Hallo,
hier ein paar Hinweise zum Biofilm :
2.1.5 D
ERZEITIGES BIOFILM-MODELL
Die meisten Biofilme in aquatischen Systemen sind mehr oder weniger heterogen
aufgebaut. Bakterien lagern sich als Mikrokolonien übereinander und werden
L 13
durch die EPS zusammengehalten. Sie bilden dabei pilzähnliche Strukturen, die
von der Aufwuchsoberfläche in die umgebende Wasserphase reichen. Der Biofilm
ist von Poren und Kanälen durchzogen, welche den konvektiven Stofftransport im
Biofilm ermöglichen. So werden auch diejenigen Organismen mit Nährstoffen
versorgt, die in der Tiefe des Biofilms angesiedelt sind (Costerton und
Lewandowski 1995). Die Anzahl der interstitiellen Kanäle nimmt im Lauf der Zeit
wegen veränderter Fließeigenschaften und verminderter Austauschprozesse ab.
Die Gesamtstruktur des Biofilms ist letztendlich von der Fließgeschwindigkeit des
Systems abhängig. Es wird angenommen, dass die oberen Biofilmlagen
miteinander verbunden sind und brückenartige Strukturen bilden (Roberts et al.
1999).
Charakteristisch für Biofilme ist die relativ hohe Zelldichte im Vergleich zur
Umgebung. Biofilme an aquatischen Standorten können bis zu 10
Zellen pro
Milliliter Biovolumen enthalten. Dies sind Konzentrationen, die um den Faktor 10
bis 10
4
höher liegen als in einer freien wässrigen Phase bzw. in einer LaborFlüssigkultur
(Flemming
und Wingender 2001a).
2.1 DER BIOFILM
2.1.1 CHARAKTERISTIKA VON BIOFILMEN
Die klassische Mikrobiologie ging lange Zeit davon aus, dass Bakterien als
Einzellebewesen in einem flüssigen Medium leben, welches sie auch ernährt.
Biofilm-Forschungen haben aber gezeigt, dass unter den meisten natürlichen
Umweltbedingungen der Biofilm die vorherrschende Lebensform der Bakterien ist
(Watnick und Kolter 2000). Die Fähigkeit von Bakterien, strukturierte
Gemeinschaften zu bilden, bietet ihnen den Vorteil, Nährstoffe zu akkumulieren
und wiederzuverwerten, sich gegen äußere Einflüsse zu schützen, sowie leicht
Signale und Gene austauschen zu können. Biofilme lassen sich als erster Schritt
der Evolution zu vielzelligen Organismen verstehen (Flemming und Wingender
2001a).
Allen Biofilmen ist gemeinsam, dass die Mikroorganismen in eine Matrix aus
extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) eingebettet sind, die die Haftung an
Oberflächen ermöglicht und sie zusammenhält (Flemming und Wingender 2001a).
Biofilme entstehen prinzipiell an allen Grenzflächen zweier Phasen. Das bedeutet,
dass sie sich nicht nur an der Grenzfläche zwischen Wasser und festen Medien
entwickeln können, sondern auch zwischen Wasser und Luft sowie zwischen
Feststoff und Atmosphäre, wie z.B. an natürlichem Gestein oder an Mauern.
Und hier eine gut verständliche Darstellung von Biofilmen :
http://biofilmforschung.de/deutsch/aqua/Mainframe.htmhttp://www.uni-due.de/imperia/md/conten ... eutsch.pdfoder die Arbeit aus Halle :
rgebnissen von Wrangstadh et al. [5. 110] bei
Pseudomonas, konnte die
Polymersynthese bei
Bacillus niacini W0 nicht durch den Mangel an C-Quellen initiiert
werden, weil unter diesen Bedingungen relativ schnell eine Sporenbildung einsetzte.
Möglicherweise bietet die Befähigung zur Sporenbildung eine bessere Strategie zur
Überdauerung nährstoffarmer Phasen, als die der Pseudomonaden, die die Bildung von
Biofilmen als Möglichkeit zur Nutzung geringer Substratkonzentrationen verfolgen.
Auch strikt anaerobe Bedingungen führten nicht zu eine Bildung von Polysacchariden
http://sundoc.bibliothek.uni-halle.de/h ... 090/t6.pdfund diese
http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/vol ... ts/1627265Und was passiert bei Nahrungsknappheit :
Bakterien, die superangepassten Extremwohner, haben ein Problem: Sie sind genauso anfällig für Stress wie Mäuse und Menschen. Anders als Menschen jedoch reagieren Bakterien etwa auf Nahrungsknappheit nicht mit Revolution, sondern mit Selbstmord. Ein Gift treibt sie unter prekären Umweltbedingungen in denselben: das Zeta-Toxin.
http://www.laborjournal.de/rubric/archi ... 1_06.lassoEinen solchen hat das Team um Kolodkin-Gal nun entdeckt. Ihre Versuche fußen auf einer bereits bekannten Beobachtung: Bakterielle Biofilme zersetzen sich nach einiger Zeit von alleine, sobald die Nährstoffe knapp werden und Abfallprodukte überhandnehmen. Die Überlegung der Forscher: Wenn der Auflösungsprozess von einem bestimmten Stoff verursacht wird, den die Bakterien produzieren, dann müsste dieser Stoff auch bestehende Biofilme angreifen, beziehungsweise die Entstehung sogar gänzlich verhindern. Sie testeten ihre Hypothese, indem sie Teile eines älteren, bereits zerfallenen Biofilms von Bacillus subtilis auf einen frischen Biofilm übertrugen. Tatsächlich löste sich dieser daraufhin auf. Auch die vorbeugende Wirkung überprüften die Forscher erfolgreich.
http://wissenschaft.de/wissenschaft/news/310948.htmlGewisse Grundvoraussetzungen müssen für die Entstehung von Biofilmen aber
erfüllt sein: Das Vorhandensein von Grenzflächen, ausreichend Wasser, mikrobiell
verwertbare Nährstoffe und die Mikroorganismen selbst. Da diese Bedingungen
praktisch ubiquitär sind, sind Biofilme in der Natur, in technischen Systemen und
im medizinischen Bereich weit verbreitet (Costerton et al. 1987).
Auch die dentale Plaque wird aus heutiger Sicht zu den bakteriellen Biofilmen
gezählt (Caldwell et al. 1997; Netuschil et al. 1998).
Bakterienzellen im Verband des Biofilms verhalten sich völlig anders als dieselbe
Spezies in freibeweglicher (planktonischer) Form. Einige Autoren weisen darauf
hin, dass die Plaque in Form von Biofilmen untersucht werden muss und nicht als
LITERATURÜBERSICHT 7
Einzelbakterien, die in einer Lösung vorliegen („dispersed“ bzw. „planctonic“)
(Sissons et al. 1996; Wilson et al. 1996).
Der Metabolismus solcher Biofilm-Zellen untereinander ist sehr unterschiedlich
und hängt von der Lokalisation jeder einzelnen Zelle in verschiedenen
Zellschichten ab, die den Biofilm bilden (Costerton und Lewandowski 1995).
Zellen, die in den oberen Regionen des Biofilms angesiedelt sind, haben leichter
Zugang zu Nahrung und Sauerstoff und haben weniger Probleme ihre
Abfallprodukte zu beseitigen. Diese Zellen sind stoffwechselaktiv und besitzen
eine normale Größe. Zellen der Biofilmoberfläche scheinen sehr ähnliche
Eigenschaften zu haben wie planktonisch gewachsene Zellen. Im Gegensatz dazu
ist bei Zellen, die in eine Matrix aus extrazellulären Polysacchariden eingebettet
sind, der Stoffwechsel aufgrund eines geringeren Nahrungs- und
Sauerstoffangebots reduziert. Solche Biofilmzellen sind an ihre Umgebung, die
durch eine Ansammlung von metabolischen Abfallprodukten charakterisiert ist,
angepasst. Im Biofilm eingebettete Zellen befinden sich in einer ruhenden Phase
und sind kleiner als die Zellen der Biofilmoberfläche, die Zellteilungsrate ist
verringert (Anwar et al. 1992).
Dieses unterschiedliche Verhalten der Bakterienzelle in Abhängigkeit von der
Lokalisation spielt z.B. bei der Gabe von Antibiotika eine Rolle. Die Empfindlichkeit
einer im Biofilm eingebetteten Bakterienzelle gegenüber antibiotischen
Substanzen ist im Vergleich zu freibeweglichen oder an der Biofilmoberfläche
gelegenen Bakterien deutlich herabgesetzt. Ein sequenzieller Abbau dieser
Substanzen findet im Biofilm leichter statt, weil die Nutzung auch schwer
abbaubarer Substrate durch die Zusammenarbeit verschiedener Spezialisten im
Biofilm möglich ist. Die Antibiotika-Moleküle werden zum einen an die von den
Biofilmzellen gebildeten extrazellulären Polysaccharide gebunden und durch
spezielle Enzyme inaktiviert. Außerdem sind Biofilmzellen, die als langsam
wachsene Zellen gelten, generell weniger empfindlich gegenüber Antibiotika,
vermutlich weil die Membran dieser Zellen weniger durchlässig ist (Anwar et al.
1992). Insgesamt bietet der Biofilm den Mikroorganismen die Möglichkeit, auch
unter schwierigen Umgebungsbedingungen zu überleben.
2.1.2 ROLLE DER EXTRAZELLULÄREN POLYMEREN SUBSTANZEN (EPS)
Die extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) stellen die Schlüsselmoleküle für
die Vereinigung von Mikroorganismen zum Biofilm dar. Eigenschaften der EPS
sind von wesentlicher Bedeutung für die Zusammensetzung, Struktur und
Funktion der Biofilme. Allen Biofilmen ist gemeinsam, dass die EPS sie
zusammenhalten, ihnen Form verleihen und für die physikalischen Eigenschaften
des Biofilms verantwortlich sind (Anwar et al. 1992; Flemming und Wingender
2001a). Sie vermitteln auch die Bindung an Oberflächen (Anwar et al. 1992;
Flemming und Wingender 2001a). Die EPS bilden meistens eine hoch
hydratisierte heterogene Schleim-Matrix, die wie ein schwammähnliches Gel
aufgebaut ist und so die Mikroorganismen in ihrer dreidimensionalen Anordnung
fixiert. Die EPS bestehen überwiegend aus geladenen (meist anionischen) oder
neutralen Polysacchariden und Proteinen, es können jedoch auch Anteile von
Nucleinsäuren, Lipiden und anderen Makromolekülen enthalten sein (Flemming
und Wingender 2001b). Geladene Gruppen der Polymere (z.B. Carboxylgruppen
von Uronsäuren) sowie Substituenten (z.B. Acetylgruppen in Polysacchariden)
beeinflussen ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Festigkeit,
Viskosität und Wasserbindungskapatzität. Für polysaccharidhaltige Strukturen wie
Kapseln oder Schleime wurde der Begriff „Glykokalix“ eingeführt (Costerton et al.
1987). Zellteilungen innerhalb dieser Glykokalix-Matrix resultieren in der Bildung
von Mikrokolonien. Durch Ansteigen von Größe und Anzahl der anhaftenden
Mikrokolonien bilden sich etablierte Biofilme aus (Caldwell und Lawrence 1986;
Costerton et al. 1987).
entnommen aus
Aus der Universitätsklinik für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde
Abteilung Poliklinik für Zahnerhaltungskunde und Parodontologie
der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i. Br.
(Ärztlicher Direktor: Prof. Dr. E. Hellwig)
DREIDIMENSIONALE STRUKTUR- UND VITALITÄTSVERTEILUNG
ORALER BAKTERIELLER
BIOFILME (DENTALER PLAQUE)
INAUGURAL-DISSERTATION
zur
Erlangung des Zahnmedizinischen Doktorgrades
der Medizinischen Fakultät
der Albert-Ludwigs-Universität
Freiburg i. Br.
Vorgelegt 2003
von Nicole Hein
geboren in Dillingen/Donau
Ich werde dann in den ächsten Tagen die gestellten Fragen beantworten. Vorab schon, daß es sich bei einem Biofilm nicht nur um einen Haufen zufällig irgendwo klebender Bakterien handelt,
sondern das ist eine Organisationsstruktur, die es den Bakterien erlaubt sich besser in ihrer
Umwelt zu behaupten.
Und wenn man es überspitzt formuliert ist auch der Mensch einen Haufen gut strukturierter Zellen
die in symbiotischer Weise ihr Auskommen erträglich gestalten.
Auch Biofilme sind in der Lage sich so zu strukturieren, das ihre Überlebenschancen besser werden,
besser, als würden sie als Einzelkämpfer in einer Nitritsuppe schwimmen.
Und die Strukturen geben bei Nachdenken schon einen Hinweis darauf, was passiert wenn z.B. Nahrungsmangel eintritt.
Übrigends ein allseits bekannter Biofilm : die Plaque. Also wissen wir - zumindest die die Zähne putzen - daß man einem Biofilm mit Mechanik zu Leibe rücken kann.
Gruß Wolfgang
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