Biofilme

Molekulare Störenfriede statt Antibiotika?

Proteine verhindern die Kommunikation zwischen Bakterien: Wissenschaftler beobachten, dass Strategien aus der Natur besonders wirksam sind, um Biofilme zu unterbinden.

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KIEL. Schleimig sind sie, doch für Mikroorganismen eine geradezu gemütliche Umgebung: Biofilme. Vor äußeren Einflüssen geschützt, können Bakterien dort ungestört wachsen und Krankheiten auslösen.

Wissenschaftlerinnen der Universität Kiel erforschen, wie bereits die Entstehung von Biofilmen verhindert werden kann. Darauf basierend könnten Alternativen zu Antibiotika entwickelt werden, gegen die viele Krankheitserreger häufig bereits resistent sind, teilt die Universität mit.

Biofilme entstehen, wenn sich Zellen auf Oberflächen anheften und sich dort koordiniert zu dreidimensionalen Zellansammlungen zusammenlagern, eingebettet in eine extrazelluläre Matrix.

Problematisch werde es, wenn sich Biofilme auf medizinischen Geräten oder Implantaten entwickeln. Pathogene Bakterien, die Krankheiten auslösen, stellten ein besonderes Problem dar, da sie in einem Biofilm nicht mehr durch normale Antibiotikagabe angreifbar seien. Die Lösung?

"Eine Möglichkeit, Krankheiten zu verhindern, ist Biofilme gar nicht erst entstehen zu lassen", wird Professorin Ruth Schmitz-Streit vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie der Universität Kiel in der Mitteilung zitiert.

Die Kommunikation stören

Um sich auf Oberflächen zu Zellansammlungen zusammen zu lagern, müssen Bakterien über Signalmoleküle (sogenannte "Autoinducer") miteinander kommunizieren. Wird diese Kommunikation unterbrochen, kann sich kein Biofilm bilden. Diese Zell-Zell-Kommunikation kann durch störend eingreifende Biomoleküle, sogenannte "Quorum quenching"-Proteine (QQ), beeinflusst werden.

"Proteine können diese Signalmoleküle abbauen oder so modifizieren, dass sie nicht mehr funktionsfähig sind", so Schmitz-Streit. Ziel der Studie sei es gewesen, QQ-Proteine zu finden, die diese Kommunikation zwischen Bakterien möglichst wirksam stören.

Im Gegensatz zu bisherigen Forschungen konzentrierten sich Professorin Ruth Schmitz-Streit und Dr. Nancy Weiland-Bräuer, ebenfalls von der Universität Kiel, bei ihrer Suche auf natürliche Umgebungen außerhalb des Labors.

"Prinzipien, die in der Natur vorkommen, haben sich evolutionär über einen langen Zeitraum entwickelt und durchgesetzt. Dadurch sind sie besonders wirkungsvoll", so Schmitz-Streit. Dies bewiesen die Forscher mit einem metagenomischen Ansatz: Sie entnahmen Proben aus Meerwasser, aus Gletschern, von Quallen und aus Biofilmrückständen in einer Waschmaschine.

Daraus extrahierten sie die Gesamt-DNA und suchten davon ausgehend Proteine mit der Fähigkeit, Signalmoleküle abzubauen oder unwirksam zu machen, so die Universität.

Neue, unentdeckte Substanzen

Schmitz-Streit und Weiland-Bräuer stellten dabei fest, dass die Anzahl von QQ-Proteinen, die eine Zell-Zell-Kommunikation verhindern können, in den untersuchten marinen Umwelt-Proben tatsächlich enorm hoch ist - höher als bei terrestrischen Proben (Frontiers in Microbiology 2016; online 13. Juli).

"Das marine System rund um Meer, Wasser oder Algen ist als das älteste Ökosystem besonders reichhaltig an neuen, noch unentdeckten Substanzen. Hierin steckt ein großes Potenzial von biologischen Aktivitäten und QQ-Mechanismen", so Schmitz-Streit .

Die Forschungsgruppe fand noch mehr: Das kommunikationsstörende Protein QQ-2 zeigte sich in den Untersuchungen als besonders wirksam. "Dieses Protein ist sehr robust und kann viele verschiedene Biofilme verhindern", wird Weiland-Bräuer in der Mitteilung der Universität Kiel zitiert.

Frühere Studien konzentrierten sich eher darauf, eine bestimmte Sprache von Bakterien zu stören. "Das QQ-2-Protein ist dagegen auf eine ‚Universalsprache‘ ausgerichtet und kann die Kommunikation von verschiedenen Bakterien stören. Es ist also ein ‚genereller Störenfried‘". (eb)

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