Mikrobiologie und Referenzorganismen

Mikroorganismen und Materialoberflächen

Die Entwicklung eines Biofilms wird durch Beschaffenheit und Struktur der Materialoberfläche bestimmt. Aber auch die Materialzusammensetzung kann die Biofilmausbildung beeinflussen. Das Austreten bioverfügbarer Bestandteile aus dem Material kann z. B. die Ausbildung von Biofilmen begünstigen, metallische Oberflächen wie z. B. von Kupfer oder Silber wirken hingegen biozid. Die Störung der Zell-Zell-Komunikation (Quorum-Sensing) über Botenstoffe (z. B. Homoserinlactone, Peptide) kann die Ausbildung eines Biofilms beeinflussen.

Im lebensmitteltechnischen Bereich (Abfüllanlagen, Verpackungen, etc.) und im Bereich medizinischer Geräte und Instrumente (Dialyseeinrichtungen, Katheder, etc.) sind mikrobielle Kontaminationen von Materialoberflächen besonders kritisch.

Besiedelungen von Materialoberflächen werden unter anderem mit Hilfe elektrophoretischer Methoden (SSCP - single-strand conformation polymorphism, DGGE - denaturing gradient gel electrophoresis), Fluoreszenz in situ Hybridisierungen und Konfokaler Laser Scanning Mikroskopie untersucht.

Sequenzierung von bakteriellen Genomen

Chemischer Produkte (z. B. Feinchemikalien, Enzyme, Kosmetika) werden industriell durch effektive und wirtschaftliche Verfahren hergestellt. Aspekte der Sicherheit, des Umweltschutzes und der Ressourcenschonung müssen bei der Verfahrensauswahl berücksichtigt werden. Mit Hilfe biotechnischer Prozesse, bei denen Stoffwechselwege von Mikroorganismen zur Herstellung chemischer Produkte herangezogen werden, können besonders ressourcenschonende und umweltfreundliche Produktionsverfahren entwickelt werden. Voraussetzung für die Entwicklung oder Verbesserung mikrobiologischer Produktionsverfahren ist die genaue Kenntnis der genetischen Ausstattung der Produzentenstämme. Durch Sequenzierung kompletter bakterieller Genome ist die Möglichkeit gegeben, das biotechnische Potential eines Mikroorganismus zu bestimmen oder in der Anwendung befindliche Produktionsstämme zu optimieren.

Extremophile Bacteria und Archaea

Als "extremophil" werden Mikroorganismen bezeichnet, die sich an - aus menschlicher Sicht - lebensfeindliche Umweltbedingungen angepasst haben. Beispielsweise können einige hitzeliebende (thermophile) Mikroorganismen noch bei Temperaturen von über 100°C wachsen, oder salzliebende (halophile) Mikroorganismen gedeihen in Salzlösungen, die eine zehnfach höhere Salzkonzentration aufweisen als Meerwasser.

Mikroorganismen, insbesondere extremophile Vertreter, verfügen über ein vielseitiges Stoffwechselpotential und eine hohe Anpassungsfähigkeit an ihre Umwelt, wodurch mikrobielle Prozesse bei Transport, Umwandlung und Abbau von organischen Schadstoffen eine große Bedeutung haben.

Untersuchungen zum osmoregulierten Stofftransport in halophilen Bacteria

Mikroorganismen können sich an lebensfeindliche Umweltbedingungen anpassen und selbst in gesättigten Salzlösungen wachsen. Um ein osmotisches Gleichgewicht mit der Umgebung einzustellen, reichern Bakterien organische Moleküle im Cytoplasma an. Diese Stoffe werden als kompatible Solute bezeichnet und gehören zu den chemischen Stoffklassen der Aminosäuren, Aminosäurederivate und Zucker. Kompatible Solute fungieren u. a. auch als Schutzstoffe und schützen Enzyme und Zellen gegenüber Trockenheit, Hitzeeinwirkung, oder UV-Strahlung. Hieraus ergeben sich zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten in der Landwirtschaft, Lebensmittelindustrie, Kosmetikindustrie, Pharmazie und Medizin.

Kompatible Solute können von Mikroorganismen synthetisiert werden, die Aufnahme aus dem umgebenden Medium wird aber bevorzugt. Hierzu sind Bakterien mit Transportproteinen ausgerüste. Zur Zeit werden Solutetransporter aus dem halophilen Bakterium Halomonas elongata, das als industrieller Produktionsstamm für die Gewinnung des Schutzstoffs Ectoin eingesetzt wird, in Zusammenarbeit mit dem MPI für Biophysik (Frankfurt) in unserer Arbeitsgruppe untersucht. Die Untersuchung solcher Transportproteine eröffnet die Möglichkeit, Stämme für die industrielle Produktion von Schutzstoffen zu entwickeln.

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