Zeitung Heute : Auf der Suche nach dem Zaubermolekül

Biologie-Professorin Regine Hengge erforscht die Entstehung bakterieller Biofilme

Carsten Wette
Kosten durch schnelleres Rosten: Schleimige Biofilme überziehen Flächen, die wie Wasserleitungen oder die Rümpfe von Tankern ständig einer feuchten oder wässerigen Umgebung ausgesetzt sind. Die Korrosion von Metallflächen wird dadurch beschleunigt und der Strömungswiderstand erhöht. Foto: IStock
Kosten durch schnelleres Rosten: Schleimige Biofilme überziehen Flächen, die wie Wasserleitungen oder die Rümpfe von Tankern...

Jedes Bad ist reich davon, zumindest dann, wenn Waschbecken und Badewannen ein paar Tage lang nicht geputzt werden: reich an Biofilmen, den unangenehmen schmierigen Schlieren. Regine Hengge fallen da ganz andere Attribute ein: Biofilme sind bakterielle Milliardenstädte im Nanomaßstab, mit komplizierter Architektur und Versorgungsstraßen, mit sesshaften und nomadisierenden Bevölkerungsteilen, die intensiv kommunizieren – aber in unserer menschlichen Makrowelt können sie tödlich wirken und volkswirtschaftlich gesehen Kosten in Milliardenhöhe verursachen. Die Biologie-Professorin der Freien Universität will dazu beitragen, dass Letzteres sich ändert: Für ihr Projekt zur Erforschung bakterieller Biofilme wird sie über fünf Jahre mit bis zu zwei Millionen Euro durch den Europäischen Forschungsrat gefördert. Das Vorhaben wurde EU-weit aus fast 1600 Anträgen ausgewählt – auch ein Beleg dafür, welch großen Nutzen die Menschheit von wissenschaftlichen Fortschritten auf diesem Gebiet hätte.

„Biofilme gehen häufig einher mit chronischen Infektionen“, sagt Regine Hengge. „Im Schleim der Bronchien von Menschen, die an Mukoviszidose leiden, in Wunden oder auch in der Harnblase können Bakterien besonders gut siedeln und hartnäckige Infektionen auslösen.“ In diesen feuchten Umgebungen schließen sich Bakterien mit Milliarden anderen zu den mehrschichtigen Biofilmen zusammen. Sie werden unter deren Hülle gewissermaßen unantastbar für das Immunsystem. Selbst Antibiotika sind eine stumpfe Waffe, denn als Teil eines Biofilmes sind Bakterien weitgehend unempfindlich gegen solche Wirkstoffe – manche Bakterien nutzen Antibiotika sogar als Signalsubstanz, um miteinander zu kommunizieren und die Bildung von Biofilmen anzuregen.

„Vor allem in Krankenhäusern ist das ein großes Problem“, sagt die Mikrobiologin. Denn die Dichte der Behandlung mit Antibiotika führe dort dazu, dass Krankheitserreger gleich gegen mehrere Wirkstoffe resistent würden. Da Bakterien gerade in Biofilmen intensiv genetisches Material austauschten und damit auch Informationen über Resistenzen, schwäche die Ausbreitung dieser Filme die Wirksamkeit von Antibiotika. „Dass sich Patienten im Krankenhaus anstecken, ist nicht selten“, sagt die Biologin. Problematisch sei dies gerade vor dem Hintergrund, dass immer weniger neue Antibiotika entwickelt würden, weil sich die hohen Entwicklungskosten für die Konzerne nicht mehr bezahlt machten, erläutert Regine Hengge: „Es gibt immer mehr Fälle, in denen Menschen sterben, weil kein passendes Antibiotikum zur Verfügung gestanden hat.“ Auch Karies und Parodontose sind Folgen von Biofilmen. Gefahr für die Gesundheit droht zudem, wenn Katheter oder Belüftungssysteme besiedelt werden.

Doch auch aus technischer Sicht sind Biofilme problematisch: So führt ihr Schleim zur Verstopfung von Wasserleitungen, bringt Kläranlagen zum Umkippen und beschleunigt die Korrosion von Flächen, die ständig einer feuchten oder wässerigen Umgebung ausgesetzt sind – etwa Schiffsrümpfe. Gegen Biofilme sei auch hier kein Kraut gewachsen, sagt die Wissenschaftlerin, die an der Universität Konstanz promoviert und dort nach einem Aufenthalt an der Princeton University habilitiert wurde: Das Reinigen solcher Flächen sei teuer, nicht effektiv – und umweltschädlich, denn Schutzanstrich-Farben und -Lacke enthalten giftige Schwermetalle.

Doch wie kommt man dem Problem bei? „Wenn wir verhindern wollen, dass Biofilme entstehen, müssen wir wissen, wie sie aufgebaut sind und wie ihre Bestandteile auf Umwelteinflüsse reagieren“, sagt Regine Hengge. Für sie ist das Thema wie ein alter Bekannter: Die Biologin war eine der ersten, die sich mit der Reaktion von Bakterien auf Nahrungsknappheit und Umweltstress beschäftigte; für ihre Erkenntnisse erhielt sie 1998 den Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis, die höchste wissenschaftliche Auszeichnung in Deutschland. Im selben Jahr wechselte sie nach Berlin.

Biofilme waren lange ein Nischenthema, sie werden erst seit etwa zehn Jahren intensiv erforscht. Einiges ist schon jetzt über sie bekannt: Sie sind nicht etwa ein Phänomen des Industriezeitalters, sondern älter als die Menschheit selbst. Sie sicherten im Laufe der Evolution das Überleben der Bakterien. Um gegen Fressfeinde und sonstige widrige Umwelteinflüsse geschützt zu sein, schließen sich Bakterien in der Umwelt und in Wirtsorganismen mit anderen zu Mikro-Kolonien zusammen, stabilisieren diese mit Zellulose und können durch Schleimproduktion millimeterdick in die Höhe wachsen. „Einzeln schwimmend und damit völlig ungeschützt tritt ein Bakterium vergleichsweise selten auf“, sagt die Biologin.

Man weiß heute, dass praktisch alle Arten von Bakterien ein zellinternes Biofilmsignalmolekül bilden, das sogenannte zyklische di-GMP. Dieses bewirke, dass Bakterien ihren frei schwimmenden Lebensstil zugunsten eines sesshaften, an Oberflächen klebenden Lebensstils in Biofilmen aufgäben, sagt Regine Hengge. „Bei diesem ,Zaubermolekül‘ muss man ansetzen. Könnte man das Molekül ausschalten oder seine Entstehung verhindern, würde man wahrscheinlich die meisten, wenn nicht sogar alle Bakterien daran hindern, Biofilme zu bilden.“ Ein Vorteil: Dieses Biofilmsignalmolekül kommt nur in Bakterien vor – nicht dagegen im Organismus von Menschen, Tieren und Pflanzen. Man könnte es also vermutlich ohne schädliche Nebenwirkungen beeinflussen.

Doch zunächst müssen die Umstände erforscht werden, unter denen Bakterien mithilfe von Enzymen dieses Signalmolekül bilden und wie diese Enzyme gebaut sind. Erst dann kann das Enzym ins Fadenkreuz eines Wirkstoffes genommen werden. „Daran arbeiten Wissenschaftler in vielen Ländern“, sagt Regine Hengge. Ihre Arbeitsgruppe an der Freien Universität tauscht Erkenntnisse regelmäßig mit Kollegen aus anderen europäischen Ländern und den USA aus. An ihrem Projekt beteiligt sind Molekular- und Mikrobiologen ebenso wie Mathematiker. Das Team in Dahlem besteht aus knapp 20 Personen. Als Modell für allgemeine Erkenntnisse über die molekulargenetischen Kontrollmechanismen und für die Verarbeitung von Umweltsignalen dient Escherichia coli, ein Bakterium, das im Darm des Menschen gute Arbeit verrichtet, aber auch als Krankheitserreger auftritt. Beobachtet wird beispielsweise, welche der rund 5000 Gene von Escherichia coli im Labor während der Biofilmbildung an- oder abgeschaltet werden. „Wir leisten Grundlagenarbeit – der Wirkstoff selbst wird mit großer Sicherheit außerhalb der Hochschulen entdeckt“, vermutet Regine Hengge. Schon jetzt seien Firmen dabei, Hunderttausende von Substanzen automatisiert zu testen. Einen solchen Aufwand könne eine Universität nicht betreiben.

Wann ein Wirkstoff gegen die Bildung von Biofilmen entwickelt werden kann, ist nicht ausgemacht. Für Regine Hengge ist es aber „nur noch eine Frage der Zeit“. Es dürfte ein riesiger Markt sein: Eins ist heute schon sicher: Wer ein Anti-Zaubermolekül entdeckt, daraus einen Wirkstoff entwickelt und diesen patentieren lässt, kann vermutlich reich werden.

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