Microbial biofilms:
biosurfactants as antibiofilm
agents
I.M. Banat et al., Applied Microbiology and Biotechnology, 2014
{
Seminar von Sandra Selzer
Betreuer: Hr. Prof. Dr. Kohring
Agenda
1. Biofilme: Definition und Entstehung
2. Biotenside
3. Oberflächen für Biofilmbildung
4. Quantifizierung des Wachstums/Inhibierung von Biofilmen
5. Inhibierung von Biofilmen
5.1. Lipopeptide
5.2. Glykopeptide
6. Zusammenfassung
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1. Biofilm - Definition
„...Akkumulation einzelner Bakterienzellen
und Mikrokolonien an der Grenzfläche
zwischen zwei verschiedenen Phasen. Ein
Biofilm ist wie eine kleine Stadt, in der die
Zellen, die nur 1 oder 2 µm lang sind,
Hochhäuser bauen die hunderte µm hoch
sein können. Die „Straßen“ zwischen den
Hochhäusern sind flüssigkeitsgefüllte
Kanäle, die Nährstoffe, Sauerstoff und
andere Bestandteile zu den
Biofilmgemeinschaften bringen.“
Quellen:
[1]http://phil.cdc.gov/PHIL_Images/10032002/00004/PHIL_2264_lores.jpg
[2] http://www.medicinenet.com/script/main/art.asp?articlekey=16932, 2012
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1. Biofilme
besiedeln Mikroorganismen feste Oberflächen wird von
Biofilmen gesprochen
entstehen an Grenzschichten
dienen Mikroorganismen zum Schutz vor
Umweltbedingungen
quorum-sensing ermöglicht Verhalten als Population
bestehen meist aus einer komplexen Mischung an
Mikroorganismen
sind beteiligt an z.B.: Infektionen, Verbreitung von
Krankheiten, hygenischen Verarbeitung,
Nahrungsmittelbefall, metallverarbeitende Industrie
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1. Biofilmbildung
Quellen:
[1] http://www.biofilm.montana.edu/files/CBE/images/r2003_PSTO_BFIN3STEPS.feature%20blurb.jpg
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2. Biotenside
Tenside mikrobieller Herkunft
amphiphiler Charakter ermöglicht das
Herabsetzen der Oberflächenspannung
vielversprechende Kandidaten bei Inhibierung
von Biofilmen
Einsatz auch in industrieller Biotechnologie
Vorteile gegenüber synthetischen Tensiden:
Quelle:
Spezifität
geringe Toxizität
biologisch abbaubar
nachhaltig
robust gegen pH und Temperatur
[1] http://www.allianz-reinigungstechnik.de/de/projekte/biotenside/_jcr_content/stage/image.img.jpg/
Banner_Biotenside.1383324053462.jpg
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2. Biotenside: Funktion
zellulärer Metabolismus
Bewegung
Abwehr
als quorum-sensing Moleküle
Schmiermittel
Aufnahmesteigerung von schlecht löslichen Substraten
Immunmodulation
Virulenzfaktoren
Sekundärmetabolite
antimikrobielle Faktoren
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3. Oberflächen
physikochemischen Eigenschaften beeinflussen die:
Biofilmadhäsion
Biofilmarchitektur im Fall von Monokulturen
Selektion der koloniebildenden Spezies im Fall von
Mischkulturen und
Proteinexpression kann substratabhängig variieren
Beispiele:
Glas, Plastik, Metall, Silikone, Gewebemodelle
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4. Quantifizierung
Biofilmbildung in 8-well Kammer
Kristallviolett- Färbung
Fluoreszenzfärbung
Rasterelektronenmikroskop
Calgary biofilm device
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4. Calgary Biofilm device
Deckel mit Einsätzen
96 Mikrotiterplatte für
Kultivierung
Biofilmbildung
Oberfläche der Einsätze:
~ 44 mm²
Animpfdichte:
Bis 1 x 10⁶ Zellen/well
Inkubationszeit:
4 – 24h
Kultivierungsgeschwindigkeit:
≥ 10 rpm
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5. Inhibierung von Biofilmen
- Warum existieren Biofilme noch, wenn
Biotenside diese effektiv bekämpfen?
Hypothese:
oberflächenaktive Moleküle spielen eine große Rolle in der
Entwicklung und Aufrechterhaltung von Biofilmen bedingt
durch die Aufrechterhaltung von Wasserkanälen
führen zu Nährstoffversorgung, Gasaustausch und
Abgrenzung von Teilen des Biofilms (Plankton)
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5.1. Inhibierung von Biofilmen
- Lipopeptide
größte Gruppe an Biotensiden zur Bekämpfung von
Biofilmen
bestehen aus 3 oder mehr Variationen an homologen oder
kongeneren Molekülen
aufgebaut aus hydrophilen Peptid, welches an eine
hydrophobe Fettsäure oder Lipid angeheftet ist
Peptide können aliphatisch, verzweigt oder zyklisch sein
Lipidketten können in ihrer Länge variieren
meisten Lipopeptide stammen von Bacillus oder Paenibacillus
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Biotensid
Wirkt gegen
Inhibierung/ Reduktion
Polymyxin,
Surfactin &
Fusaricidin
S. aureus, Streptocuccus bovis,
Bacillus subtilis, P. aeruginosa,
Biofilmbildung
marine Biofilme
um 72,4% reduziert
S. aureus
90% Dispersion
E.coli
97% Dispersion
Putisolvin
Pseudomonas
Dispersion, aber hilft P. putida
bei Biofilmbildung
Pseudofactin
Enterococcus faecalis, E.coli, S.
epidermidis, E. hirae, Proteus
mirabilis
36-90% effektiv gegen Adhäsion
26-70% gegen existierende
Biofilme
C. albicans
8-9% Inhibierung des
Wachstums
99% Prävention der Adhäsion
Salmonella sp.
Keine Angabe
Auswirkungen
Lipopeptide
Polymyxin
P. aeruginosa
um 99% reduziert in 12h
Fengycin
Surfactin
Kombination von Lipopeptiden
Kombination von Lipopeptiden
bei komplexen Biofilmen führen
zu:
99% Inhibierung Biofilmbildung
74% Inhibierung etablierter
Biofilme
Synergien zwischen
Lipopeptiden und Antibiotika
teilweise totale Beseitigung von
Biofilmen
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Bekämpfung von Biofilmen
- Polymyxin
aufgebaut aus zyklischem Polypeptid mit Fettsäure
begrenztes Wirkspektrum gegen gram-negative Bakterien
Wirkmechanismen noch weitgehend unbekannt
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5.1. Inhibierung von Biofilmen
- Surfactin
urspünglich aus B. subtilis isoliert
zyklisches Peptidheptamer verbunden mit einer β-hydroxy
Fettsäure
effektiv aber auch zytotoxisch mit hämolytischer Aktivität
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5.2. Inhibierung von Biofilmen
- Glykolipide
Mono-oder Oligosaccharide glykosidisch mit
Lipidmolekülen verknüpft
sind an der Außenseite der Lipid-Doppelschicht zu finden
Biotensid
Wirkt gegen
Inhibierung/ Reduktion
Rhamnolipide
Streptococcus salivarius, Candida
tropicalis
66% Adhäsion
Yarrowia lipolytica
67% Dispersion
effektiver als SDS
E. coli, B. subtilis
existierende Biofilme
Sophorolipide
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5.2. Inhibierung von Biofilmen
- Rhamnolipide
Di-oder Monorhamnosezucker an einer Fettsäure
inhibieren bakterielles Wachstum durch Ablösung der
Zellen
urspünglich aus P. aeruginosa isoliert
auf Silikon konnte Zelladhäsionvon Streptocuccus salivarius
um 66% reduziert werden
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5.2. Inhibierung von Biofilmen
- Rhamnolipide
Biofilmbildung von P. aeruginosa auf Deckglas
a) nach 48h Wachstum
b) nach 30-minütiger
Behandlung mit
Rhamnolipiden (5%)
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5.2. Inhibierung von Biofilmen
- Sophorolipide
Quelle:
Dimer aus Sophorosezucker und einer langkettigen
Fettsäure
in Hefen dienen sie voraussichtlich als Kohlenstoffspeicher
und als Abwehr gegen andere Mikroorganismen
[1] http://lipidlibrary.aocs.org/Lipids/rhamno/Figure05.png
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6. Zusammenfassung
Biofilme sind an der Verbreitung von luftübertragenen
Pathogenen, Verschmutzung von industriellen Oberflächen
und vielen Infektionen beteiligt
Probleme verschärfen sich durch resistente
Biofilmpopulationen und Mangel an Alternativen
Biotenside stellen eine Alternativtherapie dar
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Quellen
[1]
I. M. Banat: Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents;
Appl. Microbiol Biotechnol (2014)
[2]
http://phil.cdc.gov/PHIL_Images/10032002/00004/PHIL_2264_lores.jpg
[3]
http://www.medicinenet.com/script/main/art.asp?articlekey=16932,
2012
[4]
http://www.biofilm.montana.edu/files/CBE/images/r2003_PSTO_BFIN
3STEPS.feature%20blurb.jpg
[5]
http://www.allianzreinigungstechnik.de/de/projekte/biotenside/_jcr_content/stage/image.
img.jpg/ Banner_Biotenside.1383324053462.jpg
[6]
http://lipidlibrary.aocs.org/Lipids/rhamno/Figure05.png
[7]
http://www.nature.com/nprot/journal/v5/n7/fig_tab/nprot.2010.71_F1.
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