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Biofilme: Forscher finden Ursachen für wasserabweisende Eigenschaften

Bakterien schützen sich durch Lotuseffekt

Wassertropfen auf einem Lotusblatt. (Bild: C. Falcón Garcia / TUM)
Wassertropfen auf einem Lotusblatt. (Bild: C. Falcón Garcia / TUM)

Forschung

Plaque auf den Zähnen oder der bräunlich-zähe Schleim in Abflussrohren sind zwei bekannte Beispiele für bakterielle Biofilme. Solche Beläge von den Oberflächen zu entfernen, ist oft sehr schwierig, unter anderem weil sie sehr stark wasserabweisende Eigenschaften haben können. Ein Team von Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) konnte nun zeigen, wie solche Biofilme ihre Oberfläche anpassen, um Wasser abzuweisen und dabei Blättern ähneln.

Bakterien umgeben sich mit einer dichten Hülle von selbst hergestellten chemischen Bausteinen (Polymere), um sich vor Umwelteinflüssen zu schützen. Diese Kombination von Bakterien und dem von ihnen produzierten Schleim nennt man Biofilm. Mikroorganismen, die diese Oberflächenbeläge bilden, sind äußerst trickreich, um sich vor fließendem Wasser – und damit vor dem Ablösen – zu schützen. Nicht nur in Abflussrohren, sondern auch an medizinischen Implantaten oder Schläuchen kann das zum großen Problem werden.


Prof. Oliver Lieleg, Professor für Biomechanik, erforscht mit seiner Arbeitsgruppe "Biologische Hydrogele" an der Munich School of BioEngineering die physikalischen Prinzipien, die bakterielle Biofilme so widerstandsfähig machen. In ihrer aktuellen Studie im Journal NPJ Biofilms and Microbiomes haben sie die Oberfläche von Biofilmen mit konfokalen Reflexions-Lichtmikroskopen genau vermessen.

Nahrungsangebot bestimmt die Oberfläche der Biofilme

„Unsere erste Erkenntnis war: Biofilm ist nicht gleich Biofilm – auch wenn er vom selben Bakterium erzeugt wird“, sagt Oliver Lieleg. Die Forscher stellten fest, dass das Bodenbakterium Bacillus subtilis Biofilme mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften herstellen kann: Einmal breiten sich Wassertropfen fast sofort auf der Oberfläche aus, ein anderes Mal rollen die Wassertropfen von der Oberfläche herunter und ein drittes Mal bleiben die Wassertropfen in kugeliger Form auf der Oberfläche haften – selbst wenn diese senkrecht gestellt wird.


Wie die Wissenschaftler zeigen konnten, nutzen die Mikroorganismen dabei Effekte, die aus der Pflanzenwelt bekannt sind: das wasserabweisende Verhalten der Blätter von Lotuspflanzen und Rosen. Lieleg und sein Team konnten nachweisen, dass die Oberflächenstruktur in der Tat stark verwandt zu denen der Pflanzenblätter ist. Genau wie die Blätter weist auch der Biofilm rauhe Strukturen sowohl im Mikrometer- als auch im Nanometerbereich auf, die dazu führen, dass die Benetzung mit Wasser erschwert wird.


Ein wesentlicher Unterschied, der sowohl bei den Pflanzenblättern als auch bei den Biofilmen auftritt: Beim Lotus-Effekt werden kleine Luftbläschen zwischen dem Wassertropfen und der Oberfläche des Blattes eingeschlossen, beim Rosenblatt-Effekt dagegen nicht. Deshalb perlen Wassertropfen von Lotusblättern ab, haften aber an Rosenblättern. Ob sich ein Biofilm eher wie ein Lotus- oder wie ein Rosenblatt verhält, hängt von den Nährstoffen ab, die die Bakterien beim Wachstum vorfinden, da dies die genaue Oberflächenstruktur des Biofilms bestimmt.

Ein neuer Ansatzpunkt zur Bekämpfung von Biofilmen

Bakterien in Biofilmen lassen sich oft nur schwer mit Antibiotika und anderen Chemikalien bekämpfen. Teilweise ist dafür die wachsende Zahl bakterieller Resistenzen verantwortlich. Die Forscher schlagen nun vor, auch die wasserabweisenden Eigenschaften der Biofilme anzugreifen: „Wenn ein antibakterieller Stoff die Oberfläche eines Biofilms gar nicht erreicht, weil er abperlt, dann kann er auch nicht wirken. Wir müssen deshalb diese wasserabweisende Oberflächentextur verändern“, erklärt Oliver Lieleg. „Das wäre ein neuer Ansatzpunkt, um Biofilme von Oberflächen wie Rohren, Kathetern oder infizierten Wunden zu entfernen.“


Das Projekt wurde im Rahmen des SFB863 „Forces in Biomolecular Systems“ durchgeführt.

Originalpublikation

Werb, M., Falcón Garcia, C., Bach, N., Grumbein, S., Sieber, S., Opitz, M. and O. Lieleg, “Surface topology affects wetting behavior of Bacillus subtilis biofilms”, NPJ Biofilms and Microbiomes, DOI: 10.1038/s41522-017-0018-1 (2017)

Kontakt

Prof. Dr. Oliver Lieleg
Technische Universität München
Professur für Biomechanik / Fakultät für Maschinenwesen und Munich School of BioEngineering
Tel: +49 89 289 10952
E-Mail: oliver.lieleg@tum.de

Hochauflösende Bilder für die redaktionelle Berichterstattung:

https://mediatum.ub.tum.de/1360624

Auf den vier Einzelbildern sind Wassertropfen auf Biofilmen (linke Spalte) bzw. auf Pflanzenblättern (rechte Spalte) zu sehen. Die Bilder in der oberen Reihe zeigen Proben mit Rosenblatteffekt, bei dem der Wassertropfen auf der Oberfläche haften bleibt. Die Bilder in der unteren Reihe zeigen Proben mit Lotuseffekt, bei dem der Tropfen abperlt. (Bild: C. Falcón Garcia / TUM)
Wassertropfen auf Biofilm (linke Spalte) bzw. Pflanzenblättern (rechte Spalte). Die Bilder in der oberen Reihe zeigen Proben mit Rosenblatteffekt, die Bilder in der unteren Reihe Proben mit Lotuseffekt. (Bild: C. Falcón Garcia / TUM)