Bakterielle Signalübertragung durch den Biofilm, der von der Oberflächenstruktur beeinflusst wird, zeigt eine Studie

Ähnlich wie Zellen in menschlichen Geweben als Ganzes kommunizieren und zusammenarbeiten, können Bakterien auch durch chemische Signale miteinander kommunizieren, ein Verhalten, das als Quorum-Signalisierung (QS) bekannt ist. Diese chemischen Signale breiten sich durch einen Biofilm aus, den Bakterienkolonien bilden, nachdem sie eine bestimmte Dichte erreicht haben, und werden verwendet, um den Kolonien zu helfen, Nahrung aufzufangen und sich gegen Bedrohungen wie Antibiotika zu verteidigen.

„QS hilft ihnen, Infrastruktur wie eine Stadt um sie herum aufzubauen“, beschrieb Dharmesh Parmar, Postdoktorand im Labor von Jonathan Sweedler (CABBI/BSD/MMG), James R. Eiszner Family Stiftungslehrstuhl in der Abteilung für Chemie. „Biofilme haben Kanäle, die den Durchgang von Nährstoffen und Informationen in Form von chemischen Signalen ermöglichen. Sie ermöglichen auch ein Übersprechen zwischen Kolonien, wenn es eine Bedrohung oder Stress in der Umgebung gibt.“

Die Bildung von Biofilmen und die daraus resultierende Resistenz gegen Antibiotika können besonders gefährlich für Menschen mit geschwächter Immunität oder mit Krankheiten wie Mukoviszidose (CF) sein, die zu einer stagnierenden Schleimoberfläche in der Lunge führt, an der sich Bakterien leichter festsetzen können. Um besser zu verstehen, welche Oberflächenfaktoren die Biofilmbildung in Gegenwart von Antibiotika beeinflussen oder möglicherweise hemmen, haben Forscher des Sweedler-Labors an der University of Illinois Urbana-Champaign zusammen mit Mitarbeitern der University of Notre Dame die Rate der Biofilmbildung über QS in gemessen ein Bakterium, das häufig bei Krankenhausinfektionen erworben wird, Pseudomonas aeruginosa.

P. aeruginosa bildet schnell Biofilme auf einer Vielzahl von Oberflächen, was die Kommunikation der Kolonien mit QS beschleunigt und die Behandlung mit Antibiotika erschwert. Darüber hinaus kann P. aeruginosa in der Dicke des von ihm produzierten Biofilms variieren. Der „schleimige“ Stamm produziert einen dickeren Biofilm als der nicht-schleimige Stamm und wird häufig mit Infektionen bei CF-Patienten in Verbindung gebracht, einer genetischen Erkrankung, die die Schleimviskosität und -ansammlung in der Lunge erhöht.

In der Studie wurden diese beiden Stämme auf hergestellten Oberflächen gezüchtet, die in ihrer Struktur variierten, wobei eine einheitlich oder „ungemustert“ und die andere mit geriffelten Blöcken „gemustert“ war. Die Forscher maßen dann, wie schnell Kolonien in der Lage waren, mit QS zu kommunizieren, während sie entweder in Gegenwart von Antibiotika gezüchtet wurden oder nicht. QS wurde mithilfe von Massenspektrometrie und Raman-Bildgebung nachgewiesen, bei denen das Vorhandensein von Signalmolekülen gemessen wurde, die mit dem Verhalten verbunden sind.

Das erste, was den Forschern auffiel, war, dass Antibiotika das Wachstum eines Biofilms und die Produktion von QS-Molekülen über beide Stämme und Strukturtypen hinweg verlangsamten. Als nächstes fanden die Forscher heraus, dass der Oberflächentyp einen großen Einfluss auf den nicht-schleimigen Stamm hatte, da die gemusterte Struktur mit längeren Latenzen verbunden war, bevor die Expression von QS-Molekülen ihren Höhepunkt erreichte. Dies war bei dem dickeren mukoiden Stamm nicht der Fall.

„Während die Wirkung des Antibiotikums, das das Biofilmwachstum verlangsamt, uns nicht überraschte, war die große und unterschiedliche Auswirkung auf die Oberflächenstruktur auffallend“, sagte Sweedler.

„Bei dem nicht schleimigen Stamm hatte die Oberflächenmusterung einen enormen Einfluss auf die QS-Signaleigenschaften“, fügte Parmar hinzu. „Im Fall von Schleim hatte die Oberflächenstruktur nur einen sehr geringen Einfluss auf seine metabolischen Signaturen.“

Die Forscher untersuchten auch, wie sich die Verteilung von QS-Signalmolekülen über verschiedene Teile des Biofilms unterschied, wenn er auf einer flachen Oberfläche gezüchtet und Antibiotika ausgesetzt wurde. Proben wurden vom „statischen Biofilm“, wo der Biofilm an der Oberfläche haftet, dem „Überstand“ oder flüssigen Medium der Kultur und dem „Pellikel-Biofilm“, der sich oben auf dem flüssigen Medium bildet und mit der Luft interagiert, entnommen .

Die Forscher fanden heraus, dass die überstehende Flüssigkeit und die Häutchen-Biofilme Signalmoleküle enthielten, die mit einer Stressreaktion assoziiert sind, während der statische Biofilm diese Moleküle nicht enthielt. Die Forscher glauben, dass dies daran liegt, dass die flüssige Komponente des Biofilms es Bakterien ermöglicht, entlang zu schweben und anderswo neue Kolonien zu gründen, aber dabei sind die Bakterien auch bedrohlichen Situationen ausgesetzt, wie zum Beispiel dem Vorhandensein von Antibiotika.

Durch den Vergleich des QS-Verhaltens während des Biofilmwachstums bei diesen verschiedenen Behandlungen können die Forscher besser verstehen, wie und welche Art von Molekülen diese Bakterienart verwendet, und neue Erkenntnisse über das Bakterienwachstum gewinnen.

„Der Biofilm von P. aeruginosa ist mit derzeit verfügbaren Antibiotika ziemlich schwierig zu beseitigen, und deshalb war es unser Ziel mit dieser Studie zu verstehen, welche Faktoren das Wachstum und die Stabilität dieser Biofilme bestimmen und wie Bakterien diesen Biofilmstrukturen entkommen, um neue Standorte zu besiedeln “, erklärte Parmar.

„Die chemisch informationsreichen Ansätze und Analysetechniken, die wir verwendet haben, ermöglichten es uns, diese komplexen molekularen Ereignisse im Zusammenhang mit der Biofilmbildung über Raum und Zeit hinweg zu untersuchen“, erklärte Sweedler.

Laut dem Team besteht der nächste Schritt darin, diese optimierten Analysetechniken zu verwenden, um QS-Signale auf Lungenschnitten von Ratten zu messen, anstatt auf fabrizierten Strukturen, wie sie in der aktuellen Studie verwendet werden. Da P. aeruginosa oft mit Infektionen in der Lunge von CF-Patienten in Verbindung gebracht wird, kann das Verständnis, wie es Biofilme in der Lunge bildet, Wissenschaftlern helfen, Methoden zu entwickeln, um das Bakterienwachstum bei diesen Patienten zu verlangsamen oder zu verhindern.

Parmar beschrieb eine potenzielle zukünftige Anwendung, die darin bestehen könnte, Oberflächen von medizinischen Geräten zu konstruieren, um die Anhaftung von Bakterien und die Bildung von Biofilmen zu verhindern. Diese Erkenntnisse könnten auch dazu beitragen, Biofouling zu verhindern, bei dem Bakterien biologische Produkte und Oberflächen verderben oder zersetzen.

Das Papier ist erschienen in ACS-Infektionskrankheiten.