Schnupfen, Schnauben und Schnupfen sind die Markenzeichen der Erkältungs- und Grippesaison – und dieser Anstieg des Schleims ist genau das, was Bakterien nutzen, um einen koordinierten Angriff auf das Immunsystem zu starten, so eine neue Studie von Forschern der Penn State University. Das Team stellte fest, dass die Bakterien umso besser schwärmen können, je dicker der Schleim ist. Die Ergebnisse könnten Auswirkungen auf Behandlungen haben, die die Ausbreitungsfähigkeit von Bakterien verringern.
Die Studie wurde kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht PNAS-Nexus, zeigt, wie Bakterien Schleim nutzen, um ihre Fähigkeit zur Selbstorganisation zu verbessern und möglicherweise Infektionen voranzutreiben. Die Experimente, die mit synthetischem Schweinemagenschleim, natürlichem Kuhzervixschleim und einer wasserlöslichen Polymerverbindung namens Polyvidon durchgeführt wurden, zeigten, dass Bakterien ihre Bewegung in dickem Schleim besser koordinieren als in wässrigen Substanzen.
Die Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie Bakterien Schleim und Schleimhautoberflächen besiedeln, sagten Forscher. Die Ergebnisse zeigen auch, wie Schleim die kollektive Bewegung oder das Schwärmen von Bakterien fördert, was die Antibiotikaresistenz von Bakterienkolonien erhöhen kann.
„Nach unserem besten Wissen ist unsere Studie der erste Nachweis, dass Bakterien kollektiv im Schleim schwimmen“, sagte Igor Aronson, Huck Chair Professor für Biomedizintechnik, Chemie und Mathematik an der Penn State University und korrespondierender Autor des Artikels. „Wir haben gezeigt, dass Schleim im Gegensatz zu Flüssigkeiten ähnlicher Konsistenz das kollektive Verhalten fördert.“
Echtzeitfilm von einzelnen Bakterien, die in Schleimbrühe schwimmen. Bildnachweis: Igor Aronson
Schleim sei für viele biologische Funktionen unerlässlich, erklärte Aronson. Es kleidet die Oberflächen von Zellen und Geweben aus und schützt vor Krankheitserregern wie Bakterien, Pilzen und Viren. Es ist aber auch das Wirtsmaterial für durch Bakterien verursachte Infektionen, einschließlich sexuell übertragbarer Krankheiten und Magenerkrankungen. Ein besseres Verständnis darüber, wie Bakterien im Schleim schwärmen, könnte laut Aronson den Weg für neue Strategien zur Bekämpfung von Infektionen und dem wachsenden Problem der Antibiotikaresistenz ebnen.
„Unsere Ergebnisse zeigen, wie sich die Schleimkonsistenz auf die zufällige Bewegung einzelner Bakterien auswirkt und ihren Übergang zur koordinierten, kollektiven Bewegung großer Bakteriengruppen beeinflusst“, sagte Aronson. „Es gibt Studien, die belegen, dass die kollektive Bewegung oder das Schwärmen von Bakterien die Fähigkeit von Bakterienkolonien erhöht, die Wirkung von Antibiotika abzuwehren. Der in unserer Arbeit untersuchte Beginn des kollektiven Verhaltens steht in direktem Zusammenhang mit dem Schwärmen.“
Schleim ist eine bekanntermaßen schwierig zu untersuchende Substanz, da er sowohl flüssigkeitsähnliche als auch feststoffähnliche Eigenschaften aufweist, erklärte Aronson. Flüssigkeiten werden typischerweise durch ihre Viskosität beschrieben, also wie dick oder dünn die Flüssigkeit ist, und Feststoffe werden durch ihre Elastizität beschrieben, also wie viel Kraft sie aushalten können, bevor sie zerbrechen. Schleim, eine viskoelastische Flüssigkeit, verhält sich sowohl wie eine Flüssigkeit als auch wie ein Feststoff.
Um besser zu verstehen, wie Schleim infiziert wird, nutzte das Team mikroskopische Bildgebungstechniken, um die kollektive Bewegung der konzentrierten Bakterien Bacillus subtilis in synthetischem Schweinemagenschleim und natürlichem Kuhzervixschleim zu beobachten. Sie verglichen diese Ergebnisse mit Beobachtungen von Bacillus subtilis, der sich in einem wasserlöslichen Polymer-Polyvidon in einem breiten Konzentrationsbereich bewegte, von hohen bis zu niedrigen Polyvidon-Konzentrationen. Die Forscher verglichen ihre experimentellen Ergebnisse auch mit einem Computermodell für die kollektive Bewegung von Bakterien in viskoelastischen Flüssigkeiten wie Schleim.
Das Team fand heraus, dass die Konsistenz des Schleims das kollektive Verhalten von Bakterien tiefgreifend beeinflusst. Die Ergebnisse zeigten, dass je dicker der Schleim ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Bakterien eine kollektive Bewegung zeigen und einen koordinierten Schwarm bilden.
„Wir konnten zeigen, wie die Viskoelastizität im Schleim die bakterielle Organisation verbessert, was wiederum dazu führt, dass sich Bakteriengruppen kohärent bewegen, die Infektionen verursachen“, sagte Aronson. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Elastizität und Viskosität des Schleims ein wesentlicher Faktor für die Organisation von Bakteriengemeinschaften sind. Dies kann Aufschluss darüber geben, wie wir das Eindringen von Bakterien in den Schleim kontrollieren und verhindern können.“
Aronson erklärte, dass das Team davon ausgeht, dass menschlicher Schleim ähnliche physikalische Eigenschaften aufweist, was bedeutet, dass ihre Ergebnisse auch für die menschliche Gesundheit relevant sind.
„Der Beginn der kollektiven Bewegung von Bakterien und ihre Interaktion mit Schleim sollte der gleiche sein wie bei Kuh-, Schweine- oder Menschenschleim, da diese Substanzen ähnliche mechanische Eigenschaften haben“, sagte Aronson. „Unsere Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Gesundheit von Mensch und Tier. Wir zeigen, dass die Viskoelastizität des Schleims die kollektive Bewegung von Bakterien in großem Maßstab verstärken kann, was möglicherweise die Geschwindigkeit beschleunigt, mit der Bakterien die Schleimschutzbarriere durchdringen und innere Gewebe infizieren können.“
Mehr Informationen:
Wentian Liao et al., Viskoelastizität steigert die kollektive Bewegung von Bakterien, PNAS-Nexus (2023). DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad291