Door complexe interacties tussen bacteriesoorten zijn biofilms moeilijk te bestrijden

Het nieuwe inzicht is het resultaat van een prestigieuze Marie Skłodowska-Curie fellowship, gefinancierd onder het Excellent Science-programma van de Europese Commissie (Grant agreement ID: 101025683), toegekend aan Faizan Ahmed Sadiq van het ILVO en een samenwerking tussen ILVO, KULeuven en de Universiteit van Kopenhagen.

In het onderzoek werden technieken gebruikt die baanbrekend zijn voor de microbiologietak van de wetenschap, maar de studie biedt ook perspectief voor de ontwikkeling van effectievere schoonmaak- en ontsmettingsprotocols in de melkvee- en zuivelindustrie. Het fellowship leverde nieuwe kennis op over multispecies biofilms, die reeds heeft geleid tot verschillende wetenschappelijke publicaties.

Wereldwijd wordt in de voedselketen naar schatting 324 miljard dollar (US) per jaar besteed aan het beheersen en verwijderen van biofilms. Ook in de zuivelindustrie is het probleem significant. Biofilms die zich ontwikkelen op roestvrijstalen oppervlaktes, zoals in een pasteur, kunnen het bederf van zuivel versnellen of een besmetting met pathogenen zoals Listeria monocytogenes veroorzaken. De omstandigheden (temperatuur, vochtigheid, organisch materiaal) in een zuivelfabriek en bij uitbreiding in een melkveebedrijf zijn optimaal voor de groei van bepaalde bacteriën en voor de vorming van biofilms.

Biofilms als gemengde bacteriegemeenschappen

Een grote variatie aan bacteriën kan biofilms ontwikkelen op roestvrij staal. Schoonmaken en desinfecteren volstaat vaak niet. Of een biofilm een antibacteriële behandeling overleeft, wordt in belangrijke mate bepaald door de bacteriën die er samenleven en door de manier waarop ze interageren. Hun interactie gaat van samenwerking tot concurrentie en vormt een delicaat evenwicht dat de weerbaarheid van de biofilm bepaalt. De aan- of afwezigheid van bepaalde bacteriesoorten kan een biofilm weerbaarder of kwetsbaarder maken voor desinfectie.

Sleutelbacteriën

Een belangrijke vaststelling uit het onderzoek is de noodzakelijke aanwezigheid van ‘sleutelbacteriën’, die de vorming van de biofilm en de groei van andere bacteriën versnellen. Ze vormen als het ware een hoeksteen die het complexe web van bacteriën in een biofilm in stand houdt en bevorderen de groei van andere bacteriën, zoals Stenotrophomonas . Ze beïnvloeden ook de productie van een beschermende matrix door nog andere bacteriën, een kleverige substantie die de biofilm samenhoudt en beschermt tegen reinigings- en desinfectiemiddelen.

Een voorbeeld van zo’n sleutelbacterie die relevant is voor de zuivelsector is Microbacterium lacticum .

Faizan Sadiq (ILVO): “Dit onderzoek zet de traditionele kennis van biofilms, gebaseerd op de aanname dat één soort voldoende is om een biofilm te vormen, op de helling. Het doet ons kijken naar biofilms als gemengde bacteriegemeenschappen die zich organiseren om samen te groeien, zelfs wanneer er voor hen conflict dreigt.”

Nieuwe piste voor protocols en chemicaliën

Het belang van deze nieuwe inzichten voor de beheersing en preventie van biofilms in de zuivelindustrie is niet te onderschatten. Faizan Ahmed Sadiq: “We willen deze resultaten via vervolgonderzoek nog verder vertalen in concrete aanbevelingen voor de industrie. Een eerste kan zijn om oppervlakten te screenen op de aanwezigheid van Microbacterium lacticum, zodat bedrijven gealarmeerd worden en sneller kunnen ingrijpen. Bij de ontwikkeling van nieuwe antibacteriële middelen en schoonmaakprotocols is het interessant om te zoeken naar chemicaliën en methoden die de sociale afhankelijkheid in de gemeenschap destabiliseren of de sleutelbacteriën verzwakken.”

Het onderzoek heeft niet alleen gevolgen voor de zuivelindustrie. Ook voor de pluimvee- en varkenssector wordt gekeken naar de vorming van biofilms in drinkwaterleidingen en naar hoe schoonmaakprotocols verbeterd kunnen worden op basis van deze nieuwe inzichten.

Marie Skłodowska-Curie- fellowship

Het is de eerste keer dat het ILVO via het Marie Skłodowska-Curie-postdoc fellowship-programma een topwetenschapper met ervaring uit het buitenland kon aantrekken. Tijdens zijn onderzoek ontstond ook een sterke samenwerking met onderzoeksgroepen van KULeuven en de Universiteit van Kopenhagen. Alleen dankzij de complementaire expertise en aanpak van de 3 kennisinstellingen kon de complexiteit van de dynamiek in biofilms ontrafeld worden.

“We combineerden voor het eerst technieken zoals ‘metatranscriptomics’, ‘confocal laser scanning microscopy’ en het gebruik van biosensoren op combinaties van bacteriesoorten, wat een grote vooruitgang betekende voor het onderzoek naar biofilms”, zegt Marc Heyndrickx van ILVO.

ILVO