Wunderwelt der Biofilme

Wenn der Mikrobiologe von „Biofilmen“ spricht, dann meint er nicht nur die unansehnlichen schleimigen Beläge auf allen möglichen Oberflächen, sondern viel genereller verschiedenste Aggregationen von Bakterien. Sie schließen sich zu komplexen Gemeinschaften zusammen und bilden kollektive Lebensformen, vergleichbar Korallenriffen, Wäldern oder Bienenvölkern. Sie tun das in einer dicken schleimigen Substanz, die er als Matrix oder EPS bezeichnet, wobei EPS für extrazellulare polymere Substanz steht. Diese Matrix ist ihr “Haus”, wie es Hans-Curt Flemming gern bezeichnet. Er ist Emeritus der Universität Duisburg-Essen und als Mikrobiologe und Pionier dieser Forschungsrichtung ein „Bewunderer“ dieser Struktur. Für meinen Themenschwerpunkt über Biofilme habe ich mit ihm ein längeres Skype-Interview geführt, das ich hier zeige.

Biofilme stehen heute in der öffentlichen Aufmerksamkeit – vor allem deshalb, weil sie in Kliniken allgegenwärtig sind und dort nur durch äußerste, nicht immer eingehaltene Hygiene beherrschbar bleiben. Solche unerwünschten Bakterienaggregate sind aber nicht nur in Krankenhäusern; Biofilme finden sich überall, sind aber oft unsichtbar: in der Küche, an Brückenpfeilern oder im Inneren von Wasserleitungen – oder in der Natur, zum Beispiel im Boden oder in Gewässer-Sedimenten. Ihr schlechtes Image haben sie dabei längst nicht verdient. Denn Biofilme sind auch eine höchst erfolgreiche und für den Planeten Erde sogar bedeutungsvolle Entwicklung der Evolution.

Die Geschichte der Biofilme reicht weit zurück. Vor mehr als drei Milliarden Jahren hat sie die Evolution als erste Spielart organisierten Lebens hervorgebracht. Die Aggregationen von Einzellern waren die Vorboten der sich erst viel später gebildeten mehrzelligen Organismen – aggregierte Zellstrukturen einer ersten, hoch dynamischen Interessengemeinschaft. Entwickelt haben sich die höheren Organismen aus jenen Bakterien, die von anderen Artgenossen gefressen, aber nicht verdaut werden konnten. In ihnen haben sie sich dann in friedlicher Koexistenz zu höheren Organismen entwickelt. Schon der Biofilm kennt Aufgabenteilung, bildet allerdings noch keine Einheit wie einen Organismus. Denn gibt es nicht genügend Nahrung, kommt es bald zu Kannibalismus. Dafür haben die Bakterien mit der Entwicklung des Giftkriegs sogar die biologische Kriegsführung erfunden: Antibiotika, mit denen sie Nachbarn in ihrer Gemeinschaft attackieren, Freunde, die in der Mangelgesellschaft schnell zu Feinden wurden.

Was sie für die Wissenschaft so komplex und noch weitgehend „unergründlich“ macht: Kein Biofilm gleicht dem anderen. Er ist geprägt vom zufälligen Beisammensein unterschiedlicher Bakterienarten. Solche Multi-Kulti-Gesellschaften haben erstaunliche Fähigkeiten – dazu gehört auch das vollständige Recyclen aller Bestandteile. Sie sind damit so etwas wie die globale Putzkolonne, indem sie alles abgestorbene Material fressen, von Pflanzen bis zu Tieren samt deren Fäkalien. Und alle Lebewesen brauchen sie, auch den Menschen haben sie „erobert“. Denn ohne sie klappt keine Verdauung – und zudem bilden sie die unverzichtbare „Hautflora“. Diese Kooperation des menschlichen Organismus mit anderen Lebewesen wird inzwischen gesamtheitlich als „Mikrobiom“ bezeichnet. Ihre Bedeutung mag diese Zahl dokumentieren: Im Menschen gibt es mehr Bakterien als eigene Zellen!

Kein Wunder also, dass sich Ingenieure diese Mikrostrukturen längst vielfältig nutzbar gemacht haben – beispielsweise in der biologischen Reinigung von Trink- und Abwasser, wo die Biofilme dem Wasser die organischen Stoffe entziehen, indem sie sie abbauen. Aber auch in solchen Systemen entstehen laufend Biofilme, die unerwünscht sind und bekämpft werden müssen, da sie den laufenden Betrieb stören. Aber wie? Die heutige Methode, sie mit Desinfektionsmitteln abzutöten, sei nicht ziel führend, meint Flemming recht dezidiert im Talk mit mir. Denn eine gänzliche Abtötung der Bakterien sei heute in technischen Systemen faktisch gar nicht möglich. Im Schutz der dicht gepackten Strukturen überleben immer Exemplare den chemischen Giftkrieg durch den Menschen. Für sie bildet die tote Biomasse um sie herum sogar guten Nährstoff. Das hat die Konsequenz, dass die Überreste solcher Biofilme wieder wachsen – und sich die darin enthaltenen Bakterien über die Zeit der Behandlung sogar immer besser schützen können. Andere Methoden als das Abtöten seien da wesentlich zielführender, meint der Experte. Ein Mittel ist beispielsweise die gründliche Reinigung, da man Biofilme heute mit mechanischen Scherkräften wesentlich besser bekämpfen kann als mit Chemie. Auch der Entzug von Nahrung sei ein probates Mittel, die zu starke Ausbreitung von Biofilmen zu verhindern. So kann man Biofilme in technischen Systemen „unter Kontrolle“ halten – also unter einer störenden Schwelle, für den der Ingenieur bereits einen Namen gefunden hat: das Biofouling. Die Conclusio von Flemming bringt er auf eine knappe Formel, die da lautet: „Wir müssen lernen, in technischen Systemen mit Biofilmen zu leben, statt sie abtöten zu wollen.“

Veröffentlicht von

Ich habe viele Jahre journalistisch im Bereich Wissenschaft und Technologie gearbeitet, später dann mit meiner kleinen Beratungsfirma als Medienexpertin. 2010 erfüllte ich mir meinen großen Traum und gründete den Spartensender HYPERRAUM.TV, für den ich eine medienrechtliche Rundfunklizenz erteilt bekam. Seither mache ich als One-Woman-Show mit meinem „alternativen TV-Sender“ gewollt nicht massentaugliches Fernseh-Programm. Als gelernte Wissenschaftshistorikern habe ich mich gänzlich der Zukunft verschrieben: Denn die Vergangenheit können wir nur erkennen, die Zukunft aber ist für uns gestaltbar. Wir sollten versuchen, nicht blind in sie hinein zu stolpern!

6 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Die Gesundheit bedrohende Biofilme (in Wasserleitungen, an Spitalwänden etc) und die Gesundheit bedrohende Bakterien werden in einer vom Internet der Dinge und von ubiquitär vorhandenen Sensoren (smart dust) geprägten Zukunft ganz anders bekämpft werden als heute: nämlich über ihre Detektion und gezielte Bekämpfung, während heute noch Desinfektionsmittel und Antibiotika flächendeckend zum Einsatz kommen. Im Spital der Zukunft werden mobile Mikrosensoren (vielleicht in Insektenform) sofort melden, wenn sich in der Klimaanlage eines Spitals ein Biofilm gebildet hat und durch die städtischen Wasserleitungen werden schwimmende Mikrosensoren zirkulieren und nach Biofilmen Ausschau halten und dann werden Miniaturputzroboter ebenfalls über die Wasserleitung transportiert den gefundenen Mikrofilm entfernen. Das ist die positive Sicht des bevorstehenden Internet der Dinge und Mikrodinge. Die negative Sicht hängt damit zusammen. Nicht nur Biofilme werden so detektiert werden sondern sehr viel mehr, ja alles bis hin zum Privatesten.

    • Trinkwasser sollte nährstoffarm sein um die Biofilmbildung zu reduzieren. Es bilden sich dann zwar noch immer Biofilme, doch die sind dann meist von gutmütigeren Bakterien besiedelt. Biofilme wie hier abgebildet sollten in Trinkwasserleitungen jedenfalls nie entstehen und in (naher, ferner ?) Zukunft werden unsere Trinkwasserleitungen sowieso von schwimmenden Mikrorobotern überwacht.

  2. Zitat Susanne Päch:

    Die Aggregationen von Einzellern waren die Vorboten der sich erst viel später gebildeten mehrzelligen Organismen – aggregierte Zellstrukturen einer ersten, hoch dynamischen Interessengemeinschaft.

    Ja, der Kambrischen Explosion, in der scheinbar plötzlich alle modernen mehrzelligen Organismen auftauchten, gingen hunderte von Millionen Jahre voraus, in denen Einzeller immer enger miteinander kooperierten.
    So läuft die Evolution: Lange Vorbereitungs- und Anlaufzeiten und dann entsteht scheinbar etwas völlig Neues – dabei war dieses Neue schon lange im Backofen. Und: es gibt nicht nur eine biologische Revolution, sondern auch eine kulturelle und technische. Spätere Generationen werden von einer kulturellen kambrischen Evolution sprechen und wir heutigen sind womöglich die gleichen Vorläufer dieser Revolution wie die kooperierenden Bakterien die Vorläufer der kambrischen Revolution waren.

  3. @Martin Holzherr: Dank, wie stets, für Ihre diversen Kommentare. Die Mikrosensoren sind sicherlich ein höchst interessantes Konzept für die Zukunft. Allerdings löst das zweifellos optimierte Erkennen von Biofilmen noch nicht unbedingt das Problem ihrer Entfernung. Dier Schwierigkeit liegt ja darin, bis ins Zentrum der Biofilme vorzustoßen. Es gibt aber keine 100-Prozent-Sterilität in der Technologie, also sind Bakterien immer da. Flemming meint, es wäre bei technischen Systemen der grundsätzlich falsche Ansatz, das Ziel zu haben, alle entfernen zu wollen – und das müsste auch gar nicht sein. Über die Forschungen im Kontext pathologischer Aspekte – also zum Antibiotikum 2.0 gegen Biofilme – werde ich in Kürze auch noch etwas bringen. Wird aber noch eine knappe Woche dauern. Zuletzt wird es zum Themenschwerpunkt noch einen Beitrag zur Biotechnologie geben, denn inzwischen ist es möglich, die Matrix von Biofilmen durch ein polymerchemisches Gerüst gezielt wachsen zu lassen. Der Talk mit zwei Wissenschaftlern der Uni Bayreuth ist auf HYPERRAUM.TV schon zu sehen, kommt hier aber erst auch noch. Ich muss ehrlich sagen, dass mich das Thema ziemlich fasziniert hat. Und ich finde es schade, dass Biofilme in der öffentlichen Darstellung so stark auf die rein pathogene Schiene geschoben werden. Wie sie es ja auch betonen: Ohne solche Bakterien-Aggregationen hätte es die späteren Organismen wohl nicht gegeben.

Schreibe einen Kommentar


E-Mail-Benachrichtigung bei weiteren Kommentaren.
-- Auch möglich: Abo ohne Kommentar. +