" Das ist die erfolgreichste Form des Lebens, die es überhaupt gibt auf der Erde. Und auch die älteste, die gibt es seit dreieinhalb Milliarden Jahren."
" Ich finde es eine absolut faszinierende Welt."
" Das ist ein Universum erster Güte."
Vor 20 Jahren hat man erst mal zur Kenntnis genommen, dass es überhaupt Biofilme gibt. Die Biofilme sind nichts anderes als die globale Putzkolonne.
" Das Leben in der Umwelt und auch im Biofilm ist, glaube ich, ein sehr hartes."
" Das ist das glückliche Leben im Schleim."
" Schleim muss sein."
Die Welt wird von unzähligen Lebewesen besiedelt. Bis auf wenige Ausnahmen handelt es sich um Bakterien. Sie schwimmen frei im Wasser, wirbeln mit Staubkörnern durch die Luft und haften an Steinen. Wohl fühlen sich Bakterien aber nur in der Gemeinschaft. Sie schließen sich zusammen. Sie brauchen nur eine Oberfläche und ein wenig Wasser. Sie bilden eine feine durchsichtige Schicht von nur etwa einem hundertstel Millimeter. Zehnmal dünner als ein Menschenhaar. Das ist ein Biofilm, eine Lebensgemeinschaft verschiedener Bakterienarten. Auf der Fläche einer Ein-Cent-Münze leben Millionen von Bakterienzellen.
" Wir finden Biofilme eigentlich überall im Alltag. Zum Beispiel ein feuchter Stein in einem Bach, auf dem wir ausrutschen, der etwas glitschig auf der Oberfläche ist. Das sind Biofilme, die vielleicht nicht immer sichtbar sind, aber an allen feuchten Oberflächen vorhanden sind."
Armin Gieseke forscht am Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen. Er ist der einzige Spezialist für Biofilme an diesem Institut. Seine Kollegen erforschen Bakterien und andere Kleinstlebewesen meist auf Kulturschalen oder im Wasser. Immer wieder weist Armin Gieseke sie darauf hin, dass die Bakterien in der Natur oft anders leben: in Gemeinschaft. Im Biofilm.
" Was sich äußerlich als bräunliche, gelbliche oder auch mehr oder weniger farblose, glitschige Masse darstellt, ist unter dem Mikroskop sehr stark strukturiert. Wir finden Biofilme, die sehr eben, gleichmäßig, homogen und kompakt sind, es gibt aber auch Biofilme, die richtige pilzartige Strukturen bilden. Es gibt Kanäle, Hohlräume in diesen Biofilmen. Es gibt da ganz vielgestaltige Strukturen."
Diesen Lebensraum haben die Bakterien selbst geschaffen. Nach ihren eigenen Bedürfnissen. Der Schleim ist für sie Schutz- und Lebensraum.
" Es sind Verbindungen aus Eiweiß und Zuckermolekülen. Es ist viel Wasser dabei. Es gehören aber auch viele Salze und Nährstoffe dazu, die zum Teil auch dazu beitragen, dass das Gerüst stabil ist. Es kann ganz unterschiedlich gestaltet sein. Das hängt auch davon ab, welche Mikroorganismen diesen Biofilm gebildet haben."
Die Bakterien leben im Schleim wie Menschen in einer Großstadt.
" Es ist eine große Vielzahl von Leuten, die auf engem Raum zusammen leben. So ist das auch bei den Bakterien. In einer Stadt haben Sie Bäcker und Schlosser und viele andere Firmen und Betriebe, die alle ihrem eigenen Geschäft nachgehen, und bei den Bakterien ist es ähnlich. Ganz viele Gruppen leben zusammen, und jede geht sozusagen ihrem eigenen Geschäft nach, braucht aber auch bestimmtes Rohmaterial und Umgebungsbedingungen, um gedeihen zu können."
Einige Bakterien leben bevorzugt tief im Schleim, dort, wo es kaum Sauerstoff gibt. Dafür aber viele Nährstoffe, die sie brauchen. Andere mögen die äußeren Schleimschichten - mit frischem Wasser und reichlich Sauerstoff. Auch wenn das Leben dort gefährlich sein kann - denn: auch Biofilme haben Feinde.
Sommer in der Stadt. Vor dem Cafe. "Ja, der Platz ist noch frei."
Gewinnendes Lächeln. Sie führt die Espresso-Tasse an die leicht geschürzten,
rot geschminkten Lippen.
Blendend weiße Zähne.
Auf den ersten Blick ...
Auf dem Zahnschmelz: Ein weißer Belag. Dünn aber pelzig.
Bakterien warten auf Zucker. Sie fressen ihn.
Je mehr Zucker, desto mehr Säure bilden sie.
Die Folge: Karies.
" Kratzen Sie mit dem Fingernagel über ihre Zähne. Sie glauben vielleicht, unter dem Fingernagel, das sind Essens-Reste. Stimmt aber nicht. Das sind Bakterien. Genau gesagt: 85 % Schleim und 15 % Zellen. "
Zahnärzte nennen den Belag auf den Zähnen "Plaque".
Bill Costerton von der Montana State University ist der Erfinder des Begriffes "Biofilm". In der Zeitschrift "Scientific American" hat er ihn 1978 erstmals verwendet.
" Zwei Fachbereiche hatten schon immer mit Biofilmen zu tun: Zahnmedizin und Abwasser-Technik. Nur gingen Zahnärzte und Ingenieure davon aus, dass Bakteriengemeinschaften eher eine Ausnahme seien. Die Vorstellung, dass die meisten Bakterien in Biofilmen leben, das war eine neue Idee. Und heute wissen wir: Alle Bakterien tun dies."
Bis in die Achtzigerjahre hatten Mikrobiologen wenige Möglichkeiten, um Bakterien zu untersuchen. Sie mussten sie zunächst vereinzeln, um sie dann zu vermehren. In der Kulturschale oder in Nährflüssigkeit. Bei dieser Prozedur haben sie, ohne es zu wissen, bestehende Biofilme zerstört. Unter dem Mikroskop betrachteten sie immer nur frei schwimmende Zellen.
" Ich habe einen Farbstoff entdeckt. Als ich mit diesem Ruthenium Rot meine Proben anfärbte, staunte ich nicht schlecht: Der Raum zwischen den einzelnen Bakterien war plötzlich voller roter Fasern. Zum ersten Mal war es mir gelungen, den Schleim unter dem Mikroskop sichtbar zu machen. "
Bill Costerton war in den 80ger Jahren der erste Mikrobiologe, der sich ausschließlich mit Biofilmen beschäftigte. Seine Fachkollegen beachteten ihn zunächst kaum. Costerton bekam selten Gelegenheit, seine Forschungen auf Kongressen oder in Fachzeitschriften vorzustellen.
" Ich untersuchte Schleim und Schlimmeres. Manchmal sogar in Toiletten. Und so etwas stand bei vielen meiner Kollegen nicht hoch im Kurs. Für sie war es keine wirklich würdige Wissenschaft."
Besonders schwer taten sich die Mediziner. Eine Infektionskrankheit, das hieß für sie immer: Bakterien bewegen sich einzeln durch den menschlichen Körper. Sie vermehren sich, manche produzieren giftige Stoffe.
Bei dauerhaften, chronischen Bakterien-Infektionen stimmt dieses Bild nicht. Das wurde nach und nach auch Medizinern klar. Bill Costerton erforscht heute, wie Biofilme im menschlichen Körper krank machen können.
" Sie bekommen einen Schlauch gelegt im Krankenhaus, damit Ihr Urin aus der Blase abfließt. Bakterien lieben diese Katheter. Sie bilden einen Biofilm auf der Oberfläche. Im Biofilm sind sie geschützt vor Antibiotika. Es ist dann extrem schwer, die Bakterien umzubringen. Es gibt nur eine Chance, so eine Infektion in den Griff zu bekommen: Raus mit dem Katheter und eine hohe Dosis Antibiotikum."
Ob Katheter, Gefäßstützen, Herzklappen, oder Herzschrittmacher: Jede Prothese im Körper ist ein potentieller Lebensraum für Bakterien. An den glatten Oberflächen können sie haften und ihren Schleim bilden. Zellen des Immunsystems und Abwehrmoleküle kommen nicht an sie heran, denn die Prothese ist nicht durchblutet.
" Wenn jemand ein künstliches Hüftgelenk bekommt und darauf bildet sich ein Biofilm, dann ist dieser nahezu unangreifbar. Da können Sie so viel Antibiotika geben wie Sie wollen. Es hilft nichts. Die alte Hüft-Prothese muss raus und ersetzt werden. Für Patienten ein harter Schlag. Das Problem: Wenn Sie die Infektion dann immer noch nicht beseitigen können, dann bleibt nur die Amputation. Solche Infektionen sind wirklich gefährlich - wegen der Antibiotika-Resistenz."
Blauer Himmel über Duisburg. Studenten in Jeans und T-Shirt verlassen das Universitätsgebäude. Ein typischer 70er Jahre Bau. Sie schlendern Richtung Parkplatz. Vorbei an einer roten Ziegelmauer. Solide gemauert. So scheint es.
Auf den Steinen grüne und rötliche Flecken. Flechten. Zwischen den Steinen zerbröselter Mörtel. Hier und da wächst sogar Gras in den Fugen.
" Das sind Bakterien, die hier in dem Porensystem von den Steinen wachsen. Es gibt nämlich Bakterien, die auch Gestein zerstören. Jetzt gucken wir uns mal die Mauer an. Biofilm ist nämlich auch im geologischen Ausmaß an Verwitterung von Gestein auf der Erde beteiligt."
Hans-Curt Flemming ist Biofilm-Forscher der ersten Stunde - ein "Biofilmer" wie er sich nennt. Offiziell ist er Leiter des "Biofilm Centre" der Universität Duisburg-Essen.
" Was Sie hier sehen ist Moos, aber darunter sind auch jede Menge Bakterien. Und das hier wird ganz mürbe. Das ist Mörtel gewesen, und dieser Mörtel wird allmählich aufgelöst von Bakterien, die da drin sitzen. Das sind zum Beispiel nitrifizierende Bakterien. Die machen biogene Salpetersäure, und die Salpetersäure löst das Ding hier auf. Und Sie können erkennen, wie tief das reingeht. Diese Verwitterung wird dann verstärkt durch Moose, die darin wachsen. Das war mal Mörtel. Bauschäden."
Bauschäden für den Menschen. Für die Natur Teil des ökologischen Kreislaufs. Bakterien sind dabei für die Zersetzung zuständig.
" Die Biofilme sind nichts anderes als die globale Putzkolonne. Alles, was hier aufgebaut wird, wird wieder abgebaut. Und das wird zum allergrößten Teil von Biofilmen abgebaut. Die sitzen im Boden, die sitzen in der Kläranlage, die sitzen in Sedimenten, die sitzen in Flocken. Flocken, Bakterienflocken sind nicht anderes als schwimmende Biofilme. Im Prinzip haben die alle eine Struktur, die ist locker, das ist wie ein föderatives Leben."
" Unser Leben ist hierarchisch: Kopf ab - Mensch tot. Biofilm ist föderativ: Durchgeschnitten? Links und rechts geht es weiter."
Die gleichen Bakterien, die im Bach leben und dort das Wasser reinigen, leben auch in der Kläranlage. Der Mensch nutzt ihre Fähigkeit, organische Substanzen abzubauen.
" Für die Abwasser-Reinigung sind Biofilme das A und O - für die biologische Abwasser-Reinigung. Das sind die Arbeitspferde. Das heißt, in diesen Biofilmen - ob die nun als Flocken sind im so genannten Belebungsbecken... Ich liebe ja die Ingenieurs-Poesie. Hat man ein Becken voller Scheiße und nennt es Belebungsbecken. "
" Da ist ein pralles, vibrierendes Leben drin. Und diese Organismen, die fressen praktisch die Nährstoffe, die organischen Stoffe aus dem Wasser raus, wandeln sie in CO2 und Wasser um und in zusätzliche Biomasse. Das ist nachher der Klärschlamm."
" So, und das kann man optimieren, und das tut man in der Kläranlage, indem man den Schlamm konzentriert, indem man Sauerstoff zuführt zum Beispiel und indem man andere Bedingungen noch optimiert. Das ist das Prinzip, was man da benützt."
" Luft, ja, genau, Scheiße rühren, oder durchblasen, das gibt es auch."
Abwasser-Ingenieure versuchen heute, ihren Bakterien optimalen Komfort zu bieten. Das bedeutet auch: große Oberflächen, auf denen Bakterien ihren Biofilm bauen können.
" Ein Biofilm-Reaktor, da gibt es ganz unterschiedliche Formen. Also eine ganz simple Form ist der Tropfkörper. Der Tropfkörper ist nichts anderes als ein großer Bottich mit oberflächenreichem Gestein drin. Lava, Tuff oder so was, was viel Oberfläche hat. Die bietet man an, lässt Abwasser drüber rieseln, und jetzt setzen sich die Mikroorganismen auf diesem Lava-Tuff fest und machen genau das, was sie im Fluss auch machen würden, die fressen dann die Nährstoffe raus aus dem Abwasser. "
Prozesse, die in der Natur viel Zeit brauchen, sollen in einer Kläranlage im Zeitraffer ablaufen. Dazu wenden Ingenieure verschiedene Tricks an.
" Zum Beispiel gibt es Scheiben-Tauch-Körper, das ist nichts anderes als lauter Scheiben hier."
Hans-Curt Flemming greift nach einer CD auf seinem Schreibtisch. An ihr erklärt er das Prinzip.
" Die tauchen halb in Wasser rein, die sind aus Styropor, damit sie nicht so eine Last auf die Achse sind, und dann drehen die sich ganz langsam. Und da unten, so lange die im Wasser drin sind, sind die Mikroorganismen dabei, organische Stoffe zu verdauen, aber denen fehlt da der Sauerstoff - also gehen die hier oben wieder an die Luft, da kommt der Sauerstoff wieder in den Biofilm rein, tankt Sauerstoff und geht wieder da runter. Auf die Art und Weise wächst der Biofilm auf diesem Scheiben-Tauch-Körper. Aus dem Abwasser werden Nährstoffe entnommen, und das ist ein Teil der Abwasser-Reinigung. Das ist relativ aufwändig, das nimmt man, um bestimmte Reststoffe zu entfernen. "
Moderne Kläranlagen setzen auf solche Bioreaktoren. Sie bieten hohe Leistung auf kleinstem Raum.
" Die Kläranlage von Nizza zum Beispiel, das ist eine Biofilm-Reaktor-Anlage, die ist untergebracht in so einem Haus, wie einem Ferienhaus, sieht man nicht mehr. Die Kläranlage von Marseille, die ist als Kompaktanlage untergebracht unter dem Fußballfeld von Olympique Marseille."
Nachmittags im Hamburger Hafen.
Die Blaskappelle spielt.
Ausflügler drängen zum Kai. Da liegt sie: 345 Meter lang, 72 Meter hoch. 13 Decks, 1.310 Kabinen, 12 Küchen, 20 Restaurants, Tennisplätze und Golfanlage,
5 beheizte Swimmingpools. Hubschrauberlandeplatz, Planetarium, ein Theater mit 1.200 Sitzplätzen.
Die Queen Mary II glänzt in der Sonne.
Aber wie sieht es weiter unten aus?
Der Rumpf. Dort, wo er ins Wasser eintaucht: glibberig und grün.
" Auf Schiffen wachsen Biofilme, und diese Biofilme führen dazu, dass ein Schiff langsamer wird. Also ein Biofilm von 100 Mikrometer Dicke, das ist ein Zehntel Millimeter, der führt bei so einem Tanker schon zu einer Geschwindigkeitsverringerung von sieben bis zehn Prozent. das ist alles nichts anderes als Öl, das man da mehr verbraucht. Sieben bis zehn Prozent ist eine Menge."
Abraham:
" Schleim muss sein. Der Schleim ist eigentlich so der Reaktionsraum für die Bakterien. "
Wolf-Rainer Abraham von der Gesellschaft für Biotechnologische Forschung (GBF) in Braunschweig. Er leitet die Arbeitsgruppe Chemische Mikrobiologie und erforscht, wie verschiedene Bakterien im Biofilm zusammen leben.
" Das Leben in der Umwelt und auch im Biofilm ist, glaube ich, ein sehr hartes. Nur, wer sozusagen alle Möglichkeiten ausschöpft, hat eine Chance zu existieren. Sonst gehen sie unter. "
Bakterien können wahre Hungerkünstler sein. Einige von ihnen kommen Monate oder Jahre ohne Nahrung aus. Ihr Stoffwechsel ist auf ein Minimum reduziert. Leben auf Sparflamme. Im Biofilm ist das unmöglich.
" Faul sein geht überhaupt nicht. Faul sein, haben wir gesehen: im Boden gibt es viele, die vor sich hin sitzen und auf bessere Zeiten warten. Im Biofilm haben wir es nie gesehen. Die sind alle aktiv. Das scheint ein Prinzip des Biofilms zu sein. Nur, wer sich aktiv beteiligt, hat eine Daseinsberechtigung darin."
Im Biofilm gilt das Prinzip: Arbeitsteilung. Und ständige Kommunikation über Signalstoffe.
"Sie reden miteinander, und sie reden untereinander. Positiv und negativ. Wir kennen einige der Stoffe, die sie nutzen, um miteinander zu reden. Und wir kennen einige Prinzipien, die sie haben, um die Unterredung der anderen zu stören und auszunutzen. "
Wolf-Rainer Abraham will Biofilme auch gezielt beeinflussen, damit sie besser als von Natur aus Umweltgifte abbauen können. Zunächst versuchte er, besonders leistungsfähige Bakterien in schon bestehende Biofilme zu integrieren. Ohne Erfolg.
" Diese Biofilm-Gemeinschaft ist eine recht geschlossene Gemeinschaft, die sehr selten andere mitspielen lässt. Ich denke, es sind einfach Nischen, die besetzt sind. In dem Biofilm sind einfach alle Nischen besetzt. Und die neu hinzukommenden haben einfach keine Chance. "
" Es gibt offensichtlich sehr breite Interaktionen zwischen den Bakterien in den Biofilmen, die sehr fein aufeinander abgestimmt sind. Wenn derjenige, der da kommt, nicht sehr gut diesen Ton trifft, der dort gebraucht wird, hat er keine Chance mitzuspielen, selbst wenn er ein Kraftprotz ist auf seinem Gebiet und die anderen sind schlechter. Aber er muss sich einpassen in die Gemeinschaft. Und wenn er das nicht kann, - was sehr unwahrscheinlich ist, dass ein neu hinzukommender das kann, dann darf er nicht mitspielen."
Die eingeschleusten Bakterien können sich nicht vermehren. Sie gehen zu Grunde und dienen den alteingesessenen Biofilm-Bewohnern als Nahrung. Aber es ist möglich, verschiedene Biofilme zu vermischen.
" Das können wir eigentlich nur durch Ausprobieren machen, indem wir einfach verschiedene Bakterien zusammen kippen und gucken, wer bereit ist, miteinander einen Biofilm zu bilden, aber das funktioniert durchaus."
Ein neuer Biofilm entsteht. Mit neuer Arbeitsteilung und ganz neuen Spielregeln. Einige Bakterienarten finden ihre Rolle - die anderen gehen zu Grunde.
" Ich denke, das Individuum zählt nicht allzu viel. Es gibt sogar eine Unterwerfung des Individuums in der eigenen Gruppe unter die Interessen der Gruppe. Es gibt Berichte: wenn ein Biofilm unter sehr harten Bedingungen also eigentlich am Verhungern ist, dass es so eine Art Selbstmordsignal in der Zelle gibt, wo einige Zellen sich auflösen, sterben, damit andere diese Substanzen nutzen können, um zu überleben. "
Kannibalismus im Schleim. Ein weit verbreitetes Phänomen. Wertvolle Ressourcen wie Eiweiße, Fette und sogar Erbmoleküle lassen sich so wiederverwerten.
" Es gibt auch den Fall, wo dieses Auflösen der Zellen damit verbunden ist, dass der Biofilm sich auflöst. Und dadurch die energetischen Reserven frei gesetzt werden, dass der Biofilm sich von innen heraus auflöst und dann eben zu besseren Bedingungen schwimmen kann. Das ist ein sehr eigenwilliges Prinzip von diesen kleinen, doch sehr einfach gestrickten Bakterien."
Im Biofilm leben oft viele verschiedene Bakterienarten mit unterschiedlichem Erbgut. Aber es ist nicht wie bei Säugetieren oder anderen höheren Lebewesen, dass jede Art ihr Erbgut für sich behält. Unter den Bakterien herrscht ein lebhafter Handel mit Erbanlagen. Wissenschaftler sagen: Biofilme nutzen einen gemeinsamen Gen-Pool.
Ein Biofilm verhält sich beinahe wie ein einziger Organismus.
" Man hat vielfach gesagt, das ist der erste Entwurf der Natur zu höheren Organismen. Ich würde ein bisschen vorsichtiger sein, einfach deswegen, weil dieser Biofilm viel mehr Möglichkeiten hat. Er kann sich die Zellen heranholen, die ihm nutzen für diese Aufgabe oder für das Überleben, was er hat. Und er kann andere raus schmeißen, die ihm nicht mehr passen. Wenn die Bedingungen anders sind, fliegen einige raus. Das kann ein höherer Organismus nicht. Der kann nicht sagen: Meine Leber ist krank, ich schmeiße sie weg. Das kann er schon machen, aber er wird es nicht überleben. Der Biofilm ist in der Lage, sehr flexibel auf die Bedingungen zu reagieren. Insofern würde ich ihn schon als Organismus bezeichnen aber als einen Organismus unter sehr speziellen Bedingungen."
Biologen staunen immer wieder, wenn sie die Anpassungsfähigkeit der Biofilme erforschen. Dasselbe Phänomen bereitet Medizinern allerdings große Probleme, wenn sie chronische Infektionen heilen wollen.
" Deswegen möchte man eben die Biofilme zerstören und das heißt die Kommunikation der Bakterien unterbrechen, so dass die Bakterienzelle zum Schluss kommt: Es gibt keinen Kollegen und anfängt, sich aus dieser Matrix wieder zu lösen. Denn so lange sie die Kommunikation hat, so lange sie weiß, dass mehrere Zellen da sind, bleibt sie in diesem Biofilm drin sitzen."
Wie gefährlich Schleim für Menschen sein kann, zeigt sich bei der erblichen Krankheit "Mukoviszidose". Das ist das Forschungsgebiet von Susanne Häußler von der GBF
" Die Mukoviszidose ist eine genetische Erkrankung, die vor allem charakterisiert ist durch die Bildung eines sehr zähen Schleims. Und der spielt natürlich für die Entstehung der Krankheit eine ganz wichtige Rolle. Und wir sehen es eher so, dass der Schleim eine wichtige Grundlage ist für die Infektion. Das heißt, da können sich die Bakterien besonders gut festsetzen. "
Die Bakterien nisten sich in der geschädigten Lunge ein und bilden abgekapselte Kolonien. Auch das sind Biofilme.
" Es gibt bestimmte Bakterien, die besonders dafür prädestiniert sind, sozusagen, und das ist besonders pseudomonas aeruginosa, der bildet zusätzlich selber eine sehr starke extrazelluläre Matrix, also sprich: auch Schleim und so, dass der sich innerhalb der Mukoviszidose-Lunge einkapselt in solchen Mikrokolonien."
" Die Bakterien in den Biofilmen sind gut geschützt, und das Immunsystem und auch unsere Antibiotika können dann da nicht mehr dran. "
" Für die Aufrechterhaltung dieser Strukturen ist es notwendig, dass die Bakterien über ihre Umgebung Bescheid wissen sozusagen. Ganz wichtig ist dabei, das sie wissen, wie viele sie sind."
"Quorum-sensing" heißt dieses Prinzip. Die Bakterien bilden Signalstoffe. Ab einer gewissen Menge dieser Stoffe im Schleim wissen die Bakterien: Wir sind viele. Wir halten zusammen im Biofilm. Das bedeutet auch, dass sie sich gemeinsam gegen das körpereigene Abwehrsystem des Infizierten wehren.
Herkömmliche Antibiotika wirken nicht. Mediziner suchen nach neuen Strategien. Susanne Häußler will den Gemeinschaftssinn der Bakterien brechen. Dazu eignet sich ein Wirkstoff, den die Mediziner schon lange kennen.
" Man hat festgestellt, dass ein so genanntes Makrolid-Antibiotikum und zwar da besonders Azetromycin, dass wenn man dieses Antibiotikum den Patienten gibt, dass es ihnen deutlich besser geht. Und dass sie sehr davon profitieren. Und das ist erstaunlich gewesen, weil Azetromycin im Grund genommen nicht wirksam ist gegen Pseudomonas, sprich: diese Konzentrationen töten die Bakterien gar nicht ab."
Aber Azetromycin stört das Quorum-sensing der Bakterien. Sie wissen nicht mehr, dass sie viele sind. Und ihr Teamwork funktioniert nicht mehr. Ein Vorteil für das Immunsystem des Mukoviszidose-Patienten.
" Die Bakterien sind also geschwächt durch Azetromycin, sie werden nicht direkt gekillt, das Immunsystem hat eine größere Chance, sie zu killen. Wenn wir dann noch eine Unterstützung durch Antibiotika hätten, ist es durchaus denkbar, dass es besonders effektiv ist. "
Das Beispiel zeigt: Bakterien, die sich in einem Biofilm organisiert haben, müssen anders bekämpft werden als frei schwimmende Bakterien. Tatsächlich haben Forscher in den letzten Jahren schon viele Moleküle entwickelt, die die Verständigung der Bakterien gezielt stören. Die meisten dieser Substanzen aber sind für den Menschen giftig.
Das Antibiotikum Azetromycin ist eine Ausnahme. Für den Menschen ist es verträglich. Der Nachteil: Es stört allein das Quorum sensing von Pseudomonas Bakterien.
Es ist schon weit nach Mitternacht.
Die letzten Party-Gäste diskutieren in der Küche.
Ein letztes Bier im Stehen,
Neben der Spüle, das Geschirr.
Nicht nur Nachtschwärmer fühlen sich wohl, in der Küche.
Schauen wir genauer hin.
Unter die Spüle zum Beispiel.
" Wenn Sie das aufmachen, dann sehen Sie hier den Siphon. Dieser Siphon ist ein Lebensraum erster Güte. Da kriegen Sie alle Bakterien an der Wand, die jemals hier herein gespült worden sind. Hier hat man bestimmt 10 hoch 7 bis 10 hoch acht Zellen pro Quadratzentimeter. 10 hoch sechs sind eine Million, also fast eine Milliarde."
Hans-Curt Flemming, der "Biofilmer" aus Duisburg, gerät ins Schwärmen. Für ihn läuft in jeder Küche ein mikrobiologisches Langzeit-Experiment ab.
" Ein nettes Biotop ist auch so ein Schwamm. der ist trocken, Das ist gut. Normalerweise liegt der erstmal eine Weile bis er ausgetrocknet ist. Hier hat man auch das bunte Leben drin. Dieser Spüllappen, der liegt ja meist zusammengeknüllt irgendwo herum. Das bedeutet, dass er lange feucht ist. Je länger er feucht ist, desto länger können die Bakterien wachsen. Das ist der limitierende Faktor: Die Feuchtigkeit. Also: Spüllappen einfach offen aufhängen und trocknen lassen. das ist schon mal die halbe Miete."
Menschen bauen Häuser, Schiffe, Kraftwerke. Als Material dienen Stahl, Stein oder Holz. Aus Sicht des Mikrobiologen sind das alles Oberflächen - und damit potentielle Lebensräume.
" Es gibt eigentlich in der Umwelt keine Oberflächen, die nicht bewachsen werden. Über kurz oder lang werden alle bewachsen. Es dauert nur unterschiedlich lang."
" Aber es gibt in der Natur Pflanzen und Tiere, die werden überhaupt nicht bewachsen. Und da ist natürlich interessant herauszufinden, wie die das machen, und das hat man natürlich untersucht. Interessanterweise sind das alles dynamische Oberflächen. Das sind Oberflächen, die sich verändern. Entweder bilden die immer wieder Schleim. Auf dem Schleim wächst der Biofilm und wird dann praktisch abgeschilfert, oder sie bilden Signalmoleküle, mit denen andere Mikroorganismen abgeschreckt werden, oder manche Tiere haben so etwas wie Scheibenwischer. Sie wischen oder häuten sich. Aber alle sind dynamisch und haben mehr als eine Verteidigungsstrategie. "
Die Oberflächen von Bauwerken und Maschinen verändern sich nicht. Sie sind den Angriffen der Biofilme ausgeliefert.
" Und wir versuchen zur Zeit diesen dynamischen Prozess nachzubilden. Das heißt: Oberflächen zu entwickeln, die ihre Eigenschaften ändern periodisch. Das ist etwas, um das platt auszudrücken, wo sich Mikroorganismen nicht wohl fühlen."
Hans-Curt Flemming hat bereits verschiedene Techniken ausprobiert, um den Bakterien das Leben schwer zu machen.
" Oberflächen elektrisch leitend zu machen und dann das Potential zu verändern, periodisch, das ist eine Möglichkeit. Dann wachsen die Bakterien da schlechter drauf an."
Noch experimentieren Forscher im Labor. Der Wettlauf zwischen Mensch und Biofilm geht in eine neue Runde.
Flemming: " Das ist natürlich eine Lebensform, die hat alles schon erfahren, was das Universum der Erde zu bieten hatte."
Abraham:
" Ich finde es ist eine absolut faszinierende Welt. Man muss sehen, dass diese Bakterien, so blöde sie sind, von ihrer genetischen Information jetzt gegenüber dem Menschen einen großen Vorteil haben, weil sie seit mindestens dreieinhalb Milliarden Jahren auf diesem Planeten existieren und sozusagen lange Zeit hatten, um zu üben, wie man am besten miteinander umgeht. Und wir müssen das lernen in unserem kurzen Leben, das zu verstehen und zu nutzen."
Flemming:
" Nehmen Sie mal die Seifeneinfüllschale von Ihrer Waschmaschine. Die kann man herausnehmen, und dann gucken Sie mal, wie es dahinter aussieht. Meine 90prozentige Voraussage ist: Da ist es schwarz. Dahinter bilden sich Biofilme noch und nöcher. Pilze wachsen da auch. Und das kommt tatsächlich von den biologisch abbaubaren Waschmitteln, von den niedrigen Waschtemperaturen und davon, dass keine Bleichmittel da sind."
" Ich finde es eine absolut faszinierende Welt."
" Das ist ein Universum erster Güte."
Vor 20 Jahren hat man erst mal zur Kenntnis genommen, dass es überhaupt Biofilme gibt. Die Biofilme sind nichts anderes als die globale Putzkolonne.
" Das Leben in der Umwelt und auch im Biofilm ist, glaube ich, ein sehr hartes."
" Das ist das glückliche Leben im Schleim."
" Schleim muss sein."
Die Welt wird von unzähligen Lebewesen besiedelt. Bis auf wenige Ausnahmen handelt es sich um Bakterien. Sie schwimmen frei im Wasser, wirbeln mit Staubkörnern durch die Luft und haften an Steinen. Wohl fühlen sich Bakterien aber nur in der Gemeinschaft. Sie schließen sich zusammen. Sie brauchen nur eine Oberfläche und ein wenig Wasser. Sie bilden eine feine durchsichtige Schicht von nur etwa einem hundertstel Millimeter. Zehnmal dünner als ein Menschenhaar. Das ist ein Biofilm, eine Lebensgemeinschaft verschiedener Bakterienarten. Auf der Fläche einer Ein-Cent-Münze leben Millionen von Bakterienzellen.
" Wir finden Biofilme eigentlich überall im Alltag. Zum Beispiel ein feuchter Stein in einem Bach, auf dem wir ausrutschen, der etwas glitschig auf der Oberfläche ist. Das sind Biofilme, die vielleicht nicht immer sichtbar sind, aber an allen feuchten Oberflächen vorhanden sind."
Armin Gieseke forscht am Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen. Er ist der einzige Spezialist für Biofilme an diesem Institut. Seine Kollegen erforschen Bakterien und andere Kleinstlebewesen meist auf Kulturschalen oder im Wasser. Immer wieder weist Armin Gieseke sie darauf hin, dass die Bakterien in der Natur oft anders leben: in Gemeinschaft. Im Biofilm.
" Was sich äußerlich als bräunliche, gelbliche oder auch mehr oder weniger farblose, glitschige Masse darstellt, ist unter dem Mikroskop sehr stark strukturiert. Wir finden Biofilme, die sehr eben, gleichmäßig, homogen und kompakt sind, es gibt aber auch Biofilme, die richtige pilzartige Strukturen bilden. Es gibt Kanäle, Hohlräume in diesen Biofilmen. Es gibt da ganz vielgestaltige Strukturen."
Diesen Lebensraum haben die Bakterien selbst geschaffen. Nach ihren eigenen Bedürfnissen. Der Schleim ist für sie Schutz- und Lebensraum.
" Es sind Verbindungen aus Eiweiß und Zuckermolekülen. Es ist viel Wasser dabei. Es gehören aber auch viele Salze und Nährstoffe dazu, die zum Teil auch dazu beitragen, dass das Gerüst stabil ist. Es kann ganz unterschiedlich gestaltet sein. Das hängt auch davon ab, welche Mikroorganismen diesen Biofilm gebildet haben."
Die Bakterien leben im Schleim wie Menschen in einer Großstadt.
" Es ist eine große Vielzahl von Leuten, die auf engem Raum zusammen leben. So ist das auch bei den Bakterien. In einer Stadt haben Sie Bäcker und Schlosser und viele andere Firmen und Betriebe, die alle ihrem eigenen Geschäft nachgehen, und bei den Bakterien ist es ähnlich. Ganz viele Gruppen leben zusammen, und jede geht sozusagen ihrem eigenen Geschäft nach, braucht aber auch bestimmtes Rohmaterial und Umgebungsbedingungen, um gedeihen zu können."
Einige Bakterien leben bevorzugt tief im Schleim, dort, wo es kaum Sauerstoff gibt. Dafür aber viele Nährstoffe, die sie brauchen. Andere mögen die äußeren Schleimschichten - mit frischem Wasser und reichlich Sauerstoff. Auch wenn das Leben dort gefährlich sein kann - denn: auch Biofilme haben Feinde.
Sommer in der Stadt. Vor dem Cafe. "Ja, der Platz ist noch frei."
Gewinnendes Lächeln. Sie führt die Espresso-Tasse an die leicht geschürzten,
rot geschminkten Lippen.
Blendend weiße Zähne.
Auf den ersten Blick ...
Auf dem Zahnschmelz: Ein weißer Belag. Dünn aber pelzig.
Bakterien warten auf Zucker. Sie fressen ihn.
Je mehr Zucker, desto mehr Säure bilden sie.
Die Folge: Karies.
" Kratzen Sie mit dem Fingernagel über ihre Zähne. Sie glauben vielleicht, unter dem Fingernagel, das sind Essens-Reste. Stimmt aber nicht. Das sind Bakterien. Genau gesagt: 85 % Schleim und 15 % Zellen. "
Zahnärzte nennen den Belag auf den Zähnen "Plaque".
Bill Costerton von der Montana State University ist der Erfinder des Begriffes "Biofilm". In der Zeitschrift "Scientific American" hat er ihn 1978 erstmals verwendet.
" Zwei Fachbereiche hatten schon immer mit Biofilmen zu tun: Zahnmedizin und Abwasser-Technik. Nur gingen Zahnärzte und Ingenieure davon aus, dass Bakteriengemeinschaften eher eine Ausnahme seien. Die Vorstellung, dass die meisten Bakterien in Biofilmen leben, das war eine neue Idee. Und heute wissen wir: Alle Bakterien tun dies."
Bis in die Achtzigerjahre hatten Mikrobiologen wenige Möglichkeiten, um Bakterien zu untersuchen. Sie mussten sie zunächst vereinzeln, um sie dann zu vermehren. In der Kulturschale oder in Nährflüssigkeit. Bei dieser Prozedur haben sie, ohne es zu wissen, bestehende Biofilme zerstört. Unter dem Mikroskop betrachteten sie immer nur frei schwimmende Zellen.
" Ich habe einen Farbstoff entdeckt. Als ich mit diesem Ruthenium Rot meine Proben anfärbte, staunte ich nicht schlecht: Der Raum zwischen den einzelnen Bakterien war plötzlich voller roter Fasern. Zum ersten Mal war es mir gelungen, den Schleim unter dem Mikroskop sichtbar zu machen. "
Bill Costerton war in den 80ger Jahren der erste Mikrobiologe, der sich ausschließlich mit Biofilmen beschäftigte. Seine Fachkollegen beachteten ihn zunächst kaum. Costerton bekam selten Gelegenheit, seine Forschungen auf Kongressen oder in Fachzeitschriften vorzustellen.
" Ich untersuchte Schleim und Schlimmeres. Manchmal sogar in Toiletten. Und so etwas stand bei vielen meiner Kollegen nicht hoch im Kurs. Für sie war es keine wirklich würdige Wissenschaft."
Besonders schwer taten sich die Mediziner. Eine Infektionskrankheit, das hieß für sie immer: Bakterien bewegen sich einzeln durch den menschlichen Körper. Sie vermehren sich, manche produzieren giftige Stoffe.
Bei dauerhaften, chronischen Bakterien-Infektionen stimmt dieses Bild nicht. Das wurde nach und nach auch Medizinern klar. Bill Costerton erforscht heute, wie Biofilme im menschlichen Körper krank machen können.
" Sie bekommen einen Schlauch gelegt im Krankenhaus, damit Ihr Urin aus der Blase abfließt. Bakterien lieben diese Katheter. Sie bilden einen Biofilm auf der Oberfläche. Im Biofilm sind sie geschützt vor Antibiotika. Es ist dann extrem schwer, die Bakterien umzubringen. Es gibt nur eine Chance, so eine Infektion in den Griff zu bekommen: Raus mit dem Katheter und eine hohe Dosis Antibiotikum."
Ob Katheter, Gefäßstützen, Herzklappen, oder Herzschrittmacher: Jede Prothese im Körper ist ein potentieller Lebensraum für Bakterien. An den glatten Oberflächen können sie haften und ihren Schleim bilden. Zellen des Immunsystems und Abwehrmoleküle kommen nicht an sie heran, denn die Prothese ist nicht durchblutet.
" Wenn jemand ein künstliches Hüftgelenk bekommt und darauf bildet sich ein Biofilm, dann ist dieser nahezu unangreifbar. Da können Sie so viel Antibiotika geben wie Sie wollen. Es hilft nichts. Die alte Hüft-Prothese muss raus und ersetzt werden. Für Patienten ein harter Schlag. Das Problem: Wenn Sie die Infektion dann immer noch nicht beseitigen können, dann bleibt nur die Amputation. Solche Infektionen sind wirklich gefährlich - wegen der Antibiotika-Resistenz."
Blauer Himmel über Duisburg. Studenten in Jeans und T-Shirt verlassen das Universitätsgebäude. Ein typischer 70er Jahre Bau. Sie schlendern Richtung Parkplatz. Vorbei an einer roten Ziegelmauer. Solide gemauert. So scheint es.
Auf den Steinen grüne und rötliche Flecken. Flechten. Zwischen den Steinen zerbröselter Mörtel. Hier und da wächst sogar Gras in den Fugen.
" Das sind Bakterien, die hier in dem Porensystem von den Steinen wachsen. Es gibt nämlich Bakterien, die auch Gestein zerstören. Jetzt gucken wir uns mal die Mauer an. Biofilm ist nämlich auch im geologischen Ausmaß an Verwitterung von Gestein auf der Erde beteiligt."
Hans-Curt Flemming ist Biofilm-Forscher der ersten Stunde - ein "Biofilmer" wie er sich nennt. Offiziell ist er Leiter des "Biofilm Centre" der Universität Duisburg-Essen.
" Was Sie hier sehen ist Moos, aber darunter sind auch jede Menge Bakterien. Und das hier wird ganz mürbe. Das ist Mörtel gewesen, und dieser Mörtel wird allmählich aufgelöst von Bakterien, die da drin sitzen. Das sind zum Beispiel nitrifizierende Bakterien. Die machen biogene Salpetersäure, und die Salpetersäure löst das Ding hier auf. Und Sie können erkennen, wie tief das reingeht. Diese Verwitterung wird dann verstärkt durch Moose, die darin wachsen. Das war mal Mörtel. Bauschäden."
Bauschäden für den Menschen. Für die Natur Teil des ökologischen Kreislaufs. Bakterien sind dabei für die Zersetzung zuständig.
" Die Biofilme sind nichts anderes als die globale Putzkolonne. Alles, was hier aufgebaut wird, wird wieder abgebaut. Und das wird zum allergrößten Teil von Biofilmen abgebaut. Die sitzen im Boden, die sitzen in der Kläranlage, die sitzen in Sedimenten, die sitzen in Flocken. Flocken, Bakterienflocken sind nicht anderes als schwimmende Biofilme. Im Prinzip haben die alle eine Struktur, die ist locker, das ist wie ein föderatives Leben."
" Unser Leben ist hierarchisch: Kopf ab - Mensch tot. Biofilm ist föderativ: Durchgeschnitten? Links und rechts geht es weiter."
Die gleichen Bakterien, die im Bach leben und dort das Wasser reinigen, leben auch in der Kläranlage. Der Mensch nutzt ihre Fähigkeit, organische Substanzen abzubauen.
" Für die Abwasser-Reinigung sind Biofilme das A und O - für die biologische Abwasser-Reinigung. Das sind die Arbeitspferde. Das heißt, in diesen Biofilmen - ob die nun als Flocken sind im so genannten Belebungsbecken... Ich liebe ja die Ingenieurs-Poesie. Hat man ein Becken voller Scheiße und nennt es Belebungsbecken. "
" Da ist ein pralles, vibrierendes Leben drin. Und diese Organismen, die fressen praktisch die Nährstoffe, die organischen Stoffe aus dem Wasser raus, wandeln sie in CO2 und Wasser um und in zusätzliche Biomasse. Das ist nachher der Klärschlamm."
" So, und das kann man optimieren, und das tut man in der Kläranlage, indem man den Schlamm konzentriert, indem man Sauerstoff zuführt zum Beispiel und indem man andere Bedingungen noch optimiert. Das ist das Prinzip, was man da benützt."
" Luft, ja, genau, Scheiße rühren, oder durchblasen, das gibt es auch."
Abwasser-Ingenieure versuchen heute, ihren Bakterien optimalen Komfort zu bieten. Das bedeutet auch: große Oberflächen, auf denen Bakterien ihren Biofilm bauen können.
" Ein Biofilm-Reaktor, da gibt es ganz unterschiedliche Formen. Also eine ganz simple Form ist der Tropfkörper. Der Tropfkörper ist nichts anderes als ein großer Bottich mit oberflächenreichem Gestein drin. Lava, Tuff oder so was, was viel Oberfläche hat. Die bietet man an, lässt Abwasser drüber rieseln, und jetzt setzen sich die Mikroorganismen auf diesem Lava-Tuff fest und machen genau das, was sie im Fluss auch machen würden, die fressen dann die Nährstoffe raus aus dem Abwasser. "
Prozesse, die in der Natur viel Zeit brauchen, sollen in einer Kläranlage im Zeitraffer ablaufen. Dazu wenden Ingenieure verschiedene Tricks an.
" Zum Beispiel gibt es Scheiben-Tauch-Körper, das ist nichts anderes als lauter Scheiben hier."
Hans-Curt Flemming greift nach einer CD auf seinem Schreibtisch. An ihr erklärt er das Prinzip.
" Die tauchen halb in Wasser rein, die sind aus Styropor, damit sie nicht so eine Last auf die Achse sind, und dann drehen die sich ganz langsam. Und da unten, so lange die im Wasser drin sind, sind die Mikroorganismen dabei, organische Stoffe zu verdauen, aber denen fehlt da der Sauerstoff - also gehen die hier oben wieder an die Luft, da kommt der Sauerstoff wieder in den Biofilm rein, tankt Sauerstoff und geht wieder da runter. Auf die Art und Weise wächst der Biofilm auf diesem Scheiben-Tauch-Körper. Aus dem Abwasser werden Nährstoffe entnommen, und das ist ein Teil der Abwasser-Reinigung. Das ist relativ aufwändig, das nimmt man, um bestimmte Reststoffe zu entfernen. "
Moderne Kläranlagen setzen auf solche Bioreaktoren. Sie bieten hohe Leistung auf kleinstem Raum.
" Die Kläranlage von Nizza zum Beispiel, das ist eine Biofilm-Reaktor-Anlage, die ist untergebracht in so einem Haus, wie einem Ferienhaus, sieht man nicht mehr. Die Kläranlage von Marseille, die ist als Kompaktanlage untergebracht unter dem Fußballfeld von Olympique Marseille."
Nachmittags im Hamburger Hafen.
Die Blaskappelle spielt.
Ausflügler drängen zum Kai. Da liegt sie: 345 Meter lang, 72 Meter hoch. 13 Decks, 1.310 Kabinen, 12 Küchen, 20 Restaurants, Tennisplätze und Golfanlage,
5 beheizte Swimmingpools. Hubschrauberlandeplatz, Planetarium, ein Theater mit 1.200 Sitzplätzen.
Die Queen Mary II glänzt in der Sonne.
Aber wie sieht es weiter unten aus?
Der Rumpf. Dort, wo er ins Wasser eintaucht: glibberig und grün.
" Auf Schiffen wachsen Biofilme, und diese Biofilme führen dazu, dass ein Schiff langsamer wird. Also ein Biofilm von 100 Mikrometer Dicke, das ist ein Zehntel Millimeter, der führt bei so einem Tanker schon zu einer Geschwindigkeitsverringerung von sieben bis zehn Prozent. das ist alles nichts anderes als Öl, das man da mehr verbraucht. Sieben bis zehn Prozent ist eine Menge."
Abraham:
" Schleim muss sein. Der Schleim ist eigentlich so der Reaktionsraum für die Bakterien. "
Wolf-Rainer Abraham von der Gesellschaft für Biotechnologische Forschung (GBF) in Braunschweig. Er leitet die Arbeitsgruppe Chemische Mikrobiologie und erforscht, wie verschiedene Bakterien im Biofilm zusammen leben.
" Das Leben in der Umwelt und auch im Biofilm ist, glaube ich, ein sehr hartes. Nur, wer sozusagen alle Möglichkeiten ausschöpft, hat eine Chance zu existieren. Sonst gehen sie unter. "
Bakterien können wahre Hungerkünstler sein. Einige von ihnen kommen Monate oder Jahre ohne Nahrung aus. Ihr Stoffwechsel ist auf ein Minimum reduziert. Leben auf Sparflamme. Im Biofilm ist das unmöglich.
" Faul sein geht überhaupt nicht. Faul sein, haben wir gesehen: im Boden gibt es viele, die vor sich hin sitzen und auf bessere Zeiten warten. Im Biofilm haben wir es nie gesehen. Die sind alle aktiv. Das scheint ein Prinzip des Biofilms zu sein. Nur, wer sich aktiv beteiligt, hat eine Daseinsberechtigung darin."
Im Biofilm gilt das Prinzip: Arbeitsteilung. Und ständige Kommunikation über Signalstoffe.
"Sie reden miteinander, und sie reden untereinander. Positiv und negativ. Wir kennen einige der Stoffe, die sie nutzen, um miteinander zu reden. Und wir kennen einige Prinzipien, die sie haben, um die Unterredung der anderen zu stören und auszunutzen. "
Wolf-Rainer Abraham will Biofilme auch gezielt beeinflussen, damit sie besser als von Natur aus Umweltgifte abbauen können. Zunächst versuchte er, besonders leistungsfähige Bakterien in schon bestehende Biofilme zu integrieren. Ohne Erfolg.
" Diese Biofilm-Gemeinschaft ist eine recht geschlossene Gemeinschaft, die sehr selten andere mitspielen lässt. Ich denke, es sind einfach Nischen, die besetzt sind. In dem Biofilm sind einfach alle Nischen besetzt. Und die neu hinzukommenden haben einfach keine Chance. "
" Es gibt offensichtlich sehr breite Interaktionen zwischen den Bakterien in den Biofilmen, die sehr fein aufeinander abgestimmt sind. Wenn derjenige, der da kommt, nicht sehr gut diesen Ton trifft, der dort gebraucht wird, hat er keine Chance mitzuspielen, selbst wenn er ein Kraftprotz ist auf seinem Gebiet und die anderen sind schlechter. Aber er muss sich einpassen in die Gemeinschaft. Und wenn er das nicht kann, - was sehr unwahrscheinlich ist, dass ein neu hinzukommender das kann, dann darf er nicht mitspielen."
Die eingeschleusten Bakterien können sich nicht vermehren. Sie gehen zu Grunde und dienen den alteingesessenen Biofilm-Bewohnern als Nahrung. Aber es ist möglich, verschiedene Biofilme zu vermischen.
" Das können wir eigentlich nur durch Ausprobieren machen, indem wir einfach verschiedene Bakterien zusammen kippen und gucken, wer bereit ist, miteinander einen Biofilm zu bilden, aber das funktioniert durchaus."
Ein neuer Biofilm entsteht. Mit neuer Arbeitsteilung und ganz neuen Spielregeln. Einige Bakterienarten finden ihre Rolle - die anderen gehen zu Grunde.
" Ich denke, das Individuum zählt nicht allzu viel. Es gibt sogar eine Unterwerfung des Individuums in der eigenen Gruppe unter die Interessen der Gruppe. Es gibt Berichte: wenn ein Biofilm unter sehr harten Bedingungen also eigentlich am Verhungern ist, dass es so eine Art Selbstmordsignal in der Zelle gibt, wo einige Zellen sich auflösen, sterben, damit andere diese Substanzen nutzen können, um zu überleben. "
Kannibalismus im Schleim. Ein weit verbreitetes Phänomen. Wertvolle Ressourcen wie Eiweiße, Fette und sogar Erbmoleküle lassen sich so wiederverwerten.
" Es gibt auch den Fall, wo dieses Auflösen der Zellen damit verbunden ist, dass der Biofilm sich auflöst. Und dadurch die energetischen Reserven frei gesetzt werden, dass der Biofilm sich von innen heraus auflöst und dann eben zu besseren Bedingungen schwimmen kann. Das ist ein sehr eigenwilliges Prinzip von diesen kleinen, doch sehr einfach gestrickten Bakterien."
Im Biofilm leben oft viele verschiedene Bakterienarten mit unterschiedlichem Erbgut. Aber es ist nicht wie bei Säugetieren oder anderen höheren Lebewesen, dass jede Art ihr Erbgut für sich behält. Unter den Bakterien herrscht ein lebhafter Handel mit Erbanlagen. Wissenschaftler sagen: Biofilme nutzen einen gemeinsamen Gen-Pool.
Ein Biofilm verhält sich beinahe wie ein einziger Organismus.
" Man hat vielfach gesagt, das ist der erste Entwurf der Natur zu höheren Organismen. Ich würde ein bisschen vorsichtiger sein, einfach deswegen, weil dieser Biofilm viel mehr Möglichkeiten hat. Er kann sich die Zellen heranholen, die ihm nutzen für diese Aufgabe oder für das Überleben, was er hat. Und er kann andere raus schmeißen, die ihm nicht mehr passen. Wenn die Bedingungen anders sind, fliegen einige raus. Das kann ein höherer Organismus nicht. Der kann nicht sagen: Meine Leber ist krank, ich schmeiße sie weg. Das kann er schon machen, aber er wird es nicht überleben. Der Biofilm ist in der Lage, sehr flexibel auf die Bedingungen zu reagieren. Insofern würde ich ihn schon als Organismus bezeichnen aber als einen Organismus unter sehr speziellen Bedingungen."
Biologen staunen immer wieder, wenn sie die Anpassungsfähigkeit der Biofilme erforschen. Dasselbe Phänomen bereitet Medizinern allerdings große Probleme, wenn sie chronische Infektionen heilen wollen.
" Deswegen möchte man eben die Biofilme zerstören und das heißt die Kommunikation der Bakterien unterbrechen, so dass die Bakterienzelle zum Schluss kommt: Es gibt keinen Kollegen und anfängt, sich aus dieser Matrix wieder zu lösen. Denn so lange sie die Kommunikation hat, so lange sie weiß, dass mehrere Zellen da sind, bleibt sie in diesem Biofilm drin sitzen."
Wie gefährlich Schleim für Menschen sein kann, zeigt sich bei der erblichen Krankheit "Mukoviszidose". Das ist das Forschungsgebiet von Susanne Häußler von der GBF
" Die Mukoviszidose ist eine genetische Erkrankung, die vor allem charakterisiert ist durch die Bildung eines sehr zähen Schleims. Und der spielt natürlich für die Entstehung der Krankheit eine ganz wichtige Rolle. Und wir sehen es eher so, dass der Schleim eine wichtige Grundlage ist für die Infektion. Das heißt, da können sich die Bakterien besonders gut festsetzen. "
Die Bakterien nisten sich in der geschädigten Lunge ein und bilden abgekapselte Kolonien. Auch das sind Biofilme.
" Es gibt bestimmte Bakterien, die besonders dafür prädestiniert sind, sozusagen, und das ist besonders pseudomonas aeruginosa, der bildet zusätzlich selber eine sehr starke extrazelluläre Matrix, also sprich: auch Schleim und so, dass der sich innerhalb der Mukoviszidose-Lunge einkapselt in solchen Mikrokolonien."
" Die Bakterien in den Biofilmen sind gut geschützt, und das Immunsystem und auch unsere Antibiotika können dann da nicht mehr dran. "
" Für die Aufrechterhaltung dieser Strukturen ist es notwendig, dass die Bakterien über ihre Umgebung Bescheid wissen sozusagen. Ganz wichtig ist dabei, das sie wissen, wie viele sie sind."
"Quorum-sensing" heißt dieses Prinzip. Die Bakterien bilden Signalstoffe. Ab einer gewissen Menge dieser Stoffe im Schleim wissen die Bakterien: Wir sind viele. Wir halten zusammen im Biofilm. Das bedeutet auch, dass sie sich gemeinsam gegen das körpereigene Abwehrsystem des Infizierten wehren.
Herkömmliche Antibiotika wirken nicht. Mediziner suchen nach neuen Strategien. Susanne Häußler will den Gemeinschaftssinn der Bakterien brechen. Dazu eignet sich ein Wirkstoff, den die Mediziner schon lange kennen.
" Man hat festgestellt, dass ein so genanntes Makrolid-Antibiotikum und zwar da besonders Azetromycin, dass wenn man dieses Antibiotikum den Patienten gibt, dass es ihnen deutlich besser geht. Und dass sie sehr davon profitieren. Und das ist erstaunlich gewesen, weil Azetromycin im Grund genommen nicht wirksam ist gegen Pseudomonas, sprich: diese Konzentrationen töten die Bakterien gar nicht ab."
Aber Azetromycin stört das Quorum-sensing der Bakterien. Sie wissen nicht mehr, dass sie viele sind. Und ihr Teamwork funktioniert nicht mehr. Ein Vorteil für das Immunsystem des Mukoviszidose-Patienten.
" Die Bakterien sind also geschwächt durch Azetromycin, sie werden nicht direkt gekillt, das Immunsystem hat eine größere Chance, sie zu killen. Wenn wir dann noch eine Unterstützung durch Antibiotika hätten, ist es durchaus denkbar, dass es besonders effektiv ist. "
Das Beispiel zeigt: Bakterien, die sich in einem Biofilm organisiert haben, müssen anders bekämpft werden als frei schwimmende Bakterien. Tatsächlich haben Forscher in den letzten Jahren schon viele Moleküle entwickelt, die die Verständigung der Bakterien gezielt stören. Die meisten dieser Substanzen aber sind für den Menschen giftig.
Das Antibiotikum Azetromycin ist eine Ausnahme. Für den Menschen ist es verträglich. Der Nachteil: Es stört allein das Quorum sensing von Pseudomonas Bakterien.
Es ist schon weit nach Mitternacht.
Die letzten Party-Gäste diskutieren in der Küche.
Ein letztes Bier im Stehen,
Neben der Spüle, das Geschirr.
Nicht nur Nachtschwärmer fühlen sich wohl, in der Küche.
Schauen wir genauer hin.
Unter die Spüle zum Beispiel.
" Wenn Sie das aufmachen, dann sehen Sie hier den Siphon. Dieser Siphon ist ein Lebensraum erster Güte. Da kriegen Sie alle Bakterien an der Wand, die jemals hier herein gespült worden sind. Hier hat man bestimmt 10 hoch 7 bis 10 hoch acht Zellen pro Quadratzentimeter. 10 hoch sechs sind eine Million, also fast eine Milliarde."
Hans-Curt Flemming, der "Biofilmer" aus Duisburg, gerät ins Schwärmen. Für ihn läuft in jeder Küche ein mikrobiologisches Langzeit-Experiment ab.
" Ein nettes Biotop ist auch so ein Schwamm. der ist trocken, Das ist gut. Normalerweise liegt der erstmal eine Weile bis er ausgetrocknet ist. Hier hat man auch das bunte Leben drin. Dieser Spüllappen, der liegt ja meist zusammengeknüllt irgendwo herum. Das bedeutet, dass er lange feucht ist. Je länger er feucht ist, desto länger können die Bakterien wachsen. Das ist der limitierende Faktor: Die Feuchtigkeit. Also: Spüllappen einfach offen aufhängen und trocknen lassen. das ist schon mal die halbe Miete."
Menschen bauen Häuser, Schiffe, Kraftwerke. Als Material dienen Stahl, Stein oder Holz. Aus Sicht des Mikrobiologen sind das alles Oberflächen - und damit potentielle Lebensräume.
" Es gibt eigentlich in der Umwelt keine Oberflächen, die nicht bewachsen werden. Über kurz oder lang werden alle bewachsen. Es dauert nur unterschiedlich lang."
" Aber es gibt in der Natur Pflanzen und Tiere, die werden überhaupt nicht bewachsen. Und da ist natürlich interessant herauszufinden, wie die das machen, und das hat man natürlich untersucht. Interessanterweise sind das alles dynamische Oberflächen. Das sind Oberflächen, die sich verändern. Entweder bilden die immer wieder Schleim. Auf dem Schleim wächst der Biofilm und wird dann praktisch abgeschilfert, oder sie bilden Signalmoleküle, mit denen andere Mikroorganismen abgeschreckt werden, oder manche Tiere haben so etwas wie Scheibenwischer. Sie wischen oder häuten sich. Aber alle sind dynamisch und haben mehr als eine Verteidigungsstrategie. "
Die Oberflächen von Bauwerken und Maschinen verändern sich nicht. Sie sind den Angriffen der Biofilme ausgeliefert.
" Und wir versuchen zur Zeit diesen dynamischen Prozess nachzubilden. Das heißt: Oberflächen zu entwickeln, die ihre Eigenschaften ändern periodisch. Das ist etwas, um das platt auszudrücken, wo sich Mikroorganismen nicht wohl fühlen."
Hans-Curt Flemming hat bereits verschiedene Techniken ausprobiert, um den Bakterien das Leben schwer zu machen.
" Oberflächen elektrisch leitend zu machen und dann das Potential zu verändern, periodisch, das ist eine Möglichkeit. Dann wachsen die Bakterien da schlechter drauf an."
Noch experimentieren Forscher im Labor. Der Wettlauf zwischen Mensch und Biofilm geht in eine neue Runde.
Flemming: " Das ist natürlich eine Lebensform, die hat alles schon erfahren, was das Universum der Erde zu bieten hatte."
Abraham:
" Ich finde es ist eine absolut faszinierende Welt. Man muss sehen, dass diese Bakterien, so blöde sie sind, von ihrer genetischen Information jetzt gegenüber dem Menschen einen großen Vorteil haben, weil sie seit mindestens dreieinhalb Milliarden Jahren auf diesem Planeten existieren und sozusagen lange Zeit hatten, um zu üben, wie man am besten miteinander umgeht. Und wir müssen das lernen in unserem kurzen Leben, das zu verstehen und zu nutzen."
Flemming:
" Nehmen Sie mal die Seifeneinfüllschale von Ihrer Waschmaschine. Die kann man herausnehmen, und dann gucken Sie mal, wie es dahinter aussieht. Meine 90prozentige Voraussage ist: Da ist es schwarz. Dahinter bilden sich Biofilme noch und nöcher. Pilze wachsen da auch. Und das kommt tatsächlich von den biologisch abbaubaren Waschmitteln, von den niedrigen Waschtemperaturen und davon, dass keine Bleichmittel da sind."