Schon die Cyanobakterien schlossen sich vor dreieinhalb Milliarden Jahren zu „Kommunikationszentren“ in Biomatten zusammen. Jetzt untersuchen Forscher diese erfolgreiche Lebensform intensiver: genauer, den Biofilm. Zuvor glaubte man, Mikroorganismen seien reine Einzelkämpfer.

von Hans-Jörg Müllenmeister

Man untersuchte die Einzeller immer separat unter dem Labormikroskop - isoliert von ihren Artgenossen. In Wirklichkeit bilden sie Gemeinschaften und produzieren einen schützenden Schleim, weitaus dünner als ein Menschenhaar. Diesen nannten Mikrobiologen 1978 erstmals „Biofilm“. Eiweiß, Zuckermoleküle, Salze, Nährstoffe und Feuchtigkeit bestimmen die feine Schleimstruktur. Jede Kommune von Mikroorganismen bildet dabei ein für sie typisches „Schleimgerüst“.

Leben und sterben mit Bakterien
Wir tun gut daran, Mikroben nicht bloß als unsere Urfeinde zu betrachten. Nur eine von hundert Bakterienarten macht uns krank. Ja, gewiss gibt es pathogene Mikroorganismen. Vielfach sind sie es aber nicht selbst, die den Organismus schädigen, sondern ihre Stoffwechselprodukte, die uns vergiften. Nur ein immungeschwächter Körper kann erkranken. Das liegt nicht an den Bakterien selbst, sondern an der schlechten Disposition des Wirts. Bildlich gesprochen: ziehen große Geschütze vor einer Stadtmauer auf, so fällt der Schutzwall - das Immunsystem - noch nicht in sich zusammen. Erst wenn die Geschütze aktiv die Mauer zerstören, dringt unliebsames Gesindel in die Stadt ein.

Vielleicht erhaschen wir mit kooperativer Einsicht eher den geheimnisvollen Zipfel der Evolution. Erstaunlich, denn nur etwa fünf magere Prozent aller irdischen Mikroorganismen sind uns überhaupt bekannt. Ein lächerlich mageres Wissen über eine Mikrowelt, die uns umgibt, auf unserer Haut siedelt und die sogar in uns wirkt und wohnt. Hundertbillionenfach! Unseren Körper bevölkern mehr Bakterien als wir Körperzellen unser eigen nennen. Unwillkürlich fragt man sich, wer das Sagen hat - der Wirt oder die Heerscharen der Mikros. Nur einmal im Leben sind wir ganz uns selbst, und das ist vor unserer Geburt. Nur in dieser Vorphase sind wir im Prinzip steril und bakterienfrei. Dann beginnt das Leben, das Leben mit den klugen Herrschaften, die unseren Körper über den Tod hinaus begleiten und von denen wir insgesamt 1,5 kg mit uns herumtragen.

Erfolgreicher Handel mit Erbgut im Biofilm
Einige meinen, eine Ode an unsere klugen Mikrobegleiter sei zu pathetisch - und das noch reduziert auf ihre glibberigen Schleim-Bauwerke. Aber urteilen Sie selbst. Vergleichen Sie deren Wirken und Tun mit dem unsrigen. Steigen wir hinab in die Mikrowelt, in die Wohnstätten der Bakterien, die sich die Winzlinge selbst erschaffen, so wie wir unsere Großstädte. Hier fühlen sie sich wohl, hier erwartet uns ihre spannende Geschichte...

Der Biofilm wirkt wie ein einziger Organismus; in ihm leben oft viele verschiedene Bakterienarten mit unterschiedlichem Erbgut. Das gemeinsame Ziel heißt vermehren und Fressen. Vergessen Sie den angestammten Egoismus der Säugetiere, wo jede Art ihr Erbgut für sich behält. Die Bakterien betreiben dagegen einen lebhaften Handel mit ihren Erbanlagen. Da gibt es keine Handelsschranken. Keinen Zoll. Wissenschaftler sagen, der Biofilm nutzt einen gemeinsamen Genpool. „Quorum-sensing“ heißt das Prinzip der Verständigung. Die Bakterien bilden Signalstoffe. Ab einer gewissen Menge dieser Stoffe im Schleim wissen die Bakterien: Wir sind eine Gemeinschaft, wir halten zusammen im Biofilm. Gemeinsam können wir uns gegen das körpereigene Abwehrsystem des Infizierten wehren.

Der Biofilm: ein „demokratischer“ Schleimstaat
Natürlich ist alles kein Honigschlecken, regelmäßige Reibereien unter den Minieinwohnern gehören dazu. Genau das sorgt für gesteigerte Aktivität aller Bewohner. Letztlich stärkt das die Gruppendynamik: ein erprobtes und perfektes Erfolgsrezept der Bakterien im Biofilm. Einzelne Bakterien können wahre Hungerkünstler sein, ihr Stoffwechsel ist dann auf ein Minimum reduziert. Dieses Leben auf Sparflamme erlaubt der Biofilm nicht. Faulenzer hätten keine Chance, Aktion ist Trumpf. Im Biofilm herrscht Arbeitsteilung und jedes Bakterium hat gleiches Stimmrecht - eine perfekte Demokratie. Eine Rangordnung gibt es nicht. Vergleichen Sie das mal mit unserer aus den Fugen geratenen „Demokratur“. Es gibt auch keine Sprachbarrieren, vielmehr ständige Kommunikation über Signalstoffe. Die Winzlinge reden miteinander, positiv wie negativ. „Kommunikationsunwilligen“ wird der Garaus gemacht.

Neuankömmlinge und Arbeitsteilung im Biofilm
In der Multikulti-Biostadt trägt jeder sein Scherflein bei. Ein jeder geht seinem eigenen Geschäft nach, braucht aber auch bestimmtes Rohmaterial und Umgebungsbedingungen, um zu gedeihen. Einige Bakterien leben bevorzugt tief im Schleim, dort, wo es kaum Sauerstoff gibt, dafür aber viele Nährstoffe. Andere mögen die äußeren Schleimschichten - mit frischem Wasser und reichlich Sauerstoff, auch wenn es dort gefährlicher ist zu leben, denn auch Biofilme haben ihre Feinde. Fremdlinge, also Neubewerber müssen sich auf die vorgegebenen Aufgaben der Bio-Großstadt einstellen. Migranten, die nichts für den Schleim tun wollen, werden gnadenlos von den alteingesessenen Biofilm-Bewohnern abgewiesen oder kannibalisch vertilgt. Wäre das ein reinigendes Konzept für eine menschliche Gesellschaft? Dagegen werden arbeitswillige, fremde Gastarbeiter wie Algen und Pilze von der Gemeinschaft aufgenommen.

Elite-„Schüler“ des Biofilms gegen Antibiotika
Im Schutz des Biofilms sind Bakterien tausendmal resistenter als ein einzelnes Bakterium. Denken Sie einmal an die Antibiotika, deren Vernichtungskraft inzwischen bei gefährlichen Krankheitskeimen zur Lachnummer verkommt. Besonders deutsche Krankenhäuser sind Bakterien-„Ausbildungszentren“. Multiresistente Bakterienstämme sind zunehmend immun. Diese „klugen Köpfe“ haben gelernt, wie sie sich vor Eindringlingen schützen. Ein tödliches Wissen, denn allein in den USA sterben jährlich 90.000 Patienten durch diese Musterschüler der Bakterienschmiede. Inzwischen ist die Forschung auf den klugen Gedanken gekommen, pathogene Bakterien nicht direkt zu bekämpfen, sondern ihre Infrastruktur zu zerstören, also ihren Biofilm. Diese Art Vernichtungskrieg kenne wir ja spätestens seit Hiroshima. Was hat die Forschung auf diesen morbiden Gedanken gebracht?...

Der entzauberte Informationstrick der Lehrer-Bakterien
Nun, die Forschung kam den „Lehrer“-Bakterien hinter die Schliche, wie sie Resistenzinformationen bis ins Detail an die Schüler weitergeben. Der Transfer gelingt über das sogenannte Plasmid. Das ist eine DNS, die viele Bakterienzellen zusätzlich zu ihrer zentralen Erbinformation besitzen. Plasmide können sich eigenständig vervielfältigen und in einem Einzeller in mehreren Kopien vorkommen. Diese Art DNS-„Zubrot“ enthält oft Gene, die dem Bakterium nützlich sind, z.B. jene, die eine Resistenz gegen Antibiotika bewirken. Der zusätzliche Clou dabei: die Einzeller vermögen die Information durch ihre Membran auf die Nachbarn zu übertragen. Gelingt es, diese Informationsmoleküle zu kappen, wäre es bei den Multiresistenzlern Schluss mit lustig - ihnen würde buchstäblich der Schleim unter den Füßen weggezogen. Ebenso gut kann man bei „friedliebenden“ Bakterien durch Steuern ihres Plasmids Fresstalent und Vermehrungsfreude fördern.

Ist erst einmal der Biofilm zerstört und die Kommunikation der Bakterien unterbrochen, kommt das einzelne Bakterium zur Einsicht: es gibt keinen Kollegen mehr, ich löse mich aus dieser Matrix. Wie gefährlich Schleim für Menschen sein kann, zeigt sich bei der erblichen Krankheit Mukoviszidose. Hier kann Azetromycin die Zusammenarbeit der Bakterien zerstören.

Antibiotika sind bei Multiresistenz für die Katz
Ob Katheter, Gefäßstützen, Herzklappen oder Herzschrittmacher: Jede Prothese im Körper bietet Bakterien potentiellen Lebensraum. An den glatten Oberflächen können sie haften und ihren Schleim bilden. Zellen des Immunsystems und Abwehrmoleküle kommen nicht an sie heran, denn die Prothesen sind nicht durchblutet. Wenn jemand ein künstliches Hüftgelenk bekommt und es bildet sich darauf ein Biofilm, dann ist dieser fast unangreifbar. Da helfen keine Antibiotika. Die Hüftprothese muss raus und ersetzt werden. Ist die Infektion dann immer noch nicht beseitigt, bleibt nur die Amputation. Solche Infektionen sind wirklich gefährlich - wegen der Antibiotika-Resistenz.

Lauter Nützlinge im Ökosystem
Der Mensch ist mikrobenbesiedelt auf den verschiedenen Grenzflächen des Körpers, z.B. Haut, Zähne (Plaque nennt der Zahnarzt den Biofilm aus 85% Schleim und 15% Zellen), Atmungstrakt, Darmschleimhaut. Hier gibt der Stoffwechsel der Darmbakterien erst unserem eigenen Stoffwechsel den wesentlichen Arbeitsimpuls. Doch das ist nur ein winziges Puzzle was Bakteriengemeinschaften für unser Leben leisten. Unser globales ökologische System liegt in der Obhut der kleinen Fresser. Gemeinsam produzieren sie Sauerstoff, kompostieren Abfälle und reinigen unser Abwasser. Wir beginnen zu lernen, wie uns Bakterienstämme in der Matrix nützlich sein können. In Abwasserrohren fressen sie z.B. Fette, Bakterienkolonien aus Ralsstonia eutropha verwandelt unsere Essensreste in Kunststoff, genauer in Polyhydroxyalkonoat. Und dann die rätselhaften Cyanobakterien - die Erfinder der Photosynthese - eigentlich „Hausgäste“ der Pflanzen. Wussten Sie, dass eben diese Mikroorganismen sogar im Außenbereich unserer Ohren reichlich vertreten sind, und dass man sie in Fabrikschloten als lebende Kohlendioxid-Putzkolonnen einsetzt? Auch unsere geldhungrigen Ölmultis haben demnächst hilfreiche Diener: ein Bakterienteppich aus Alcanivorax borkumensis entwickelt einen Riesenappetit auf Ölteppiche.

Unsere Mitsiedler auf dem Planeten Erde sind keine Minimonster vor denen wir uns prinzipiell ängstigen müssen: es sind kluge, ja nützliche Organismen in unserem Ökosystems. Hier müssen wir umdenken. Gegen die Schläue multiresistenter Krankheitskeime im „Internet“ des Biofilms sind Antibiotika machtlos. Es wäre ein Segen für die Menschheit, wenn man die Infrastruktur der schleimigen „Wagenburgen“ ergründen könnte. Dann erst fände die verzweifelte Suche nach immer neuen Antibiotika ein Ende.