eisen nicht chemisch reduziert werden können. Wie Greenberg zeigte, lässt sich durch die Zugabe von Gallium nicht nur das Wachstum von Bakterien eindämmen, sondern es gelingt auch, bestehende Biofilme zu zerstören. Dabei werden auch die besonders geschützten Zellen im Zentrum des Biofilms erreicht.

          Um das Verständnis über Entstehung und Bekämpfung, aber auch Nutzen von Biofilmen – etwa in der Abwasserbehandlung – voranzutreiben, bedarf es vielfältiger Anstrengungen diverser Disziplinen. Es gilt beispielsweise, die Signalwege der Bakterien zu entschlüsseln oder die Wechselwirkungen zwischen Oberflächen, Nährstoffen und Mikroorganismen zu untersuchen. Eine besondere Förderung erhält jetzt die Biofilm-Forschung an der Harvard University. Diese hat eine Forschungskooperation mit der chemischen Industrie geschlossen. Ein deutsches Unternehmen finanziert in Cambridge fünf Jahre lang zwanzig Postdoc-Stellen in verschiedenen Harvard-Laboratorien. Damit die Forschungsfreiheit gewährleistet bleibt, wurde vereinbart, dass die Wissenschaftler frei über ihre Forschungsergebnisse verfügen können.

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