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{ Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents I.M. Banat et al., Applied Microbiology and Biotechnology, 2014 Seminar von Sandra Selzer Betreuer:

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1 { Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents I.M. Banat et al., Applied Microbiology and Biotechnology, 2014 Seminar von Sandra Selzer Betreuer: Hr. Prof. Dr. Kohring

2 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 5.1. Lipopeptide 5.2. Glykopeptide 5.2. Glykopeptide 6. Zusammenfassung Agenda 2 Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents

3 „...Akkumulation einzelner Bakterienzellen und Mikrokolonien an der Grenzfla ̈ che zwischen zwei verschiedenen Phasen. Ein Biofilm ist wie eine kleine Stadt, in der die Zellen, die nur 1 oder 2 µm lang sind, Hochhäuser bauen die hunderte µm hoch sein können. Die „Straßen“ zwischen den Hochhäusern sind flüssigkeitsgefüllte Kanäle, die Nährstoffe, Sauerstoff und andere Bestandteile zu den Biofilmgemeinschaften bringen.“ 1. Biofilm - Definition Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 3 Quellen: [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 1 2 3 4 5 6

4 1. Biofilme Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 4  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 1 2 3 4 5 6

5 1. Biofilmbildung Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 5 Quellen: [1] http://www.biofilm.montana.edu/files/CBE/images/r2003_PSTO_BFIN3STEPS.feature%20blurb.jpg 1 2 3 4 5 6

6  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 Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 6 Quelle: [1] http://www.allianz-reinigungstechnik.de/de/projekte/biotenside/_jcr_content/stage/image.img.jpg/ Banner_Biotenside.1383324053462.jpg 1 2 3 4 5 6

7  zellulärer Metabolismus  Bewegung  Abwehr  als quorum-sensing Moleküle  Schmiermittel  Aufnahmesteigerung von schlecht löslichen Substraten  Immunmodulation  Virulenzfaktoren  Sekundärmetabolite  antimikrobielle Faktoren 2. Biotenside: Funktion Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 7 1 2 3 4 5 6

8  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. Oberflächen Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 8 1 2 3 4 5 6

9  Biofilmbildung in 8-well Kammer  Kristallviolett- Färbung  Fluoreszenzfärbung  Rasterelektronenmikroskop  Calgary biofilm device 4. Quantifizierung Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 9 1 2 3 4 5 6

10 4. Calgary Biofilm device Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 10 1 2 3 4 5 6 96 Mikrotiterplatte für Kultivierung Deckel mit Einsätzen Oberfläche der Einsätze:~ 44 mm² Animpfdichte:Bis 1 x 10⁶ Zellen/well Inkubationszeit:4 – 24h Kultivierungsgeschwindigkeit:≥ 10 rpm Biofilmbildung

11  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? - Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 11 1 2 3 4 5 6

12  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 - Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 12 1 2 3 4 5 6

13 Auswirkungen Lipopeptide 13 Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents BiotensidWirkt gegenInhibierung/ Reduktion PolymyxinP. aeruginosaum 99% reduziert in 12h Polymyxin, Surfactin & Fusaricidin S. aureus, Streptocuccus bovis, Bacillus subtilis, P. aeruginosa, Biofilmbildung marine Biofilmeum 72,4% reduziert FengycinS. aureus90% Dispersion E.coli97% Dispersion PutisolvinPseudomonasDispersion, aber hilft P. putida bei Biofilmbildung PseudofactinEnterococcus faecalis, E.coli, S. epidermidis, E. hirae, Proteus mirabilis 36-90% effektiv gegen Adhäsion 26-70% gegen existierende Biofilme C. albicans8-9% Inhibierung des Wachstums 99% Prävention der Adhäsion SurfactinSalmonella sp.Keine Angabe

14 Kombination von Lipopeptiden 14 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

15  aufgebaut aus zyklischem Polypeptid mit Fettsäure  begrenztes Wirkspektrum gegen gram-negative Bakterien  Wirkmechanismen noch weitgehend unbekannt Bekämpfung von Biofilmen - Polymyxin - Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 15 1 2 3 4 5 6

16  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 - Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 16 1 2 3 4 5 6

17  Mono-oder Oligosaccharide glykosidisch mit Lipidmolekülen verknüpft  sind an der Außenseite der Lipid-Doppelschicht zu finden Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 17 5.2. Inhibierung von Biofilmen - Glykolipide - 1 2 3 4 5 6 BiotensidWirkt gegenInhibierung/ Reduktion RhamnolipideStreptococcus salivarius, Candida tropicalis 66% Adhäsion Yarrowia lipolytica67% Dispersion  effektiver als SDS SophorolipideE. coli, B. subtilisexistierende Biofilme

18  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 Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 18 5.2. Inhibierung von Biofilmen - Rhamnolipide - 1 2 3 4 5 6

19  Biofilmbildung von P. aeruginosa auf Deckglas Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 19 5.2. Inhibierung von Biofilmen - Rhamnolipide - a) nach 48h Wachstumb) nach 30-minütiger Behandlung mit Rhamnolipiden (5%) 1 2 3 4 5 6

20 Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 20 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 1 2 3 4 5 6

21  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. Zusammenfassung Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 21 1 2 3 4 5 6

22 Quellen Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents 22 [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_BFIN 3STEPS.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

23 { Fragen? Microbial biofilms: biosurfactants as antibiofilm agents Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


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