Mikrobielle Gemeinschaften und Biofilme

In der Natur leben Mikroben selten allein; sie bilden strukturierte Gemeinschaften und an Oberflächen haftende Biofilme, deren kollektive Eigenschaften sich deutlich von denen einzelner frei lebender Zellen unterscheiden.

Definition

Mikrobielle Gemeinschaften sind Ansammlungen interagierender Mikroorganismen, die sich eine Umgebung teilen, und Biofilme sind strukturierte Zellgemeinschaften, die an eine Oberfläche gebunden und in eine selbst produzierte extrazelluläre Matrix eingebettet sind.

Scope

Dieses Thema behandelt die Interaktionen, die mikrobielle Gemeinschaften strukturieren, einschließlich Konkurrenz, Kooperation und Stoffaustausch; die Bildung, Architektur und den Lebenszyklus von Biofilmen; die extrazelluläre Matrix und die veränderte Physiologie von Biofilmzellen; Quorum Sensing und koordiniertes Verhalten; sowie die ökologischen und praktischen Konsequenzen des Lebens in Gemeinschaften und auf Oberflächen.

Core questions

• Wie strukturieren Interaktionen zwischen Mikroben Gemeinschaften?
• Wie bilden und entwickeln sich Biofilme?
• Warum verhalten sich Biofilmzellen anders als frei lebende Zellen?
• Wie koordinieren Mikroben Gruppenverhalten?

Key concepts

• Gemeinschaftsinteraktionen und Stoffaustausch
• Biofilmbildung und -architektur
• Extrazelluläre polymere Matrix
• Quorum Sensing
• Veränderte Physiologie von Biofilmzellen

Key theories

Biofilm-Wachstumsmodus

Costerton und Kollegen argumentierten, dass an Oberflächen haftende, matrixumschlossene Biofilme eine vorherrschende und eigenständige Form des mikrobiellen Lebens darstellen, in der Zellen im Vergleich zu frei lebenden Zellen eine veränderte Physiologie und erhöhte Toleranz aufweisen.

Mechanisms

Mikroben in Gemeinschaften interagieren durch Konkurrenz um Ressourcen, kooperativen Austausch von Metaboliten und chemische Signalübertragung. Die Biofilmbildung beginnt mit der Anhaftung an eine Oberfläche, gefolgt von Wachstum, der Produktion einer extrazellulären Matrix, die die Zellen zusammenhält, und der Reifung zu einer strukturierten Gemeinschaft; Zellen innerhalb von Biofilmen zeigen oft eine veränderte Genexpression und eine größere Toleranz gegenüber Stressfaktoren. Koordinierte Verhaltensweisen wie Quorum Sensing ermöglichen es Populationen, kollektiv auf ihre Dichte zu reagieren.

Clinical relevance

Biofilme bilden sich auf natürlichen Oberflächen, in industriellen Systemen und auf medizinischen Geräten, wo ihre Toleranz gegenüber antimikrobiellen Mitteln und Wirtsabwehr zu persistenter Kontamination und chronischen Infektionen beiträgt, was die Gemeinschafts- und Biofilmbiologie in Umwelt-, Industrie- und Gesundheitskontexten wichtig macht.

History

Die Erkenntnis, dass die meisten Mikroben in natürlichen und klinischen Umgebungen in an Oberflächen haftenden Biofilmen und nicht als frei schwimmende Zellen leben, setzte sich im späten zwanzigsten Jahrhundert durch, wobei Übersichtsartikel wie der von Costerton und Kollegen aus dem Jahr 1999 Biofilme als häufige Ursache persistierender Infektionen und als eigenständige Form des mikrobiellen Lebens hervorhoben.

Key figures

• J. William Costerton
• E. Peter Greenberg

Seminal works

• costerton1999
• madigan2018

Frequently asked questions

Warum sind Biofilme schwerer zu eliminieren als frei schwimmende Bakterien?

Zellen in einem Biofilm sind durch eine extrazelluläre Matrix geschützt und zeigen oft eine veränderte Physiologie, was zusammen ihre Toleranz gegenüber antimikrobiellen Mitteln und Wirtsabwehr im Vergleich zu denselben frei wachsenden Zellen erhöht. Aus diesem Grund werden Biofilme mit persistenter Kontamination und Infektionen in Verbindung gebracht.