Biofilm-Studie zeigt, wie es mehreren Bakterienarten gelingt, nebeneinander zu existieren

Biofilme – schleimige Bakteriengemeinschaften – wachsen auf allen möglichen Oberflächen: von Gletschern und heißen Quellen bis hin zu Pflanzenwurzeln, Ihrer Badewanne und Ihrem Kühlschrank, Wunden und medizinischen Geräten wie Kathetern. Die meisten Biofilme bestehen aus mehreren Bakterienarten, aber wie es diesen Arten gelingt, zusammenzuleben, ist unklar.

Eine neue Studie von Wissenschaftlern aus Dartmouth Aktuelle Biologie nutzt Experimente und Modellierungen, um zu untersuchen, wie drei Arten von Biofilmbakterien koexistieren – und wann sie sich selbstständig ausbreiten.

Eine Art, Pseudomonas aeruginosa, ein vielseitiger Krankheitserreger, der bekanntermaßen antibiotikaresistent ist, dominierte die beiden anderen Bakterien. Doch wenn die Oberfläche zu dicht bevölkert wurde, wanderte die Art lieber auf der Suche nach grüneren Weiden ab, als dort zu bleiben und mit ihren Mitbewohnern zu konkurrieren. Indem Pseudomonas sich selbstständig machte, ermöglichte es das Gedeihen der gesamten Bakterienkolonie.

„Das Ausbreitungsverhalten von Pseudomonas ermöglicht es den drei Arten, dort zusammenzuleben, wo sie es sonst nicht tun würden“, sagt der korrespondierende Autor Carey Nadell, Assistenzprofessor für Biowissenschaften in Dartmouth. „Dies ist der erste Fall, der explizit zeigt, dass die Ausbreitung sehr wichtige ökologische Konsequenzen hat, wenn man Biofilme als Gemeinschaft betrachtet.“

Die Forscher untersuchten eine Gemeinschaft aus drei Bakterienarten: P. aeruginosa, Escherichia coli und Enterococcus faecalis. Alle verhalten sich als opportunistische Krankheitserreger und werden häufig aus katheterassoziierten Harnwegsinfektionen isoliert. Daher könnte das Verständnis ihrer Wechselwirkungen das Verständnis dieser Infektionen verbessern.

„Wir wollten wissen, wie Biofilme eine Vielfalt von Arten oder Stämmen unterstützen können, weil wir wissen, dass Bakterien wirklich gut darin sind, sich gegenseitig abzutöten“, sagt Erstautor Jacob Holt, ein Doktorand in Nadells Forschungsgruppe, der die Studie leitete. „Das war also eine große Motivation – wenn sie diese antagonistischen Verhaltensweisen so gut beherrschen, wie können sie dann in diesen eng verbundenen Gemeinschaften koexistieren?“

Um dies zu untersuchen, züchteten die Forscher die drei Arten auf einer Glasoberfläche, die die Entwicklung von Biofilmen begünstigt, und in einer gut gemischten Flüssigkultur. Sie „säten“ eine gleiche Anzahl jedes Bakteriums in jeder Umgebung und untersuchten dann mithilfe der Fluoreszenzmikroskopie, wie sich die relative Häufigkeit der verschiedenen Arten im Laufe der Zeit veränderte.

In der Flüssigkultur boomte P. aeruginosa und verdrängte die beiden anderen Arten nach etwa drei Tagen vollständig. In der Biofilmumgebung sahen die Forscher jedoch eine ganz andere Dynamik.

Zunächst wuchsen die Populationen von E. faecalis und E. coli schneller als die von P. aeruginosa, doch nach einigen Tagen nahm die Population von P. aeruginosa rasch zu und begann, die beiden anderen Arten zu verdrängen. Allerdings schrumpfte die Population von P. aeruginosa, als der Biofilm dichter wurde, was den beiden anderen Arten ermöglichte, sich wieder zu erholen. Kurz darauf begann P. aeruginosa erneut die Kontrolle zu übernehmen – und der Zyklus wiederholte sich.

Als das Team verschiedene theoretische Modelle zur Erklärung dieser Zyklen testete, war das beste Modell überraschend einfach. „Der grundlegende Mechanismus ist sehr einfach“, sagt Holt. „Wenn eine dominante Art eine sehr hohe Häufigkeit erreicht, entfernt sie sich selektiv aus dem System, was es den anderen Arten ermöglicht, dort zu bleiben.“

Um diese Hypothese zu testen, wiederholten die Forscher das Experiment mit einem gentechnisch veränderten Mutantenstamm von P. aeruginosa, dem die Fähigkeit zur Ausbreitung fehlt. In diesem Fall wurde der Biofilm vollständig von P. aeruginosa dominiert, was die in der Flüssigkultur beobachteten Ergebnisse widerspiegelt und die Ergebnisse ihres Modells stützt.

Diese Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, Forschung in realistischen Kontexten durchzuführen, sagt Nadell.

„Es ist wichtig, auf mehr ökologischen Realismus zu drängen. Die Schlussfolgerungen, die man aus gut gemischten flüssigen Bakterienkulturen zieht, lassen sich oft nicht auf Biofilmumgebungen übertragen, die in der realen Welt viel häufiger vorkommen“, sagt er. „Es zeigt, wie wichtig es ist, diese Gemeinschaften in einem Kontext mit etwas mehr Realismus zu untersuchen.“

Das Team plant, in zukünftigen Forschungen auf dieser Realismuskomponente aufzubauen. Für ihr nächstes Projekt arbeiten Holt und Nadell daran, Vibrio cholera, das Bakterium, das Cholera verursacht, auf Garnelenschalen zu züchten, dem Substrat, auf dem Bakterien in ihrer Meeresumgebung häufig wachsen.