Ein Biofilm ist eine Population von Bakterien, Algen, Hefe oder Pilzen, die an einer Oberfläche wachsen. Die Oberfläche kann lebend oder nichtlebend sein. Beispiele für lebende Oberflächen, auf denen Biofilme wachsen können, sind die Zähne, das Zahnfleisch und die Zellen, die den Darm-und Vaginaltrakt auskleiden. Beispiele für nichtlebende Oberflächen sind
Gesteine in Wasserläufen und implantierte medizinische Geräte wie Katheter.
Rudimentäres Wissen über das Vorhandensein von Biofilmen ist seit Jahrhunderten bekannt., Zum Beispiel wird das Bakterium Acetobacter aceti, das an Holzspänen gebunden ist, seit dem neunzehnten Jahrhundert zur Herstellung von Essig verwendet. Trotz dieser Geschichte wurden Biofilme bis in die 1980er Jahre eher als Kuriosität angesehen.Tatsächlich ist vieles, was über Mikroorganismen und über bestimmte Bereiche wie bakterielle Antibiotikaresistenzen bekannt ist, auf die Verwendung von Bakterien zurückzuführen, die als schwimmende (planktonische) Populationen in flüssigen Wachstumsquellen wachsen.,
Ab den 1980er Jahren häuften sich Beweise, die zu der Erkenntnis geführt haben, dass die schwimmende Form des Bakterienwachstums künstlich ist und dass die Biofilmform des Wachstums die natürliche und bevorzugte Wachstumsart für Mikroben ist. Nun ist es akzeptiert, dass praktisch jede Oberfläche, die mit Mikroorganismen in Kontakt kommt, in der Lage ist, die Biofilmbildung aufrechtzuerhalten.
Vieles von dem, was über Biofilme bekannt ist, stammt aus der Erforschung von Bakterien. Typischerweise besteht der im Labor untersuchte Biofilm aus einem Bakterientyp., Die Beobachtung nur eines wachsenden Bakteriums erleichtert die Untersuchung der Bildung und des Verhaltens des Biofilms. In einer natürlichen Umgebung besteht ein Biofilm jedoch häufig aus einer Vielzahl von Bakterien. Zahnbelag ist ein gutes Beispiel. Hunderte von Bakterienarten können im Biofilm vorhanden sein, der sich auf der Oberfläche der Zähne und des Zahnfleisches bildet.
Die Bildung eines Biofilms beginnt, wenn schwimmende Bakterien auf eine Oberfläche stoßen. Attachment kann unspezifisch oder spezifisch auftreten., Spezifische Befestigung beinhaltet die Erkennung eines Oberflächenmoleküls durch ein anderes Molekül auf der Oberfläche des Mikroorganismus. Die bakterielle Anhaftung kann durch Anhängsel wie Flagellen, Zilien oder den Holdfast von Caulobacter crescentus unterstützt werden.
Auf die Befestigung folgt eine langanhaltende Assoziation mit der Oberfläche. Für Bakterien beinhaltet diese Assoziation strukturelle und genetische Veränderungen. Gene werden nach Oberflächenanhaftung exprimiert., Ein besonders markantes Ergebnis dieser bevorzugten genetischen Aktivität ist die Herstellung einer großen Menge eines zuckerhaltigen Materials, das als Glykokalyx oder Exopolysaccharid bekannt ist. Die Zuckerschicht begräbt die Bakterienpopulation und bildet den Biofilm.
Im Laufe der Zeit kann ein Biofilm dicker werden. Ein älterer, reiferer Biofilm unterscheidet sich von einem jüngeren Biofilm., Studien mit Instrumenten, die einen Biofilm untersuchen können, ohne seine Struktur physisch zu stören, haben gezeigt, dass die Bakterien, die tiefer in einem Biofilm sind, aufhören, das Expopolysaccharid zu produzieren, und ihre Wachstumsrate verlangsamen, um fast zu ruhen. Im Gegensatz dazu wachsen die Bakterien am Rand des Biofilms schneller und produzieren große Mengen an Exopolysaccharid. Diese Aktivitäten finden gleichzeitig statt und werden tatsächlich koordiniert. Die Bakterien können chemisch miteinander kommunizieren., Dieses Phänomen, das als Quorum Sensing bezeichnet wird, lässt einen Biofilm wachsen und ermutigt Bakterien, einen Biofilm zu verlassen und an anderer Stelle neue Biofilme zu bilden.
Ein weiterer Unterschied bei Biofilmen, die sich im Laufe der Zeit entwickeln, betrifft ihre dreidimensionale Struktur. Ein junger Biofilm hat eine ziemlich gleichmäßige Struktur, wobei die Bakterien gleichmäßig im Biofilm angeordnet sind., Im Gegensatz dazu besteht ein gut etablierter Biofilm aus Bakterien, die in Mikrokolonien zusammengefasst sind, mit umgebenden Regionen von Exopolysaccharid und offenen Wasserkanälen, die es Lebensmitteln ermöglichen, leicht zu den Bakterien zu gelangen, und Abfallmaterial, das leicht aus dem Biofilm austritt.
Bakterielle Biofilme sind wichtig für die Etablierung und Behandlung von Infektionen. Innerhalb des Biofilms sind Bakterien sehr resistent gegen Chemikalien wie Antibiotika, die sonst die Bakterien abtöten würden., Antibiotikaresistente Biofilme treten auf inerten Oberflächen wie künstlichen Herzklappen und Harnkathetern sowie auf lebenden Oberflächen wie Gallensteinen und in der Lunge von Mukoviszidose-Kranken auf. Bei Mukoviszidose schützt der von Bakterien, hauptsächlich Pseudomonas aeruginosa, gebildete Biofilm die Bakterien vor dem Immunsystem des Wirts. Die Immunantwort kann jahrelang bestehen bleiben, was das Lungengewebe reizt und schädigt.