Lotuseffekt schützt Bakterien-Festungen

Wassertropfen auf einem Lotusblatt. (Foto: C. Falcón Garcia / Technische Universität München)

Zahnbelag, zähe Schichten auf medizinischen Geräten...: In den gefürchteten Biofilmen verschanzen sich Bakterien vor Störeinflüssen und Bekämpfungsmaßnahmen. Über diese schleimigen Burgen haben Forscher nun etwas Erstaunliches herausgefunden: Die Mikroben können die Oberfläche ihres Biofilms wasserabweisend machen. Der Effekt basiert dabei auf einem ähnlichen Prinzip wie bei Blättern, an denen das Wasser abperlt, zeigen die Untersuchungen.

Nicht durch Spülen wegzukriegen! Mikroorganismen, die Biofilme bilden, können sich erstaunlich effektiv vor fließendem Wasser schützen. Nicht nur in Abflussrohren, sondern auch an medizinischen Implantaten oder Schläuchen kann das ein großes Hygiene-Problem darstellen. Es war bereits bekannt, dass diese Hartnäckigkeit unter anderem auf den manchmal wasserabweisenden Eigenschaften der Beläge beruht. Diesem und weiteren Merkmalen der Biofilme sind nun Forscher um Oliver Lieleg von der Technischen Universität München auf den Grund gegangen: Mit konfokalen Reflexions-Lichtmikroskopen haben sie die schleimigen Burgen detailliert ins Visier genommen.

Biofilm ist nicht gleich Biofilm

"Unsere erste Erkenntnis war: Biofilm ist nicht gleich Biofilm – auch wenn er von der selben Bakterienart erzeugt wird", sagt Oliver Lieleg. Konkret stellten die Forscher fest: Das Bodenbakterium Bacillus subtilis kann erstaunlicherweise verschiedene Biofilme mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften gegenüber Benetzung durch Wasser herstellen. Bei einer Version breiten sich Wassertropfen fast sofort auf der Oberfläche aus, bei einer anderen rollen sie hingegen von der Oberfläche herunter und bei einer dritten bleiben die Wassertropfen trotz kugeliger Form auf der Oberfläche haften.

Weitere Analysen der Forscher offenbarten dann, dass die Effekte auf Konzepten basieren, die aus der Pflanzenwelt bekannt sind: dem wasserabweisenden Verhalten der Blätter von Lotuspflanzen beziehungsweise von Rosen. Lieleg und seine Kollegen konnten nachweisen, dass die wasserabweisenden Oberflächenstrukturen tatsächlich einschlägige Ähnlichkeiten zu denen der Pflanzenblätter besitzen: Der Biofilm ist durch raue Strukturen sowohl im Mikrometer- als auch im Nanometerbereich geprägt, die dazu führen, dass die Benetzung mit Wasser erschwert wird - so wie bei den Blättern.

Potenzial für Bekämpfungsmaßnahmen

Beim Lotus-Effekt werden kleine Luftbläschen zwischen dem Wassertropfen und der Oberfläche des Blattes eingeschlossen, beim Rosenblatt-Effekt dagegen nicht. Deshalb perlen Wassertropfen von Lotusblättern ab, haften aber an Rosenblättern. Ähnliches ist auch bei den beiden Versionen des Biofilms der Fall, berichten die Forscher. Ihnen zufolge hängt es von den Nährstoffen ab, die die Bakterien beim Wachstum vorfinden, ob sich ein Biofilm eher wie ein Lotus- oder wie ein Rosenblatt verhält.

Wie Lieleg und seine Kollegen betonen, steckt in den Ergebnissen Potenzial für die Entwicklung von neuen Bekämpfungsstrategien gegenüber Biofilmen. Es gilt, die wasserabweisenden Merkmale auszuschalten, denn sie können verhindern, dass Antibiotika und anderen Chemikalien die Mikroben erreichen. "Wenn ein antibakterieller Stoff die Oberfläche eines Biofilms gar nicht erreicht, weil er abperlt, dann kann er auch nicht wirken. Wir müssen deshalb diese wasserabweisende Oberflächentextur verändern", erklärt Lieleg. "Das wäre ein neuer Ansatzpunkt, um Biofilme von Oberflächen wie Rohren, Kathetern oder infizierten Wunden zu entfernen", so der Wissenschaftler. Diesem Ziel wollen sich er und seine Kollegen nun weiter widmen.

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