Ein Biofilm entsteht, wenn sich Bakterien an Oberflächen anheften und dort vermehren. Dieser kann, auch wenn ursprünglich aus einem einzelnen Bakterium entstanden, Zellen mit verschiedenen Eigenschaften entwickeln. Es ist jedoch nur wenig darüber bekannt, wie diese Heterogenität zur Strukturbildung solcher Biofilme beiträgt.
Kölner Biophysiker der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Berenike Maier konnten nun zeigen, wie Unterschiede in der physikalischen Interaktion zwischen Bakterien zu einer Sortierung der Zellen führen und damit die Architektur von Biofilmen bestimmen. In ihrer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift eLife, zeigte ein Team um den Biophysiker Enno Oldewurtel, wie spezifische mechanische Kräfte den Schlüssel zur Struktur in Biofilmen bilden.
Bakterien mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen organisierten sich dabei wie beim Tauziehen: Die Zellen bewegten sich in die Richtung, in der sie die stärkste Kraft zu anderen Bakterien aufbauen konnten.
Mechanische Interaktion der Zellen
Das Bakterium Neisseria gonorrhoeae kontrolliert die Wechselwirkung zwischen den Zellen durch sogenannte Pili. Diese stäbchenartigen Strukturen wirken wie Enterhaken zwischen den Zellen: Pili verschiedener Zellen verhaken sich und verkürzen sich anschließend. Hierdurch wirken zwischen den Bakterien mechanische Kräfte.
Mittels gezielter genetischer Modifikationen gelang es dem Forschungsteam, den Grad der Verhakung und damit die Wechselwirkungskräfte zwischen den Zellen zu steuern. Diese Kräfte wurden mit Methoden der Nanotechnologie gemessen. Mischt man nun Bakterien, die unterschiedlich stark miteinander wechselwirken, so sortieren sich die Zellen nach den mechanischen Kräften, die sie aufeinander ausüben.
Die unterschiedliche mechanische Interaktion kann also die Architektur von Biofilmen bestimmen. Ähnliche Mechanismen sind bereits für die Trennung von Zellen in der embryonalen Entwicklung bekannt.
Die Arbeit deckt damit eine grundlegende Gemeinsamkeit der Entwicklungsprozesse von Biofilmen und Embryonen auf: Differentielle physikalische Wechselwirkungen zwischen den Zellen sind für die Sortierung wichtig. Für die Zukunft lautet nun die Frage, inwieweit diese Zellsortierung die Widerstandsfähigkeit des Biofilms gegenüber äußeren Einflüssen stärkt.
Quelle: Universität zu Köln
Weitere Informationen
Publikation: Berenike Maier et al.; Differential interaction forces govern bacterial sorting in early biofilms.; eLife; DOI 10.7554/eLife.10811
