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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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4Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
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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5Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
1. Biofilmbildung
Quellen: [1] http://www.biofilm.montana.edu/files/CBE/images/r2003_PSTO_BFIN3STEPS.feature%20blurb.jpg
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6Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
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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7Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
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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8Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
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
9Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
Biofilmbildung in 8-well Kammer Kristallviolett- Färbung Fluoreszenzfärbung Rasterelektronenmikroskop Calgary biofilm device
4. Quantifizierung1 2 3 4 5 6
10Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
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
11Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
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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12Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
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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13Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
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
15Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
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
5.1. Inhibierung von Biofilmen
- Surfactin -
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17Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
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
18Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
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
5.2. Inhibierung von Biofilmen
- Rhamnolipide -
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19Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
Biofilmbildung von P. aeruginosa auf Deckglas
5.2. Inhibierung von Biofilmen
- Rhamnolipide -
a) nach 48h Wachstum b) nach 30-minütiger Behandlung mit
Rhamnolipiden (5%)
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20Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
5.2. Inhibierung von Biofilmen
- 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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21Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
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
22Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents
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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