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Microbial biofilms:biosurfactants as antibiofilm agents I.M. Banat et al., Applied Microbiology and Biotechnology, 2014

Seminar von Sandra SelzerBetreuer: Hr. Prof. Dr. Kohring

2Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents

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

Agenda

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„...Akkumulation einzelner Bakterienzellen und Mikrokolonien an der Grenzflache zwischen zwei verschiedenen Phasen. Ein Biofilm ist wie eine kleine Stadt, in der die Zellen, die nur 1 oder 2 µm lang sind, Hochhauser bauen die hunderte µm hoch sein können. Die „Straßen“ zwischen den Hochhausern sind flüssigkeitsgefüllte Kanale, die Nahrstoffe, Sauerstoff und andere Bestandteile zu den Biofilmgemeinschaften bringen.“

1. Biofilm - Definition

Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agentsQuellen: [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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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:

Spezifität geringe Toxizität biologisch abbaubar nachhaltig robust gegen pH und Temperatur

2. Biotenside

Quelle: [1] http://www.allianz-reinigungstechnik.de/de/projekte/biotenside/_jcr_content/stage/image.img.jpg/Banner_Biotenside.1383324053462.jpg

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zellulärer Metabolismus Bewegung Abwehr als quorum-sensing Moleküle Schmiermittel Aufnahmesteigerung von schlecht löslichen

Substraten Immunmodulation Virulenzfaktoren Sekundärmetabolite antimikrobielle Faktoren

2. Biotenside: Funktion

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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

3. Oberflächen1 2 3 4 5 6


Biofilmbildung in 8-well Kammer Kristallviolett- Färbung Fluoreszenzfärbung Rasterelektronenmikroskop Calgary biofilm device

4. Quantifizierung1 2 3 4 5 6


4. Calgary Biofilm device

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96 Mikrotiterplatte fürKultivierung

Deckel mit Einsätzen

Oberfläche der Einsätze: ~ 44 mm²Animpfdichte: Bis 1 x 10⁶

Zellen/wellInkubationszeit: 4 – 24h Kultivierungsgeschwindigkeit: ≥ 10 rpm

Biofilmbildung


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)

5. Inhibierung von Biofilmen- Warum existieren Biofilme noch, wenn Biotenside diese effektiv bekämpfen?-

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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

5.1. Inhibierung von Biofilmen

- Lipopeptide -

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Auswirkungen LipopeptideBiotensid Wirkt gegen Inhibierung/ Reduktion

Polymyxin P. aeruginosa um 99% reduziert in 12h

Polymyxin, Surfactin & Fusaricidin

S. aureus, Streptocuccus bovis, Bacillus subtilis, P. aeruginosa,

Biofilmbildung

marine Biofilme um 72,4% reduziert

Fengycin S. aureus 90% Dispersion

E.coli 97% DispersionPutisolvin Pseudomonas Dispersion, aber hilft P.

putida bei BiofilmbildungPseudofactin

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 Wachstums99% Prävention der Adhäsion

Surfactin Salmonella sp. Keine Angabe

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Kombination von Lipopeptiden

Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents

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


aufgebaut aus zyklischem Polypeptid mit Fettsäure begrenztes Wirkspektrum gegen gram-negative

Bakterien Wirkmechanismen noch weitgehend unbekannt

Bekämpfung von Biofilmen- Polymyxin -

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urspünglich aus B. subtilis isoliert zyklisches Peptidheptamer verbunden mit einer β-

hydroxy Fettsäure effektiv aber auch zytotoxisch mit hämolytischer

Aktivität


- Surfactin -

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Mono-oder Oligosaccharide glykosidisch mit Lipidmolekülen verknüpft

sind an der Außenseite der Lipid-Doppelschicht zu finden

5.2. Inhibierung von Biofilmen - Glykolipide -

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Biotensid Wirkt gegen Inhibierung/ Reduktion

Rhamnolipide Streptococcus salivarius, Candida tropicalis

66% Adhäsion

Yarrowia lipolytica 67% Dispersion effektiver als SDS

Sophorolipide E. coli, B. subtilis existierende Biofilme


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


- Rhamnolipide -

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Biofilmbildung von P. aeruginosa auf Deckglas


- Rhamnolipide -

a) nach 48h Wachstum b) nach 30-minütiger Behandlung mit

Rhamnolipiden (5%)

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- Sophorolipide -

Quelle: [1] http://lipidlibrary.aocs.org/Lipids/rhamno/Figure05.png

Dimer aus Sophorosezucker und einer langkettigen Fettsäure

in Hefen dienen sie voraussichtlich als Kohlenstoffspeicher und als Abwehr gegen andere Mikroorganismen

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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

6. Zusammenfassung1 2 3 4 5 6


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_BFIN3STEPS.feature%20blurb.jpg[5] http://www.allianz-reinigungstechnik.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.html

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