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Invasion mit Wasserstoffantrieb

12.12.2013
Während der Mensch erst langsam anfängt, Wasserstoff als Energiequelle zu nutzen, hat die Natur das Konzept schon längst umgesetzt. Forschende der ETH Zürich haben entdeckt, dass die als Durchfallbakterien gefürchteten Salmonellen Wasserstoff als Energiequelle verwenden, um den Darm zu besiedeln.

Im gesunden Darm tummeln sich Milliarden von Darmbakterien, welche die Verdauung unterstützen und den Darm gesund halten. Eine Vielzahl verschiedener Mikroorganismen, die Mikrobiota, besiedelt den Darm so dicht, dass Krankheitserreger in der Regel keine Chance haben, sich dort zu vermehren.

Manche Erreger wie das Durchfallbakterium Salmonella Typhimurium schaffen es aber trotzdem, in dieses dicht besiedelte Ökosystem einzudringen. Der Antwort auf die Frage, wie Salmonella dies schafft, sind Forschende der ETH Zürich einen Schritt näher gekommen. Sie haben entdeckt, woher der Erreger die Energie für seinen Vorstoss nimmt.

Wolf-Dietrich Hardt, ETH-Professor für Mikrobiologie, und seine Doktorandin Lisa Maier untersuchten, welche Faktoren in der frühen Phase des Salmonella-Befalls eine Rolle spielen. Während der Invasion des Darmökosystems setzt Salmonella Typhimurium ein Enzym ein, mit dessen Hilfe es sich gegen die Mikrobiota durchzusetzen vermag: die sogenannte Hydrogenase, welche Wasserstoff zur Energiegewinnung verstoffwechselt. «Man wusste zwar, dass Salmonella Typhimurium neben vielen anderen Energiequellen auch Wasserstoff nutzen kann. Es war aber bisher nicht klar, von welcher Energiequelle es während dieser frühen Phase der Darmbesiedelung profitiert», erklärt Maier.

Diebische Wasserstoffwirtschaft

Wasserstoff entsteht im Darm als Zwischenprodukt des normalen Stoffwechsels der Mikrobiota. «Salmonella betreibt also eine diebische Wasserstoffwirtschaft, indem es sich Energie von den Mikrobiota holt, um sich gegen eben diese durchzusetzen», sagt Hardt. Weil der Mikrobiota-Stoffwechsel bei den meisten Tieren ähnlich funktioniere, finde der Erreger in jedem neuen tierischen Wirt die nötige Energiequelle für seinen ersten Vorstoss.

Ist es Salmonella Typhimurium erst einmal gelungen sich im Darm zu vermehren, dringt das Bakterium in das Darmgewebe ein und verursacht Entzündung und Durchfall. In einigen Fällen gelangt Salmonella Typhimurium sogar in den Blutkreislauf und innere Organe. Tierversuche haben gezeigt, dass der Energieschub aus Wasserstoff hierbei keine essenzielle Rolle spielt. «Ausserhalb des Darmlumens muss sich Salmonella Typhimurium aber auch nicht in einer dichten Gemeinschaft von Mikroorganismen Platz verschaffen», gibt Maier zu bedenken.

Achillesverse der Darmflora

Das Enzym Hydrogenase kommt auch in einigen anderen Bakterien vor, wie zum Beispiel bei Escherichia coli und Helicobacter pylori, welches für Magengeschwüre verantwortlich ist. Die Forschenden vermuten daher, dass auch andere Krankheitserreger den von der Darmflora produzierten Wasserstoff als Energiequelle nutzen. Somit wird das eigene Stoffwechselprodukt der Mikrobiota zu einer Schwachstelle im Bollwerk gegen eine ganze Reihe von Krankheitskeimen.

«Die Darmflora sollte eigentlich vor Infektionen schützen, aber hier haben wir erstmals einen Fall, bei dem wir sehen, dass sie als unfreiwilliger Energielieferant Infektionen sogar fördert», sagt Hardt. Das Wechselspiel zwischen Mikrobiota und Krankheitserregern sei somit komplexer als ursprünglich angenommen.

LITERATURHINWEIS:
Maier L, Vyas R, Cordova CD, Lindsay H, Schmidt TSB, Brugiroux S, Periaswamy B, Bauer R, Sturm A, Schreiber F, von Mering C, Robinson MD, Stecher B, Hardt WD: Microbiota-Derived Hydrogen Fuels Salmonella Typhimurium Invasion oft he Gut Exosystem. Cell Host & Microbe, December 11, 2013. DOI: 10.1016/j.chom.2013.11.002

Angelika Jacobs | ETH Zürich
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

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