MSU-Forscher wollen mittels 3D-Drucktechnologie die Biofilmforschung voranbringen

Die Bekämpfung lebensbedrohlicher bakterieller Infektionen, die Reduzierung von Schleim, der Rohre verstopft, und die Verhinderung von Zahnbelag – all das könnte eines Tages von einer neuen Technologie profitieren, die von Forschern der Montana State University entwickelt wird.

Wenn Bakterien und andere Mikroben an Oberflächen haften und schleimige Matten bilden – Biofilm genannt -, bilden sie komplexe Gemeinschaften, die oft gegen herkömmliche Desinfektionsmittel resistent sind. Jetzt entwickeln die Wissenschaftler des MSU-Zentrums für Biofilm-Engineering ein Werkzeug zur Replikation der mikrobiellen Mosaike, um innovative Behandlungsmethoden zu untersuchen.

“Wir freuen uns, erste Einblicke in diese Technologie geben zu können”, sagt Isaak Thornton, der im Bereich Maschinenbau promoviert.

Thornton und die Mikrobiologie-Doktorandin Kathryn Zimlich werden ihre Arbeit auf dem jährlichen Montana Biofilm Meeting in Bozeman vom 12. bis 14. Juli vorstellen, bei dem Forscher und Industriepartner aus der ganzen Welt zusammenkommen, um die neuesten Erkenntnisse der Biofilmwissenschaft zu diskutieren.

In den vergangenen zwei Jahren haben Zimlich und Thornton ein 3D-Druckgerät entwickelt und getestet, mit dem sich ein Gitter aus einzelnen Bakterien in Hydrogel – einer klaren, wackelpuddingartigen Substanz – präzise auslegen lässt. Dank der Fortschritte im 3D-Druck können die Forscher die Mikroben in den Tropfen des flüssigen Hydrogelharzes abbilden und dann das Material mit Laserlicht verfestigen, so dass ein rudimentärer Biofilm entsteht.

“Wir können die Zellen genau dort anordnen und einkapseln, wo wir sie haben wollen”, sagt Thornton, der die Forschung im Labor von Jim Wilking, außerordentlicher Professor am Department of Chemical and Biological Engineering des Norm Asbjornson College of Engineering der MSU, durchführt.

Bislang haben Zimlich und Thornton nur eine einzige Bakterienart verwendet, doch wenn sie den 3D-Drucker für mehrere Durchgänge mit jeweils einer anderen Bakterienart oder einem anderen Bakterienstamm einsetzen, könnten sie damit beginnen, die in der Natur vorkommenden komplexeren und mehrschichtigen Biofilme zu erzeugen. Durch die Zugabe eines fluoreszierenden Farbstoffs zu den Bakterien können die Forscher die Mikroben mit speziellen Mikroskopen leicht erkennen und so die Interaktionen zwischen den Zellen untersuchen.

“Selbst die einfachsten Biofilmsysteme sind kompliziert”, so Zimlich. “Es ist wie ein Wald, in dem es eine große Vielfalt gibt. Wir brauchten neue Werkzeuge, um zu sehen, wie sich diese Vielfalt entwickelt und aufrechterhalten wird.”

Es ist bekannt, dass die dynamische Umgebung innerhalb eines Biofilms dazu beitragen kann, dass Mikroben gegen herkömmliche Behandlungen resistent werden. Der MSU-Professor und langjährige Biofilm-Forscher Phil Stewart hat gezeigt, dass ein Bakterium, das häufig gefährliche Wundinfektionen verursacht, gegen Antibiotika resistent ist, weil die Zellen in der unteren Ebene des Biofilms von Sauerstoff und anderen Verbindungen abgeschnitten sind, was sie in einen Ruhezustand versetzt und dadurch ihre Biologie so verändert, dass das Medikament unwirksam wird.

“Es wird immer deutlicher, dass es möglich ist, diese pathogenen Bakterien zu behandeln, indem man die interaktive Biofilm-Umgebung verändert, anstatt zu versuchen, scharfe chemische Produkte zu verwenden”, sagte Zimlich, dessen Forschungsberater Matthew Fields, Direktor des Zentrums für Biofilm Engineering, ist.

Bei der Behandlung könnten zum Beispiel harmlose Bakterien eingeführt werden, die mit den schädlichen Mikroben konkurrieren und den schützenden Biofilm unterbrechen. Die Entwicklung solcher Behandlungen erfordert viele Tests in einer kontrollierten Laborumgebung, und hier kommt das neue 3D-Druckwerkzeug ins Spiel.

“Wir glauben, dass es möglich ist, Analogien zu konstruieren, wie sich diese pathogenen Biofilme auf natürliche Weise bilden”, so Zimlich.

Das könnte für die Teilnehmer der Biofilmtagung von großem Interesse sein. Unternehmen wie Procter & Gamble, 3M und Ecolab sowie die NASA sind daran interessiert, neue Wege zur wirksamen Kontrolle problematischer Biofilme zu entwickeln, so Paul Sturman, der die Arbeit des Zentrums mit seinen rund 30 Industriepartnern koordiniert.

“Es geht wirklich darum, ihnen bei der Entwicklung nützlicher Produkte zu helfen”, so Sturman. “Das Treffen ist eine großartige Möglichkeit für unsere Mitglieder, sich über den neuesten Stand der Biofilmforschung zu informieren. Und wir können unsere Arbeit präsentieren, die wir leisten und zu der wir in der Lage sind.”

Seit seiner Gründung vor mehr als 30 Jahren ist das Center for Biofilm Engineering weltweit tätig in der Erforschung von Biofilmen und leistet Pionierarbeit mit einem interdisziplinären Ansatz, der verschiedene Bereiche des Ingenieurwesens, der Mikrobiologie und anderer Fachgebiete miteinander verbindet, um Probleme aus der Praxis zu lösen. Das ist es, was Thornton an dem Projekt reizte, sagte er.

“Ich freue mich über die Möglichkeit, meine Fähigkeiten im Maschinenbau einzubringen, um Mikrobiologen bei der Beantwortung einer neuen Generation von Fragen zu helfen”, so Thornton.

Zimlich stimmt ihm zu. “Wir müssen zusammenarbeiten”, sagte sie. “Ich denke, dass dies einer der besten Orte der Welt ist, um diese Fragen zu erforschen”.

Mehr über das MSU-Zentrum für Biofilm-Engineering finden Sie hier.