Das Modell hat gezeigt, wie Pseudomonas aeruginosa wächst, seine Schutzschicht umformt und sich auf neue Oberflächen ausbreitet. Die WHO schätzt, dass die Antibiotikaresistenz von Bakterien – bei der Antibiotika nicht mehr wirken – allein im Jahr 2019 weltweit direkt für 1,27 Millionen Todesfälle verantwortlich war.
In einer neuen Studie nutzten die Forscher BioDynaMo, eine Open-Source-Simulationsplattform, die im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit unter Beteiligung der University of Surrey und Partnern weltweit entwickelt wurde, um ein dreidimensionales agentenbasiertes Modell (ABM) zu erstellen, das nachbildet, wie Pseudomonas aeruginosa Biofilme bildet.
Wie Biofilme wachsen und sich unter Strömung ausbreiten
Biofilme sind Bakteriengemeinschaften, die von einer schützenden, klebrigen Schicht aus Zucker, Proteinen und DNA umhüllt sind, wodurch sie sich an Oberflächen festsetzen und Antibiotika widerstehen können. Bei Pseudomonas aeruginosa bilden sich diese Biofilme häufig in strömenden Umgebungen wie Kathetern und Rohrleitungssystemen.
Im Gegensatz zu früheren Computermodellen erfasst das in Surrey entwickelte ABM, wie Biofilme unter konstantem Flüssigkeitsstrom – ähnlich wie unter realen Bedingungen – wachsen und wie sich die Bakterien auf natürliche Weise von ihnen lösen, um sich auszubreiten und neue Oberflächen zu besiedeln. Das Team validierte die Simulation anhand von Laborexperimenten und zeigte, dass sie das Wachstum, die Struktur und die Ablösungsmuster, die in echten bakteriellen Biofilmen zu beobachten sind, genau nachbildet.
„Biofilme sind unglaublich schwer zu untersuchen, da viele der wichtigen Wechselwirkungen auf mikroskopischer Ebene ablaufen. Unser Modell ermöglicht es uns, diese Prozesse in einer virtuellen Umgebung zu simulieren, wodurch es wesentlich einfacher wird, neue Ideen zu testen und zu verstehen, wie sich diese Bakterien ausbreiten, ohne sich ausschließlich auf kostspielige und zeitaufwändige Laborexperimente verlassen zu müssen“, so Ryan Bournes, Doktorand an der University of Surrey und Erstautor der Studie.
Ein virtuelles Werkzeug für schnellere Biofilmforschung
Das Modellierungsframework hilft Wissenschaftlern nicht nur bei der Erforschung von Pseudomonas aeruginosa, sondern könnte auch angepasst werden, um andere biofilmbildende Bakterien zu untersuchen und vorherzusagen, wie Faktoren wie Strömungsverhältnisse, Oberflächengestaltung und das Verhalten der Bakterien die Ausbreitung von Infektionen beeinflussen.
Die Antibiotikaresistenz nimmt aufgrund des übermäßigen und unsachgemäßen Einsatzes von Antibiotika stetig zu, weshalb es unerlässlich ist, schnellere und intelligentere Wege zu finden, um das Verhalten von Krankheitserregern zu verstehen.
„Mithilfe von BioDynaMo ist es uns erstmals gelungen, nachzubilden, wie Biofilme von Pseudomonas aeruginosa unter Strömungsbedingungen wachsen, ihre Form verändern und sich ausbreiten – biologische Prozesse, deren direkte Beobachtung äußerst schwierig, kostspielig oder sogar unmöglich wäre. Damit steht Forschern ein leistungsstarkes neues Werkzeug für virtuelle Tests zur Verfügung, bevor sie im Labor experimentieren“, so Dr. Roman Bauer, Dozent.
Die Forschungsergebnisse könnten Wissenschaftlern dabei helfen, Experimente zu verbessern, Laborkosten zu senken und die Entwicklung sicherer medizinischer Geräte, Sanitäranlagen in Krankenhäusern und anderer Umgebungen zu unterstützen, in denen sich schädliche Biofilme bilden können.
