Chemie und Mikrobiologie

Biofilmbildung mit Cerdioxid verhindern

Nanopartikel aus Cerdioxid können biologische Prozesse beeinflussen, indem sie Signalmoleküle, die für die Kommunikation von Zellen untereinander von Bedeutung sind, verändern.

© Artur/stock.adobe.com

Bakterien lieben feuchte Oberflächen. Haben sie sich dort niedergelassen, leben bilden sie größere Gemeinschaften, die mit einem Schutzfilm umgeben sind. Diese Biofilme findet man auf verschiedenen Oberflächen, etwa im Haushalt an Lichtschaltern, im Badezimmer, auf Spielzeug oder Tastaturen, an Einkaufswagen oder Bankautomaten, die viele Menschen mit ihren Händen berühren. Dies kann zu Kontaktinfektionen führen. Die Keime, beispielsweise der pathogene Keim Pseudomonas aeruginosa, sind oft hartnäckig und trotzen der körpereigenen Abwehr oder chemischen Bioziden. Daher suchen Forschende an Möglichkeiten, die bakterielle Besiedlung von Materialoberflächen zu verhindern oder zumindest zu erschweren. Ein Team der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) in Koblenz hat nun einen neuen Ansatz mithilfe von Cerdioxid-Nanopartikeln entwickelt.

Veränderte Signalmoleküle

Für das Leben der Bakterien in Gemeinschaften erfolgt die Kommunikation der einzelnen Zellen mithilfe von Signalmolekülen, die kontinuierlich an die Umgebung abgegeben werden. Mit steigender Bakterienkonzentration steigt auch die Konzentration der Signalmoleküle. So können Bakterien die Zahl anderer Bakterien in ihrer Umgebung erkennen und Prozesse aktivieren, die die Bildung von Biofilmen ermöglichen.

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LEGO-Stein, (kommerziell) behandelt mit Polyurethanlack (links) und mit Polyurethanlack mit CeO2-Nano‑partikeln (rechts). © AK Wolfgang Tremel, JGU

Um die Besiedlung mit bakteriellen Biofilmen zu verhindern, verteidigen sich verschiedene Wirte mit einer Strategie, die die Bakterien durch eine enzymatische Veränderung der Signalmoleküle im übertragenen Sinne „mundtot“ macht. Dies erfolgt zum Beispiel mithilfe von Haloperoxidasen, einer Gruppe von Enzymen, die über eine komplexe Reaktionskette die Signalmoleküle halogenieren.

Diese veränderten Signalmoleküle besitzen eine ähnliche Struktur wie die Ausgangsmoleküle und können noch an Rezeptoren binden. Sie können aber nicht mehr die Prozessketten aktivieren, die zur Bildung von Biofilmen führen. Dieser Eingriff in die bakterielle Genregulation ist auch von pharmakologischem Interesse, denn pathogene Bakterien können sich durch die Bildung von Biofilmen dem Angriff der Immunabwehr oder der Wirkung von Antibiotika entziehen.

Vergleichbar mit Funktionen von Enzymen

CeO2-Nanopartikel sind, so schreiben die Mainzer und Koblenzer Forscherinnen und Forscher im Wissenschaftsjournal ACS Nano, ein funktioneller Ersatz für Haloperoxidase-Enzyme. Die molekularen Mechanismen, die der Biofilmhemmung zugrunde liegen, sind jedoch im Detail schwer zu entschlüsseln, da in Bakterienkulturen nicht nur viele Konkurrenzreaktionen ablaufen, sondern neben den halogenierten Signalmolekülen auch massenhaft andere Biomoleküle vorhanden sind.

Die LEGO-Steine nach Inkubation in einer Kultur von P.aeruginosa. Nach 72 Stunden zeigten die Bausteine ohne CeO2-Lack (links) einen starken Bakterienbelag, die Bausteine mit CeO2-Lack da‑gegen nicht (rechts). © AK Wolfgang Tremel, JGU

Die Kooperationspartner aus Mainz und Koblenz weisen die Enzym-analoge katalytische Beteiligung der CeO2-Nanopartikel über eine Analyse der Reaktionskaskade auf molekularer Ebene nach. Die halogenierten Signalmoleküle wurden zunächst in Modellreaktionen identifiziert. In Bakterienkulturen war ihr Nachweis zwar nicht direkt möglich, da die Produkte zu schnell abgebaut werden. Die chromatographische Aufarbeitung und massenspektrometrische Analyse zeigte aber völlig unerwartet die Bildung weiterer halogenierter Signalmoleküle aus der Familie der sog. Chinolone. Dies zeigt, dass die CeO2-Nanopartikel genau wie native Enzyme in biologische Prozesse eingreifen, indem sie Signalmoleküle verändern und inaktivieren.

Resistenzbildung vermeiden

„Cerdioxid ist ungiftig, chemisch sehr stabil und beispielsweise in modernen Abgaskatalysatoren von Fahrzeugen enthalten“, merkt Dr. Eva Pütz an, die ihre Doktorarbeit in diesem Projekt durchführte. Sie ist überzeugt, dass Cerdioxid eine praktikable und kostengünstige Alternative zu konventionellen Bioziden ist. „Eine praktische Anwendung unserer Befunde ist die Blockade des Bakterienwachstums und die Verhinderung bakterieller Infektionen. Die Chinolon-Signalmoleküle führen bei dem multiresistenten Bakterium Staphylococcus aureus zur Bildung kleiner Kolonievarianten, die diagnostisch oft nicht nachweisbar sind. Da die halogenierten Chinolon-Signalmoleküle die Koloniebildung unterdrücken, können zum Beispiel gefährliche Infektionen durch P. aeruginosa und S. aureus mithilfe von Lackdispersionen, in denen CeO2-Nanopartikel enthalten sind, verhindert werden“, fügt Dr. Athanasios Gazanis hinzu, der die mikrobiologischen Aspekte in seiner Doktorarbeit untersuchte.

„Wir haben hier eine umweltverträgliche Komponente für eine neue Generation von antibakteriellen Oberflächen, die das Verteidigungssystem der Natur nachahmen. Vor allem funktioniert es nicht nur im Labor, sondern auch im täglichen Gebrauch“, so Nils Keltsch, der die biologische Spurenanalytik im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte. Die Gefahr bei der Bekämpfung von Biofilmen mit Bioziden und Antibiotika ist die Resistenzbildung. Dies könnte jedoch durch Beschichtungen von Polymeren mit CeO2-Nanopartikeln wirkungsvoll und umweltfreundlich umgangen werden.

Publikation:
Eva Pütz, Athanasios Gazanis, Nils Gert Keltsch, Olga Jegel, Felix Pfitzner, Ralf Heermann, Thomas A. Ternes, Wolfgang Tremel: Communication Breakdown: Into the Molecular Mechanism of Biofilm Inhibition by CeO2-Nanocrystal Enzyme Mimics and How It Can Be Exploited, ACS Nano 16: 10, 16091-16108, 29. September 2022.DOI: 10.1021/acsnano.2c04377

Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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