Unbekannte Bakterien finden Ein Schwamm für mikrobielle Dunkle Materie

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Im Küchenschwamm sind Bakterien unerwünscht. Anders in einem Schwamm, den Forscher am Karlsruher Institut für Technologie entwickelt haben: Er ist extra dafür ausgelegt, Bakterien anzulocken und von ihnen besiedelt zu werden. Das soll es Wissenschaftlern erleichtern, Bakterien aus der Umwelt zu sammeln und unbekannte Arten zu entdecken, so genannte mikrobielle dunkle Materie.

Von unserem Darm bis hin zum Meeresgrund: Mikroorganismen bevölkern nahezu jeden Lebensraum, sei er auch noch so feindlich. Für die Biotechnologie birgt die Vielfalt ihrer Überlebensstrategien großes Potenzial. Die Mehrheit dieser Organismen ist jedoch unbekannt, weil sie sich nicht kultivieren lassen. Um diese „Mikrobielle Dunkle Materie“ besser nutzbar zu machen, hat ein Team des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) nun einen „Schwamm“ aus porösem, formbarem Silikon entwickelt. Eingebettet in einem Chip saugt sich das Material mit den Mikroorganismen aus der Umgebung voll – die dann für die weitere Forschung zur Verfügung stehen.

„Es ist erstaunlich, dass noch niemand daran gedacht hat, medizinisches Silikon für die bakterielle Ansiedlung zu nutzen“, meint Christof Niemeyer, Professor für chemische Biologie am Institut für Biologische Grenzflächen-1 des KIT. Dabei lägen die Vorteile auf der Hand: Das spezielle Polymer, das auch beispielsweise für Brustimplantate verwendet wird, interagiere nicht mit seiner Umwelt, sei dafür leicht modifizierbar, langlebig und kostengünstig. Auch Niemeyer und sein Team seien nur über Umwege darauf gekommen, die Ergebnisse hätten ihre Erwartungen aber übertroffen. „Das Material ist in der Lage, die Mikroorganismen aus der Umgebung aufzunehmen, ganz gleich, wie feucht oder trocken diese ist. Die Voraussetzung dafür: Das Silikon musste zu einer porösen schwammartigen Struktur verarbeitet werden“, erläutert der Chemiker.

Ein Schwamm als Magnet für Bakterien

Im Laufe mehrerer Experimente zeigte sich: Der Silikonschwamm fängt in seinen zahlreichen Löchern ein besonders breites Spektrum an Mikroorganismen ein. Das Team identifizierte damit etwa in der trockenen Luft einer Hühnerfarm Mitglieder der Actinobacteriota. Genau diese Mikroorganismen werden in der Herstellung von Antibiotika gebraucht. Sie produzieren zudem beispielsweise Stoffe, die bei bestimmten Krebserkrankungen helfen könnten. „Wenn wir mit dem Schwamm neue Bakterien einfangen, können die zum Beispiel für neue Impulse in der Biomedizin genutzt werden“, schätzt Niemeyer ein.

Mikrobiota in gebrauchten Spülschwämmen

Im Schatten der Küchenschwamm-Bakterien: Viren, Archaeen und Co

Ähnliches passierte nach dem Eintauchen des Silikonschwamms in einem Zuchtbecken für Zander. Im Vergleich zu einem konventionellen Material, das schon auf dem Markt ist, fanden die Wissenschaftler unter anderem sehr viele Bakterien, welche zu der noch wenig erforschten Candidate Phyla Radiation gehören. „Diese Mikroorganismen machen etwa 70 Prozent der mikrobiellen dunklen Materie aus, da sie bislang nicht kultivierbar sind“ erläutert Professorin Anne-Kristin Kaster, die mit ihrem Team am Institut für Biologische Grenzflächen-5 des KIT die eingefangenen Mikroorganismen mit modernster Sequenziertechnik analysierte.

Porös dank Tafelsalz

Das Team bewies auch, dass der Schwamm ausgewählte Bakterien anreichern kann, wenn er entsprechend präpariert wird. Beispielsweise wurden Mikroorganismen, die Glyphosat verarbeiten, mit diesem Pestizid in den Schwamm „geködert“. Auch beim Kontakt mit Bodenproben wurde das poröse Material von Mikroben in wenigen Tagen kolonisiert.

Um das medizinische Silikon für Mikroorganismen bewohnbar zu machen, mussten die Forscher das Material neu verarbeiten. Das Team mischte dem Polymer Tafelsalz bei, das dann wieder aufgelöst wurde. So entstanden kleine Löcher, verbunden durch feine Gänge: die gewünschte schwammartige Struktur. Um diese für die Anwendungen einsetzen zu können, haben die Forscher dann einen „Chip“ geformt. Diese kleine Einheit besteht aus demselben Silikon wie der Schwamm, aber in seiner homogenen, nicht porösen Form.

„Praktisch dabei ist, dass der Silikonchip – als Kombination von Schwamm und Chip – mit Standardmethoden sehr einfach hergestellt werden kann, in nahezu beliebiger Größe und Stückzahl“, sagt Niemeyer. „Am Ende hat man ein robustes Forschungswerkzeug, das praktisch in jeder Umgebung eingesetzt werden kann. Alles deutet darauf hin, dass dieser Chip sehr gut für die systematische Untersuchung von mikrobieller Dunkler Materie geeignet ist und auch interessante Möglichkeiten für die Kultivierung von bisher nicht kultivierbaren Mikroorganismen eröffnet.“

Originalpublikation: Ahmed E. Zoheir, Laura Meisch, Marta Velaz Martín, Christoph Bickmann, Alexei Kiselev, Florian Lenk, Anne-Kristin Kaster, Kersten S. Rabe, und Christof M. Niemeyer: Macroporous Silicone Chips for Decoding Microbial Dark Matter in Environmental Microbiomes, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 44, 49592–49603; DOI: 10.1021/acsami.2c15470

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