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Mysteriöse Biofilme: Wie überleben sie in extremen Umgebungen?
Biofilme, eine faszinierende Gemeinschaft von Mikroorganismen, sind in der Natur, in der Industrie und in Krankenhäusern allgegenwärtig. Diese Mikroorganismen sind nicht einfach einzelne, im Wasser schwimmende Zellen; sie existieren wie Miniatur-„Städte“, die miteinander verbunden sind, an bestimmten Oberflächen haften und in eine klebrige extrazelluläre Matrix eingehüllt sind. Diese Matrix ist der Schlüssel zum gemeinsamen Überleben der meisten Mikroorganismen und hilft ihnen, sich an raue Umgebungen anzupassen.
Biofilme bestehen aus extrazellulären Polymeren (EPS), die von den Mikroorganismen selbst abgesondert werden und Komponenten wie Zucker, Proteine, Lipide und DNA enthalten.
Die Bildung und Entwicklung von Biofilm
Der Ursprung des Biofilms kann auf die Zeit vor 3,3 Milliarden Jahren zurückverfolgt werden, als die Umweltbedingungen auf der Erde extrem rau waren. Diese Struktur hilft nicht nur Prokaryoten beim Überleben, sondern fördert auch komplexe Interaktionen zwischen Zellen. Diese Mikroorganismen verlassen sich zunächst auf schwache Van-der-Waals-Kräfte und Hydrophobie, um auf einer Oberfläche aneinander zu haften. Später entwickeln sie stärkere Bindungsstrukturen wie Pili oder spezielle Bindungsfilamente.
Der Prozess der Biofilmbildung kann in mehrere Hauptphasen unterteilt werden. Der erste Schritt besteht darin, dass sich frei schwimmende Mikroorganismen an einer Oberfläche festsetzen und mit der Zeit durch Zellteilung und Aufnahme neuer Mitglieder schnell wachsen.
Diese Mikroben kommunizieren hauptsächlich durch „Quorum Sensing“ miteinander, was es ihnen ermöglicht, ihr Verhalten zu koordinieren und sich gemeinsam zu vermehren.
Eigenschaften und Anpassungsfähigkeit von Biofilmen
Innerhalb eines Biofilms unterscheiden sich die physiologischen Eigenschaften von Mikroorganismen völlig von denen von Zellen im planktonischen Zustand. Studien haben gezeigt, dass die Widerstandsfähigkeit von Mikroorganismen in Biofilmen gegenüber der Außenwelt sowie ihre Resistenz gegen Antibiotika um das bis zu 5.000-fache zunehmen können. Diese starke Anpassungsfähigkeit ist darauf zurückzuführen, dass die extrazelluläre Matrix die Mikroorganismen innerhalb der Membran wirksam vor schädlichen äußeren Einflüssen schützen kann.
Gleichzeitig entwickeln sich Biofilme ständig weiter, um den intensiven Umweltbelastungen gerecht zu werden. Durch effektives Teilen der Nahrung, das Eingreifen des Immunsystems und vielfältige mikroskopische Gemeinschaftsstrukturen können diese Mikroorganismen erstaunliche Überlebensfähigkeiten entwickeln.
In einigen Fällen können Mikroorganismen in Biofilmen schneller Resistenzen gegen Krankheitserreger entwickeln, was sie in extremen Umgebungen widerstandsfähiger macht.
Biofilme in extremen Umgebungen
Die Anpassungsfähigkeit von Biofilmen ermöglicht ihnen, in einer Vielzahl extremer Umgebungen zu überleben, wie beispielsweise bei hohen Temperaturen, Salzgehalt oder Gewässern mit extremen pH-Werten. In diesen Umgebungen können Biofilme nicht nur stabil existieren, sondern auch Stoffwechselprozesse fortsetzen und eine hohe Toleranz gegenüber Veränderungen in der Umgebung zeigen.
Einige Archaeen können beispielsweise in sauerstofffreiem Grundwasser wachsen und die „Fasern“ in ihren Strukturen (wie Hami) sind für ihre Anhaftung und Interaktion wichtig.
Auflösung und Wiederverwendung von Biofilm
Der Dispersionsprozess ist für den Lebenszyklus von Biofilmen von entscheidender Bedeutung, da er es den Zellen ermöglicht, sich vom ursprünglichen Biofilm zu lösen und neuen Lebensraum zu finden. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass bestimmte Enzyme, beispielsweise Desoxyribonukleasen, die extrazelluläre Matrix von Biofilmen wirksam abbauen und die Zerstreuung der Zellen fördern können, was wiederum die Bildung und Einnistung neuer Biofilme unterstützt.
Mikroben im Ausbreitungsprozess weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, beispielsweise aktivieren sie gezielt entsprechende Gene, um ihre Überlebenschancen im Hinblick auf die Reaktion auf das Immunsystem und Infektionen zu verbessern.
Fazit
Biofilm ist nicht nur ein Aggregat einiger Mikroorganismen, sondern auch ein Ökosystem mit komplexen Funktionen und gegenseitigen Abhängigkeiten. Ihre Vielfalt und Anpassungsfähigkeit stellen unser Verständnis von Lebensformen ständig auf die Probe und veranlassen uns, darüber nachzudenken, welche Einstellungen und Methoden wir bei der wissenschaftlichen Erforschung dieser Mikroorganismen, ihrer besseren Nutzung und der Lösung damit verbundener Probleme anwenden sollten. ?
