Forscher manipulieren die Demografie der Bakteriengemeinschaft mit neuartiger elektronischer Technologie

Überall um uns herum gibt es Ansammlungen mikroskopisch kleiner Bakterien. Diese unsichtbaren Gemeinschaften, bekannt als Biofilme, sind in Lebensräumen zu finden, die von unserer Hautoberfläche bis zu Abwasserrohren reichen, und spielen eine wesentliche Rolle in Umgebungen, die vom Gesundheitswesen bis zur Landwirtschaft reichen.

Molekularbiologen und Physiker der University of California San Diego haben ihre Kräfte gebündelt, um eine neuartige Methode zu entwickeln, um mit Elektroschocks die Entwicklung von Bakteriengemeinschaften zu kontrollieren. Ihre mit einer neu entwickelten Technologie gewonnenen Erkenntnisse sind aus medizinischer Sicht bedeutsam. In Bereichen, in denen Bakterienwachstum ein Problem darstellt, können Biofilme zu chronischen Infektionen führen, insbesondere an Orten wie Krankenhäusern, an denen Antibiotikaresistenzen eine große Gesundheitsbedrohung darstellen.

Ähnlich wie andere mehrzellige Organismen bestehen Biofilme aus verschiedenen Zelltypen, die spezialisierte Aufgaben übernehmen. Beispielsweise liefern matrixproduzierende Zellen den strukturellen „Kleber“, der die Bakteriengemeinschaft zusammenhält, während bewegliche Zellen eine Rolle bei der Bildung und Ausbreitung von Biofilmen spielen. Das Gleichgewicht dieser beiden Zelltypen definiert die physikalischen und biologischen Eigenschaften des Biofilms und ist auch wichtig für seine Entwicklung. Wenn zu viele matrixproduzierende Zellen vorhanden sind, wird der Biofilm zu starr und kann nicht effizient wachsen. Wenn zu viele bewegliche Zellen vorhanden sind, löst sich der Biofilm auf, wenn die Zellen wegschwimmen. Somit bietet die Veränderung des Verhältnisses dieser beiden Zelltypen eine präzise Methode zur Bekämpfung von Biofilmen.

Wie am 4. Mai 2022 im Journal beschrieben Zellsystemeein Team an der UC San Diego mit Postdoktorand Colin Comerci und Kollegen im Labor von Professor Gürol Süel in der Abteilung für Molekularbiologie, zusammen mit Kollegen in der Abteilung für Physik, entwickelte ein neuartiges mikrofluidisches Gerät und kombinierte es mit einem Multi- Elektrodenanordnung, die es ihnen ermöglichte, lokalisierte Elektroschocks auf einen wachsenden Biofilm anzuwenden.

Zur Überraschung der Forscher führte die elektrische Stimulation dazu, dass sich bewegliche Zellen vermehrten, obwohl alle Zellen im Biofilm genetisch identisch sind.

„Obwohl bekannt ist, dass Elektroschocks Zellen töten können, zeigen wir hier, dass sie das Wachstum eines bestimmten Subtyps von Zellen verursachen können“, sagte Süel, Professor für Biowissenschaften mit Verbindungen zum San Diego Center for Systems Biology, BioCircuits Institute und Zentrum für Mikrobiom-Innovation. „Wie eine sekundenlange Stimulation das Wachstum für Stunden und nur von einer Art von Zellen fördern kann, ist ein großes Rätsel, das wir gerne lösen wollen.“

„Zelltypen auf diese Weise modulieren zu können, ist nicht nur für das Verständnis von Biofilmen wichtig“, sagt Comerci. „Die von uns verwendeten elektrochemischen Signale ähneln Signalen, die während der Entwicklung in komplizierteren Organismen wie Fröschen, Fischen oder sogar Menschen verwendet werden. Daher können unsere Ergebnisse Analogien zu anderen biologischen Systemen bieten.“

Warum die elektrische Stimulation die Population eines Zelltyps und nicht eines anderen ankurbelt, bleibt ein Rätsel und wird im Süel-Labor weiter untersucht. Ein solcher Einfluss, sagen die Forscher, bietet Kontrolle über die Zusammensetzung und Entwicklung des Biofilms und könnte ein neues Werkzeug zur Destabilisierung von Biofilmen im Gesundheitswesen und in der Landwirtschaft bieten.

Die vollständige Autorenliste des Papiers umfasst: Colin Comerci, Alan Gillman, Leticia Galera-Laporta, Edgar Gutierrez, Alex Groisman, Joseph Larkin, Jordi Garcia-Ojalvo und Gürol Süel.