Banner

Über uns

An der Universität Duisburg-Essen hat sich eine enge interdisziplinäre, innovative und erfolgreiche Kooperation zwischen Mikrobiologie, physikalischer Chemie und Physik bei der Erforschung von bakteriellen Biofilmen ergeben. Darauf aufbauend, wurde das Biofilm Centre im Jahr 2001 als "Institut für Grenzflächen- Biotechnologie" gegründet. Der Lehrstuhl für Aquatische Mikrobiologie diente als Keimzelle, die um eine W2-Professur für Molekulare Enzymtechnologie und Biochemie (MEB) sowie eine C3-Professur für Aquatische Biotechnologie mit dem Schwerpunkt Mikrobielle Laugung und Biokorrosion erweitert wurde. 2003 wurde es im Rahmen der Fusion der Universitäten Duisburg und Essen in „Biofilm Centre" umbenannt.

Die bereits etablierten engen Verbindungen zur Chemie, Physik und den Ingenieurwissenschaften gewährleisten dabei die interdisziplinären Kooperationen, die zur sinnvollen Bearbeitung des Gebietes erforderlich sind. Das Centre bildet außerdem ein Bindeglied zwischen der naturwissenschaftlichen Fakultät und anderen Fakultäten, beispielsweise der Physik und den Ingenieurwissenschaften auf Gebieten wie Abfalltechnik, Wassertechnik, Verfahrenstechnik und Optoelektronik. Eine wichtige Anbindung zu den Erfordernissen der Praxis stellt das IWW Zentrum für Wasser dar, ein An-Institut der Universität Duisburg-Essen, in dem Prof. Flemming als wissenschaftlicher Direktor den Bereich Mikrobiologie leitet.

Warum Biofilm-Forschung?

Wichtige Lebensprozesse laufen an Grenzflächen ab. Beispielsweise leben die meisten Mikroorganismen der Erde an Grenzflächen. Diese können fest-flüssig, flüssig-flüssig, flüssig-gasförmig sein, sie können sich sogar selbst als Grenzflächen dienen. Allen ist gemeinsam, dass sie in eine Matrix aus extrazellären polymeren Substanzen (EPS, „Schleim") eingebettet sind, in denen sie stabile, synergistische Mikrokonsortien bilden können, leichter Gene austauschen können, über einen großen Genpool verfügen und gegenüber Bioziden geschützt sind. Die EPS-Matrix hat sorbierende Eigenschaften und kann Nährstoffe akkumulieren, was für das Leben unter Hunger-Bedingungen entscheidend ist.

Auch die Biotechnologie macht sich Biofilme bereits in vielfacher Weise nutzbar. Dies reicht vom Einsatz immobilisierter, d.h. oberflächengebundener Enzyme und Mikroorganismen über die Abwasserreinigung mit Biofilm-Reaktoren, die biologische Abfallbehandlung bis zur mikrobiellen Laugung von Erzen. Das Potential, das in einem tieferen Verständnis der Rolle von Grenzflächen für die dort ablaufenden Prozesse und ihre Optimierung liegt, wird bislang von der Biotechnologie noch unterschätzt.

All diese Prozesse können auch zur falschen Zeit und am falschen Ort vorkommen. Im medizinischen Bereich kann es zur mikrobiellen Kontamination und Besiedlung von Kathetern, Implantaten und Instrumenten kommen. All dem liegen prinzipiell die gleichen Vorgänge zugrunde. In technischen Systemen finden ähnliche Prozesse statt. Dann spricht man von "Biofouling" und "Biokorrosion". Davon sind u.a. Kühlkreisläufe, Wasseraufbereitungs- und Brauchwassersysteme, Schiffe und die gesamte Lebensmitteltechnik betroffen. Dabei entstehen Verluste in Milliardenhöhe, die zumindest teilweise vermeidbar sind. In Bergbaualtlasten führt spontan ablaufende, biologische Laugung durch Biofilme auf Mineralien zu großflächigen Umweltschäden bei Böden, Wasser und Luft durch Staubbelastung sowie Emission von Schwefelsäure, Schwermetallen, Radongas und Radionukliden. Diese unerwünschte Prozesse sind in großem Umfang für ökonomische Schäden und gesundheitliche Probleme verantwortlich. Obwohl ihnen die gleichen Gesetzmäßigkeiten zugrundeliegen wie den erwünschten Prozessen, wird dieser Umstand kaum für gezielte Gegenmaßnahmen genutzt. Vielmehr erfreuen sich solche Zusammenhänge bislang nur eines erstaunlich geringen Interesses seitens der biotechnologischen Grundlagenforschung.

Erkenntnisse, die im Rahmen der Erforschung biologischer Vorgänge an Grenzflächen gewonnen werden, können also sowohl zur Optimierung biotechnologischer Prozesse als auch zur Verhinderung von Biofouling und Biokorrosion angewandt werden. Ein detailliertes Verständnis der Mechanismen, welche dem mikrobiellen Bewuchs von Oberflächen zugrundeliegen, sowie der Wechselwirkungen zwischen den Mikroorganismen und den Materialien, auf denen diese sich ansiedeln, führt daher zu unmittelbar anwendbaren biotechnologischen Prozessen und Technologien und trägt deshalb ein enormes Potential an Wertschöpfung in sich. Im Biofilm Centre werden die Grundlagen der Wechselwirkungen zwischen Grenzflächen und Mikroorganismen erforscht. In erster Linie konzentrieren sich diese Forschungen auf Bakterien.

Visualisierung extrazellulärer Aktivität von Lipase in einem 48 Stunden alten Biofilm von Pseudomonas aeruginosa. Rot, länglich: Zellen, grüne Wolken: Stellen, an denen die Lipase aktiv war (Aufnahme: P. Tielen, aus: Wingender et al., submitted)
Visualisierung extrazellulärer Aktivität von Lipase in einem 48 Stunden alten Biofilm von Pseudomonas aeruginosa. Rot, länglich: Zellen, grüne Wolken: Stellen, an denen die Lipase aktiv war (Aufnahme: P. Tielen, aus: Wingender et al., submitted)

Ein Beispiel ist die Einbindung von Enzymen in die Matrix extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS). Diese Matrix bestimmt die unmittelbaren Lebensbedingungen der Biofilm-Bewohner. Die extrazellulären Enzyme versorgen sie mit Nährstoffen. Wichtig ist aber, dass diese Enzyme in der Nähe der Zelle bleiben, damit ihnen die Aktivität der Enzyme zugute kommt. In Bild 1 ist die Aktivität einer extrazellulären Lipase in einem Biofilm von Pseudomonas aeruginosa mit konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie dargestellt, die mit Hilfe eines Substrats visualisiert wurde, das durch die Einwirkung der Lipase einen fluoreszierenden Kristall bildet, und zwar genau an der Stelle, an der es vom Enzym gespalten wurde. Die Lipase wird in der EPS-Matrix von Polysaccharid Alginat festgehalten, was verhindert, dass sie aus dem Biofilm ausgeschwemmt wird.

AFM-Bild einer Pyrit-Oberfläche nach 24 h Besiedlung mit Acidobacillus ferrooxidans. In der Mitte ist bereits ein Laugungs-Mulde zu erkennen (Bild: W. Sand et al.)
AFM-Bild einer Pyrit-Oberfläche nach 24 h Besiedlung mit Acidobacillus ferrooxidans. In der Mitte ist bereits ein Laugungs-Mulde zu erkennen (Bild: W. Sand et al.)

Ein anderes Beispiel ist die Wechselwirkung von Biofilmen mit ihrer Unterlage. Es gibt Bakterien, die Mineralien auflösen, was für die biologische Laugung von Erzen genutzt wird. In Bild 2 ist gezeigt, wie Pyrit von einem Biofilm aus Acidobacillus ferroxidans bereits nach 24 Stunden angelaugt wird (Aufnahme mit dem Raster-Kraft-Mikroskop).

Das Konzept des Biofilm Centre ist es, verschiedene Aspekte von Biofilmen zu integrieren: die mikrobiologische und molekularbiologische Charakterisierung sowie ihre Entstehung, Aufbau und Struktur, ihre Rolle als Lebensraum für hygienisch relevante Mikroorganismen, die Untersuchung der physikalisch-chemischen Eigenschaften und ihre Wechselwirkungen mit Werkstoffen.

Das Biofilm Centre besteht aus drei Arbeitsgruppen:

Die Repräsentanten des Biofilm Centre genießen internationale Anerkennung und tragen mit ihren Drittmittel wesentlich zur gesamten Förderung an der Universität Duisburg-Essen bei.