Biofilm: Wechselwirkung sortiert Architektur

17. November 2015
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Die Architektur von Biofilmen wird durch mechanische Kräfte bestimmt, die heterogene Bakterien sortieren. Dabei verhaken sich die Pili verschiedener Zellen und verkürzen sich, sodass Wechselwirkungskräfte zustande kommen und die Zellen sich in die Richtung der stärksten Kraft bewegen.

Biofilme lösen als bakterielle Rückzugsgebiete Probleme bei der Antibiotikabehandlung sowie der Reinigung von medizinischen Schläuchen aus und tragen zur Verbreitung von resistenten Krankheitserregern bei. Ein Biofilm entsteht, wenn sich Bakterien an Oberflächen anheften und dort vermehren. Dieser kann – auch wenn ursprünglich aus einem einzelnen Bakterium entstanden – Zellen mit verschiedenen Eigenschaften entwickeln. Es ist jedoch nur wenig darüber bekannt, wie diese Heterogenität zur Strukturbildung solcher Biofilme beiträgt.

Sortierte Wechselwirkung

Biophysiker der Universität zu Köln konnten nun zeigen, wie Unterschiede in der physikalischen Interaktion zwischen Bakterien zu einer Sortierung der Zellen führen und damit die Architektur von Biofilmen bestimmen. Dabei bilden spezifische mechanische Kräfte den Schlüssel zur Struktur in Biofilmen. Bakterien mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen organisierten sich dabei wie beim Tauziehen: Die Zellen bewegten sich in die Richtung, in der sie die stärkste Kraft zu anderen Bakterien aufbauen konnten.

Das Bakterium Neisseria gonorrhoeae kontrolliert die Wechselwirkung zwischen den Zellen durch Pili. Diese stäbchenartigen Strukturen wirken wie Enterhaken zwischen den Zellen: Pili verschiedener Zellen verhaken sich und verkürzen sich anschließend. Hierdurch wirken zwischen den Bakterien mechanische Kräfte. Mittels gezielter genetischer Modifikationen konnte der Grad der Verhakung und damit die Wechselwirkungskräfte zwischen den Zellen gesteuert werden. Mischt man nun Bakterien, die unterschiedlich stark miteinander wechselwirken, so sortieren sich die Zellen nach den mechanischen Kräften, die sie aufeinander ausüben.

Gemeinsamkeit von Biofilmen und Embryonen

Die unterschiedliche mechanische Interaktion kann also die Architektur von Biofilmen bestimmen. Ähnliche Mechanismen sind bereits für die Trennung von Zellen in der embryonalen Entwicklung bekannt. Eine grundlegende Gemeinsamkeit der Entwicklungsprozesse von Biofilmen und Embryonen: Differentielle physikalische Wechselwirkungen zwischen den Zellen sind für die Sortierung wichtig. Für die Zukunft lautet nun die Frage, inwieweit diese Zellsortierung die Widerstandsfähigkeit des Biofilms gegenüber äußeren Einflüssen stärkt.

Originalpublikation:

Differential interaction forces govern bacterial sorting in early biofilms
Enno R. Oldewurtel et al.; eLIFE, doi: 10.7554/eLife.10811; 2015

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