Vom Leibge­richt eines Darmbakteriums

Raster­elek­tro­nen­mi­kro­sko­pische Aufnahme des Darmbak­te­riums Prevo­tella rodentium. Die Spezies wurde in der Studie isoliert. Foto: HZI/Manfred Rohde

Vom Leibge­richt eines Darmbakteriums

Der Verdau­ungs­trakt ist dicht besiedelt mit Bakterien und anderen Mikro­or­ga­nismen. Diese Darmmi­kro­biota hilft dem Wirt bei der Verwertung von Nährstoffen. Insbe­sondere pflanz­liche Ballast­stoffe können nur mithilfe der Darmbak­terien abgebaut und aufge­nommen werden. Die Zusam­men­setzung der Mikro­biota ist dynamisch und neben weiteren Faktoren abhängig von der Ernährung. Wissen­schaftler des Helmholtz-Zentrums für Infek­ti­ons­for­schung (HZI) in Braun­schweig haben gezeigt, dass die Verwertung des Ballast­stoffs Arabin­oxylan es Bakterien der Gattung Prevo­tella ermög­licht, eine dominante Rolle in der mikro­biellen Gemein­schaft einzu­nehmen. Für die Studie koope­rierten die Braun­schweiger Forscher mit der Max-Planck-Forschungs­stelle für die Wissen­schaft der Pathogene in Berlin. Ihre Ergeb­nisse veröf­fent­lichten sie in der Fachzeit­schrift Cell Host & Microbe.

Bis zu 50 Prozent der Bakterien in der Darmmi­kro­biota gehören zur Gattung Prevo­tella. Die Vertreter dieser Schlüs­sel­ga­ttung sind bisher noch wenig erforscht. Die Häufigkeit ihres Vorkommens hängt jedoch stark von der Ernährung ab. »Ziel unserer Studie war daher, die ökolo­gische Nische der Prevo­tellen zu verstehen und heraus­zu­finden, welche Nahrungs­fak­toren ihnen dabei helfen, eine dominante Rolle in der Mikro­biota einzu­nehmen«, sagt Prof. Till Strowig, Leiter der Abteilung »Mikro­bielle Immun­re­gu­lation« am HZI.

Dafür isolierten die Wissen­schaftler verschiedene Prevo­tella-Spezies aus der Mikro­biota von Mäusen. Wenn sie diese Spezies im Darm von Prevo­tella-freien Mäusen, die eine ballast­stoff­reiche Standard­er­nährung erhielten, ansie­delten, nahmen die Bakterien schnell eine dominante Rolle in der Mikro­biota ein. Insbe­sondere die Zugabe von Arabin­oxylan, einem Ballast­stoff, der in pflanz­lichen Zellwänden vorkommt, förderte das Wachstum der Prevotellen.

»Mithilfe von bioin­for­ma­ti­schen Analysen haben wir unter­sucht, welche geneti­schen Faktoren zur Dominanz der Prevo­tellen führen. Wir konnten zeigen, dass in den Bakterien genetische Elemente stark aktiviert wurden, die eine effektive Verwertung von komplexen Kohlen­hy­draten, sogenannten Polys­ac­cha­riden, ermög­lichen. Diese Elemente werden als PUL (englisch: polys­ac­charide utilizing loci) bezeichnet«, sagt Strowig. Prevo­tella-Spezies mit einer höheren Anzahl an PULs konnten Spezies mit weniger PULs aus der Mikro­biota verdrängen.

Daher vermuten die Forscher, dass diese Elemente in Gegenwart pflanz­licher Ballast­stoffe wichtig sind, um sich in der ökolo­gi­schen Nische zu behaupten. »Die ökolo­gische Nische ist jedoch hochdy­na­misch: Wenn wir den Zucker- oder Fettanteil in der Ernährung der Mäuse erhöht haben, sahen wir innerhalb kurzer Zeit einen Rückgang der Prevo­tellen von 50 auf fünf Prozent«, sagt Dr. Eric Galvez, Postdoc in Strowigs Abteilung und Erstautor der Studie.

»Darmbak­terien werden oft pauschal als ‚gut‘ oder ‚schlecht‘ für die Gesundheit katego­ri­siert. Bei Prevo­tellen ist diese eindeutige Zuordnung aber gar nicht möglich: Einer­seits werden sie mit positiven Gesund­heits­ef­fekten, wie einer verbes­serten Verstoff­wech­selung von Ballast­stoffen, assoziiert. Anderer­seits gibt es Hinweise, dass Prevo­tellen entzün­dungs­ver­stärkend wirken können«, sagt Strowig. Auch bei Menschen ist Prevo­tella eine stark vertretene Gattung in der Mikrobiota.

Daher hat Strowig mit seinem Team unter­sucht, ob Prevo­tellen dort ebenfalls PULs nutzen, um sich in der ökolo­gi­schen Nische zu behaupten. Sie haben bestehende Daten­sätze daraufhin analy­siert, ob das Vorkommen von PULs bei Prevo­tella copri, der häufigsten Prevo­tellen-Spezies in der mensch­lichen Darmmi­kro­biota, abhängig von der Ernährung ist. Tatsächlich konnten sie nur bei Veganern, nicht jedoch bei Vegeta­riern, eine Zunahme dieser Elemente gegenüber Menschen mit fleisch­hal­tiger Ernährung finden. »Wir wissen noch nicht, welche Nahrungs­fak­toren für die unter­schied­liche PUL-Häufigkeit verant­wortlich sind«, sagt Strowig.

Die aktuelle Studie zeigt eine Assoziation zwischen PULs und der Dominanz von Prevo­tella im Mikrobiom. »Derzeit arbeiten wir schon daran, im Mausmodell den kausalen Zusam­menhang und die moleku­laren Mecha­nismen der geneti­schen Elemente zu verstehen«, sagt Strowig. Dieses Wissen wollen die Wissen­schaftler anwenden, um die Wechsel­wir­kungen von Prevo­tella mit der Ernäh­rungsform und die genaue ökolo­gische Nische auch in der mensch­lichen Mikro­biota zu untersuchen.

Origi­nal­pu­bli­kation:

Eric J.C. Gálvez, Aida Iljazovic, Lena Amend, Till Robin Lesker, Thibaud Renault, Sophie Thiemann, Lianxu Hao, Urmi Roy, Achim Gronow, Emmanuelle Charpentier, Till Strowig: Distinct polys­ac­charide utiliz­ation deter­mines inter­species compe­tition between intes­tinal Prevo­tella spp. Cell Host & Microbe. 2020. doi: 10.1016/j.chom.2020.09.012

Textquelle: Susanne Thiele, Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

Bildquelle: Raster­elek­tro­nen­mi­kro­sko­pische Aufnahme des Darmbak­te­riums Prevo­tella rodentium. Die Spezies wurde in der Studie isoliert. Foto: HZI/Manfred Rohde