Wenn sich Ihre Zähne nach dem Auslassen des Zähneputzens schon einmal weich angefühlt haben, sind Sie auf Biofilm gestoßen – eine schleimige Bakterienschicht, die sich an Oberflächen festsetzt. Im medizinischen Bereich erschweren Biofilme die Behandlung von Infektionen, da sie Schutzschilde für Bakterien auf Geräten wie Kathetern und Implantaten bilden.
Wissenschaftler von UC Riverside haben jetzt eine Chemikalie entdeckt, die Pflanzen produzieren, wenn sie gestresst sind und die Bildung von Biofilm verhindern. Der Durchbruch bietet potenzielle Fortschritte im Gesundheitswesen und verhindert die Korrosion von Geräten in industriellen Umgebungen.
„Einfach ausgedrückt sind Biofilme Gemeinschaften von Mikroorganismen wie Bakterien oder Pilzen, die zusammenkleben und eine Schutzschicht auf Oberflächen bilden“, sagte Katayoon Dehesh, angesehener Professor für molekulare Biochemie an der UCR und korrespondierender Autor einer Studie über die Entdeckung.
„Sie haben sie wahrscheinlich als schleimige Schicht auf Flussgesteinen oder als Zahnbelag auf Ihren Zähnen gesehen. Obwohl sie ein natürlicher Bestandteil vieler Ökosysteme sind, können Biofilme große Probleme verursachen.“
Die Studie, veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikationunterstreicht die Bedeutung eines bestimmten Metaboliten, bei dem es sich um ein Molekül handelt, das bei lebenserhaltenden chemischen Reaktionen in Pflanzen sowie in Bakterien und sogar einigen Parasiten, wie dem, der Malaria verursacht, entsteht.
In Pflanzen spielt dieser Metabolit, MEcPP, nicht nur eine entscheidende Rolle bei der Produktion essentieller Verbindungen, sondern auch bei der Stresssignalisierung. Wenn beispielsweise eine Pflanze auf irgendeine Weise geschädigt wird und zu viel Sauerstoff in ihre Zellen gelangt, reichert sie MEcPP an. Dieses Molekül löst dann Schutzreaktionen innerhalb der Pflanze aus. Die Forscher entdeckten, dass dasselbe Molekül eine überraschende Wirkung auf Bakterien wie E. coli hat: Es stört die Biofilmentwicklung, indem es seine Fähigkeit, sich an Oberflächen zu binden, beeinträchtigt.
In medizinischen Einrichtungen wachsen Biofilme auf Geräten wie Kathetern, Stents oder Implantaten, was die Behandlung von Infektionen erschwert, da die Mikroben in Biofilmen sehr resistent gegen Antibiotika sind. In der Industrie verstopfen sie Rohre, verunreinigen Lebensmittelverarbeitungsgeräte und verursachen Korrosion.
„Durch die Verhinderung der frühen Stadien der Biofilmentwicklung bietet dieses Molekül ein echtes Potenzial zur Verbesserung der Ergebnisse in allen Branchen, die auf saubere Oberflächen angewiesen sind“, sagte Dehesh.
Bakterien sind auf haarähnliche Strukturen, sogenannte Fimbrien, angewiesen, um sich an Oberflächen zu verankern, ein entscheidender Schritt bei der Entstehung von Biofilmen. Fimbrien helfen Bakterien dabei, sich an medizinischen Implantaten, Schläuchen oder sogar Zähnen festzusetzen, wo sie eine Schutzmatrix absondern, die sie vor Antibiotika und Reinigungsmitteln schützt. Ohne Fimbrien kann die Biofilmbildung nicht beginnen.
„Biofilme sind wie Festungen für Bakterien“, sagte Jingzhe Guo, UCR-Projektwissenschaftler und Erstautor der Studie. „Durch die Unterbrechung der Anfangsphase der Bindung entschärft MEcPP im Wesentlichen die Fähigkeit der Bakterien, diese Festungen zu errichten.“
Durch genetische Screenings von mehr als 9.000 Bakterienmutanten identifizierte das Forschungsteam ein Schlüsselgen namens fimEder als „Ausschalter“ für die Fimbrienproduktion fungiert. MEcPP steigert die Aktivität dieses Gens und erhöht die Expression von fimE. Dies wiederum verhindert, dass die Bakterien Fimbrien produzieren und Biofilme bilden.
„Unsere Entdeckung könnte Strategien zur Biofilmprävention in einer Vielzahl von Branchen inspirieren“, sagte Guo. „Von saubereren Wassersystemen bis hin zu besseren Zahnpflegeprodukten sind die Möglichkeiten immens.“
Biofilme sind nicht nur ein medizinisches Problem, sondern auch ein kostspieliges Problem in der Industrie. Sie tragen zu verstopften Rohrleitungen, korrodierten Maschinen und Kontaminationen in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben bei. Herkömmliche Methoden zur Bekämpfung von Biofilmen basieren oft auf aggressiven Chemikalien oder teuren Behandlungen, die schädlich für die Umwelt sein können oder mit der Zeit unwirksam werden, wenn sich Bakterien anpassen.
„Diese Studie ist ein Beweis für die unerwarteten Zusammenhänge zwischen Pflanzenbiologie und Mikrobiologie“, sagte Guo. „Es ist spannend zu glauben, dass ein Molekül, das Pflanzen zur Signalisierung von Stress nutzen, eines Tages Menschen dabei helfen könnte, bakterielle Bedrohungen zu bekämpfen.“
Weitere Informationen:
Jingzhe Guo et al., Ein evolutionär konservierter Metabolit hemmt die Biofilmbildung in Escherichia coli K-12, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-54501-w