Die Bekämpfung lebensbedrohlicher bakterieller Infektionen, die Reduzierung von Schleim, der die Rohre verstopft, die Verhinderung von Plaquebildung auf den Zähnen – alle könnten eines Tages von einer neuen Technologie profitieren, die von Forschern der Montana State University entwickelt wird.
Wenn Bakterien und andere Mikroben an Oberflächen haften bleiben und schleimige Beläge – Biofilm genannt – bilden, bilden sie komplexe Gemeinschaften, die oft gegen herkömmliche Desinfektionsmittel resistent sind. Jetzt entwickeln Wissenschaftler im Zentrum für Biofilmtechnik der MSU ein Werkzeug zur Replikation der mikrobiellen Mosaike, damit innovative Behandlungen untersucht werden können.
„Wir freuen uns, die ersten Einblicke in diese Technologie zu geben“, sagte Isaak Thornton, der in Maschinenbau promoviert. Thornton wird zusammen mit Kathryn Zimlich, Doktorandin der Mikrobiologie, ihre Arbeit während des Jahres vorstellen Montana Biofilm-Treffen in Bozeman vom 12. bis 14. Juli, die Forscher und Industriepartner aus der ganzen Welt zusammenbringt, um die neueste Biofilmwissenschaft zu diskutieren.
In den letzten zwei Jahren haben Zimlich und Thornton ein 3D-Druckgerät entwickelt und getestet, das ein Gitter aus einzelnen Bakterien in Hydrogel – einer klaren, Wackelpudding-ähnlichen Substanz – präzise auslegen kann. Mithilfe der Fortschritte im 3D-Druck können die Forscher die Mikroben in Tropfen flüssigen Hydrogelharzes kartieren und dann Laserlicht verwenden, um das Material zu verfestigen und einen rudimentären Biofilm aufzubauen.
„Wir können Zellen genau dort räumlich anordnen und verkapseln, wo wir sie haben wollen“, sagte Thornton, der die Forschung im Labor von Jim Wilking, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Chemie- und Bioingenieurwesen am Norm Asbjornson College of Engineering der MSU, durchführt.
Bisher haben Zimlich und Thornton nur eine einzige Bakterienart verwendet, aber indem sie den 3D-Drucker verwenden, um mehrere Durchgänge mit jeweils einer anderen Bakterienart oder einem anderen Bakterienstamm durchzuführen, könnten sie damit beginnen, die komplexeren und geschichteten Biofilme zu erzeugen, die in der Natur vorkommen. Durch Zugabe von Fluoreszenzfarbstoff zu den Bakterien können die Forscher die Mikroben mit speziellen Mikroskopen leicht sehen und so die Wechselwirkungen zwischen den Zellen untersuchen.
„Selbst die einfachsten Biofilmsysteme sind kompliziert“, sagte Zimlich. „Es ist wie ein Wald, in dem es viel Vielfalt gibt. Wir brauchten neue Werkzeuge, um zu sehen, wie sich diese Vielfalt entwickelt und erhält.“
Es ist bekannt, dass die dynamische Umgebung innerhalb eines Biofilms dazu beitragen kann, Mikroben gegenüber herkömmlichen Behandlungen resistent zu machen. MSU-Regents-Professor und langjähriger Biofilmforscher Phil Stewart hat gezeigt, dass ein Bakterium, das häufig gefährliche Wundinfektionen verursacht, Antibiotika widersteht, weil die Zellen in der unteren Ebene des Biofilms von Sauerstoff und anderen Verbindungen abgeschnitten werden, wodurch sie in den Ruhezustand übergehen und dadurch ihre Biologie genug, dass das Medikament unwirksam wird.
„Eine Sache, die immer klarer wird, ist, dass es Potenzial gibt, diese pathogenen Bakterien zu behandeln, indem man die interaktive Biofilmumgebung verändert, anstatt zu versuchen, aggressive chemische Produkte zu verwenden“, sagte Zimlich, dessen Forschungsberater Matthew Fields, Direktor des Zentrums für Biofilmtechnik, ist. Behandlungen könnten beispielsweise das Einbringen harmloser Bakterien umfassen, die mit den schädlichen Mikroben konkurrieren und den schützenden Biofilm zerstören.
Die Entwicklung dieser Behandlungen erfordert viele Tests in einer kontrollierten Laborumgebung, und hier kommt das neue 3D-Druckwerkzeug ins Spiel. „Wir glauben, dass es möglich ist, Analoga zu konstruieren, wie sich diese pathogenen Biofilme auf natürliche Weise bilden“, sagte Zimlich.
Das ist möglicherweise von großem Interesse für die Teilnehmer des Biofilm-Meetings. Unternehmen wie Proctor and Gamble, 3M und Ecolab sowie die NASA sind bestrebt, neue Wege zur effektiven Bekämpfung problematischer Biofilme zu entwickeln, so Paul Sturman, der die Arbeit des Zentrums mit seinen rund 30 Industriepartnern koordiniert.
„Es geht wirklich darum, ihnen bei der Entwicklung nützlicher Produkte zu helfen“, sagte Sturman. „Das Treffen ist eine großartige Möglichkeit für unsere Mitglieder, sich über die neueste Biofilmforschung auf dem Laufenden zu halten. Und wir können unsere Arbeit präsentieren, die wir leisten und leisten können.“
Seit seiner Gründung vor mehr als 30 Jahren ist das Center for Biofilm Engineering weltweit führend in der Erforschung von Biofilmen und hat einen interdisziplinären Ansatz entwickelt, der mehrere Bereiche der Ingenieurwissenschaften, Mikrobiologie und anderer Bereiche kombiniert, um reale Probleme zu lösen. Das habe Thornton an dem Projekt gereizt, sagte er.
„Es ist lohnend, diese Gelegenheit zu haben, meine Fähigkeiten im Maschinenbau einzubringen, um Mikrobiologen bei der Beantwortung einer neuen Generation von Fragen zu helfen“, sagte Thornton.
Zimlich stimmt zu. „Wir müssen zusammenarbeiten“, sagte sie. „Ich denke, dies ist einer der besten Orte der Welt, um diesen Fragen nachzugehen.“