Neue Studie: Darmbakterien kooperieren, wenn das Leben hart wird

Mikroorganismen, die sonst konkurrieren oder sich sogar gegenseitig verdrängen, können unter veränderten Lebensbedingungen auf einen kooperativen Lebensstil umschalten: Sie produzieren dann Substanzen, die anderen Arten das Leben erleichtern und ihnen sogar beim Überleben helfen. So stabilisiert sich die gesamte Lebensgemeinschaft – und passt sich gemeinsam erfolgreich der neuen Situation an.

Ihre Ergebnisse haben die Forscher um Prof. Dr. Ines Thiele, Leiterin der LCSB-Gruppe „Molecular Systems Physiology“ im Journal „Applied and Environmental Microbiology“ veröffentlicht (DOI: 10.1128/AEM.00101-15).

Im menschlichen Darm finden sich tausende von Bakterienarten, von denen die meisten wissenschaftlich noch nicht beschrieben sind. Dieses Ökosystem ist eine komplexe Lebensgemeinschaft: Die Mikroorganismen leben nebeneinander her, konkurrieren um Nährstoffe, verdrängen sich unter Umständen gegenseitig oder profitieren voneinander.

Diese Wechselbeziehungen besser zu verstehen, ist das Ziel von Almut Heinken, Research Associate in Ines Thiele’s Arbeitsgruppe: „In Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich auf der Basis von Literaturdaten am Computer modelliert, wie bestimmte Bakterienarten aufeinander reagieren, wenn sich die Lebensbedingungen in ihrer Umgebung verändern“, sagt die Wissenschaftlerin: „Solche Modellierungen sind eine gängige Methode, um die Wechselwirkung von Bakterien besser vorhersagen zu können. Wir haben das Verfahren weiterentwickelt und erstmalig auf Darmbakterien angewandt. Bei elf Arten konnten wir berechnen, wie diese sich jeweils paarweise in Anwesenheit von menschlichen Dünndarmzellen verhalten.“

Dabei ist die Almut Heinken auf überraschende Verhaltensweisen gestoßen: „Bakterien, die ansonsten sehr dominant sind und andere Arten verdrängen, gehen mit diesen plötzlich eine Symbiose ein, wenn beispielsweise der Sauerstoffgehalt in der Umgebung abnimmt. Sie geben Stoffe ab, mit denen sie Arten das Überleben erleichtern, die ansonsten im Wettbewerb unterliegen würden. Selbst erhalten sie auch Stoffe, an denen sie unter den ungünstigen Lebensumständen Mangel leiden.“ Solch symbiotisches Verhalten hat Heinken beispielsweise für die Bakterienart Lactobacillus plantarum berechnet.

Diese Umstellung des Stoffwechsels ist wichtig, damit die Bakteriengemeinschaft in den unterschiedlichen Abschnitten des Darms funktioniert: Beispielsweise ist der Sauerstoffgehalt im Dünndarm an verschiedenen Stellen unterschiedlich. An den Wänden ist mehr Sauerstoff vorhanden als an im Zentrum, am Dünndarmeingang mehr als an seinem Ende. „Dadurch, dass sich die Bakterien gegenseitig unterstützen, wenn sie sich in einer sauerstoffärmeren Umgebung befinden, bleibt die Bakteriengemeinschaft als Ganzes funktionsfähig – und damit die Verdauung“, erklärt Almut Heinken. Auch das Nährstoffangebot oder die Anwesenheit abgeschilferter Dünndarmzellen unterliegen räumlichen Schwankungen und haben einen Einfluss auf das symbiotische Verhalten der Bakterien.

Die LCSB-Forscher interessieren sich vor allem für die Bedeutung der Bakterienwechselwirkung im Zusammenhang mit Krankheiten, wie Ines Thiele erläutert: „Wir wissen, dass Ernährung und Verdauung einen Einfluss auf die Entstehung von Krankheiten haben können. Das bezieht sich nicht nur auf den Magen-Darm-Trakt, sondern auch auf andere Bereiche, etwa das Nervensystem und dessen Erkrankungen wie zum Beispiel die Parkinson Krankheit.“

Fernziel der Wissenschaftler ist deshalb, das Ökosystem Darm genau zu verstehen. Darum werden sie nun immer mehr Bakterienarten in ihre Computermodellierungen einbeziehen. „Wenn es uns gelingt, bestimmte Reaktionen der bakteriellen Lebensgemeinschaft mit dem Ausbruch von Krankheiten in Beziehung zu setzen, bekommen wir einen Hebel in die Hand“, sagt Thiele: „Wir eröffnen damit die Chance, über die Ernährung oder eine Beeinflussung der Darmflora etwa mit Probiotika präventiv oder therapeutisch auf die Krankheit einzuwirken.“

Kontakt: sabine.mosch@uni.lu , T. + 352 46 66 44 6423

http://www.uni.lu – Homepage des Luxembourg Centre for Systems Biomedicine
http://orbilu.uni.lu/handle/10993/20710 – Link zur wissenschaftlichen Publikation