Biofilme

Biofilms are architecturally complex, organized communities of sessile cells embedded within a matrix of self-produced extracullular polymeric substances

Zellen die adhäsiv an eine oberfläche gebunden sind

Extracellular polymeric substances

—> Schicht die von Bakterien abgegben wird und sie als Matrix umhüllt

• natürliche Oberflächen (Steine im Bach)

• Lebensmittel (Vergammelt)

• Zahnbelag

• auf Lebewesen (Haut,…)

• Implantate

• feste Phase auf der die Anhaftung stattfindet (Agar, Steine, …)

• wird von einer flüssigen Phase umspült die Nährstoffe und Sauerstoff enthält

Attachment

• Bakterien interagiern mit der Oberflläche mittels Pili, Flagellen, Adhäsionsproteine

Microcolony formation

• Vermehrung zu einer Mikrokolonie

Maturation

• ab einer gewissen Größe der Kolonie kommt es zur Reifung

• structural consolidation —> Organisation des Biofilms was zu erhöhten Stabilität und Wiederstnadfähigkeit führt

Dissasembly

• Auflösung des Biofilm durch verschiedene Ursachen (chemische Behandlung, mechanische Zerstörung, Degradierung durch Enzyme, … )

sind Zelloberflächenbestandteile oder Anhängsel von Bakterien, die die Adhäsion oder das Anhaften an andere Zellen oder Oberflächen erleichtern, normalerweise in dem Wirt, den sie infizieren oder in dem sie leben. Adhäsine sind eine Art von Virulenzfaktor.

Pre-formed adhesin:

• Flagellum (kann ürsprüngliche Funktion ändern)

• einziehbare Pili

—> lange Distanzen überbrücken, Abstoßungskräfte

Conditioned synthesized adhesins (Konditionierte synthetisierte Adhäsine)

• LapA Protein

• SabB Protein

• PGA polysaccharide

—> Produktion nur wenn es notwendig ist

specific adhesins:

• Invasin

• Internalin

—> adhesive Rezeptor Interaktion (ehr bei pathogenen Arten, Substanzen sind schädlich)

• Bakterien

• Polysaccharide A und B

• Proteine

• Amyloide

• eDNA

• OMV (outer membrane vesicle)

• sturkturelle Stabilität (Härte und Elastizität)

• moduliert die 3D Struktur des Biofilms

• Schutz für die Zellen

  • verhindert Dehydration

  • Filterfunktion für organische und anorgansiche Toxine von außen

——> Trägt zur Resitenz von Bakterien gegenüber Antibiotika bei

—> wirkt gegen Verteidigungsmechanismen des Wirts

• elektrostatische Wechselwirkungne

• Ionsiche Anziehungen

• Abstoßungskräft

• Wasserstoffbindung

• van der Waals Kräfte

all diese Physiochemischen Interaktionen sorgen für Stabilität sowie für die Verflechtung von Biopolymeren

• lokalisierung von Gradienten die eine Diversität im Habiat bieten

• Ressourchenbindung durch Sorption (Anreichurng eines Stoffes innerhalb einer Phase oder auf einer Grenzfläche=

• Enzyme-Retention (Zurückhaltung) —> Externes Verdauungssystem

• Soziale Interaktion —> Kooperation und Konkurenz

• Antibiotikaresitenz/toleranz

• Sauerstoffgradient

  • oben ist mehr Sauerstoff als unten

  • Sauerstoff wird schneller Veraucht als die Diffusionsrate

  • oben Aerobe, mitte Fermentiere, unten Anaerobe Bakterien

• Nähstoffgradient

  • oben metabolisch aktive Zellen

  • hungernde oder tote Zellen fallen nach unten

• ph-Gradient

• quorum sensing Gradient

—> das alles führt zu einer Biodiversität innerhalb des Biofilms

Quorum Sensing ist die Regulation der Genexpression als Reaktion auf Schwankungen in der Zellpopulationsdichte. Quorum-Sensing-Bakterien produzieren und setzen chemische Signalmoleküle frei, die als Autoinduktoren bezeichnet werden und ihre Konzentration in Abhängigkeit von der Zelldichte erhöhen.

• Kommunikation

• Kooperation

• Competition

Synergetischer Abbau von Linuron:

• Linuron ist ein Toxin

• alleinige Spzeies kann Zugabe von Linuron nicht überleben

• leben drei Spezies zusammen (Comamonas testosteroni WDL7, Hyphomicrobium sulfonivorans WDL6, Variovorax sp. WDL1) wird die toxische Wirkung aufgehoben

• Antibiotika

• Bacteriocine (Toxine die Wachstum anderer Bakterien inhibiern

• Killer-Vesikel

• Biosurfactants (Biotenside) können Oberflächen zerstören

• Inhibiern vom Quorum sensing

• Nährstoffabbau

• EPS kann die Aktivität von Antimicrobials unterdrücken/unvollständiges Eindringen des Antimicrobial in den Biofilm

• Inhibieren von Diffusions-Reaktionen senkt die Konzentration von Antimicrobials auf subleatle Konzentraionen, was zum Überleben von einzelnen Zellen führt die dem Toxin ausgestzt waren und somit eine Resistenz entwickeln konnten

• Metabolische Aktivität heruntersetzt wodurch die Anfälligkeit für Antimicrobials sinkt

• Austausch von Resitenzgenen über horizontalen Gentransfer

Submerged biofilm

• Biofilm auf einem Stein im Bach

• beimpftes Medium in flowcells

Pellicle

• Stehende Gewässer

• microtiter wells

Subaerial Biofilm

• Steine

• beimpfte Mineraloberfläche in kontrollierter Atmosphäre

Macrocolony Biofilm

• Erde/Boden

• beimpfte nährstoffhaltige Agarplatten

• motil durch Flagellen die eine motile einzellinge Lebensform ermöglichen

• stationär durch Expression von Adhesinen, Amyloid-Curly-Fasern und anderne Exopolysacchariden (z.B. Zellulose) welche einen sesshafte und vielzellige Lebensweise ermöglichen

enges Geflecht aus verschlungenen Falgellen

c-di-GMP

Expotentielle Wachstumsphase

• nicht motile Zellen

• die meisten Ressourcen gehen in die Ribosomensynthese

Post-Expotentielle Phase:

• Genexpression wird diverser

• Zellen produzieren Flagellen —> FlhDC als Aktivator für flagilare Gene aktiv

• σ70, σFLiA

• niedriger c-di-GMP Gehalt

Stationäre Phase:

• Zellen stoppen das Wachstum und werdne klein un eiförmig

• Zellen werden Stressresistent

• produzieren Curli-Fasern und Cellulose

• σS

• hoher c-di-GMP Gehalt