Stabilität und Dynamik des Mikrobioms

Jedes vielzellige Lebewesen auf der Welt ist von einer unvorstellbar großen Anzahl von Mikroorganismen besiedelt und hat sich in der Entstehungsgeschichte des Lebens gemeinsam mit ihnen entwickelt.

Das natürliche Mikrobiom, also die Gesamtheit dieser Bakterien, Viren und Pilze, die in und auf einem Körper leben, ist von fundamentaler Bedeutung für den Gesamtorganismus: Einerseits übernimmt es zum Beispiel von der Unterstützung der Nahrungsverwertung bis hin zum Schutz vor Krankheitserregern lebenswichtige Aufgaben für das Wirtslebewesen.

Andererseits werden Störungen des Mikrobioms mit verschiedenen schwerwiegenden Krankheiten in Verbindung gebracht, beim Menschen zum Beispiel Diabetes, Morbus Crohn oder andere chronische Entzündungskrankheiten.

Forschende weltweit untersuchen daher seit einigen Jahren intensiv die hochkomplexen Interaktionen von Wirtslebewesen und Mikroorganismen und ihre Beteiligung an zentralen Lebensprozessen.

Ein wichtiger Ansatz zu ihrem besseren Verständnis liegt in der Untersuchung sogenannter Modellorganismen. Dazu zählt unter anderem der nur etwa einen Millimeter lange Fadenwurm Caenorhabditis elegans, der sich wegen seiner einfachen Organisation und kurzen Generationszeiten gut für die evolutionsbiologische Forschung und Mikrobiomuntersuchungen eignet.

An seinem Beispiel hat ein Forschungsteam aus der Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) nun eine Langzeitbeobachtung im Rahmen des CAU-Sonderforschungsbereichs (SFB) 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ veröffentlicht. Sie untersucht, welche Faktoren die Zusammensetzung des natürlichen Mikrobioms im Verdauungstrakt des Fadenwurms beeinflussen.

Die Kieler Forschenden fanden heraus, dass das Mikrobiom des Wurms stark vom Mikrobenvorkommen in der Umwelt geprägt ist und es zwischen individuellen Tieren deutliche Unterschiede gibt. Zudem wird es vermutlich stark durch die Wechselwirkungen der Mikroben untereinander beeinflusst. Dies weist darauf hin, dass das Mikrobiom auch in deutlich voneinander abweichenden Zusammensetzungen in der Lage ist, dieselben grundlegenden Funktionen für den Wirt zu übernehmen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden kürzlich in der Fachzeitschrift Environmental Microbiology.

Individuelle Zusammensetzung des Mikrobioms

Forschende aus der CAU-Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik um Professor Hinrich Schulenburg hatten bereits vor wenigen Jahren die erste systematische Charakterisierung eines natürlichen C. elegans-Mikrobioms vorgelegt.

In einer daran anknüpfenden Forschungsarbeit ging das Kieler Forschungsteam nun der Frage nach, wie die Zusammensetzung dieser Mikrobengemeinschaft zustande kommt und wie sie sich von der aus Bakterien bestehenden Nahrung des Wurms, also den in der direkten Umgebung vorkommenden Mikroorganismen, unterscheidet.

„Der Wurm nimmt seine Nahrung und damit bestimmte Anteile seines Mikrobioms aus seiner direkten Umgebung auf. Im Fall unserer Untersuchung war dies ein Komposthaufen, der vor allem aus verrottender Biomasse und damit einem mikrobenreichen Substrat besteht“, sagt Erstautorin Dr. Julia Johnke, Wissenschaftlerin in der Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik.

„Die Umwelt bildet also die Quelle des Wurm-Mikrobioms und bietet gewissermaßen ein breites Spektrum, aus dem das Mikrobiom zusammengesetzt sein kann. Der Vergleich der Mikroorganismen im Substrat und in den Tieren zeigte allerdings, dass die Mikrobengemeinschaft in jedem einzelnen Tier jeweils individuell zusammengesetzt ist und sich vom deutlich umfangreicheren Mikrobenrepertoire der Umwelt unterscheidet“, so Johnke weiter.

Die Zusammensetzung des Wurmmikrobioms unterliegt also offenbar filternden Einflüssen, die die Mikrobengemeinschaft unabhängig von den äußeren Bedingungen regulieren.

Ein Lebensraum im Innern des Körpers

Die Kieler Forschenden kamen also zu dem Ergebnis, dass es neben wenigen Konstanten immer unterschiedliche Mikroben sind, die das natürliche Mikrobiom der individuellen Tiere ausmachen. „Es gibt nicht das eine Set an Bakterien, das dem Wurm dabei hilft, wichtige Lebensfunktionen wie die Nahrungsverwertung oder den Infektionsschutz aufrechtzuerhalten“, betont Schulenburg, Evolutionsbiologe und Leiter der Arbeitsgruppe.

„Das Mikrobiom des Fadenwurms ist individuell sehr unterschiedlich ausgeprägt und verändert sich im Laufe der Zeit dynamisch“, so Schulenburg weiter. Um zu verstehen, wie trotz dieser dynamischen Weiterentwicklung eine stabile Funktion des Mikrobioms gewährleistet ist, untersuchte das Kieler Forschungsteam die Wechselwirkungen der Mikroorganismen untereinander genauer: Das Mikrobiom steht zwar in funktionellen Wechselwirkungen mit dem Wirtslebewesen, ist dabei aber zugleich stark von den Interaktionen der Mikroorganismen untereinander geprägt.

So können zum Beispiel bestimmte Bakterienarten, die als Räuber von anderen Bakterien leben, die Bakteriendichte innerhalb des Mikrobioms kontrollieren. Dies schafft gewissermaßen Platz für verschiedene andere Arten von Mikroorganismen, insgesamt kann so eine hohe Artenvielfalt innerhalb des Mikrobioms entstehen. „Eine solche hohe Diversität kann potenziell vorteilhaft für das Wirtslebewesen sein“, sagt Postdoktorandin Johnke.

„Die große Vielfalt kann dafür sorgen, dass eine funktionelle Redundanz entsteht, also verschiedene Bakterienarten gewissermaßen füreinander einspringen und die gleichen Funktionen übernehmen können“, so Johnke weiter. Im gegenteiligen Fall kann das verstärkte Auftreten dominanter Spezies innerhalb des Mikrobioms zu einer Verarmung der Diversität führen und so potenziell negative Auswirkungen für den Wirtsorganismus haben – auch dieser Fall kann sich vermutlich im Mikrobiom des Fadenwurms abspielen.

Bei der Untersuchung der mikrobiellen Zusammensetzung und ihrer Veränderungen über die Zeit wenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler so wie in der Kieler Studie unter anderem die Prinzipien der Ökologie von Lebensgemeinschaften an. Dabei betrachten sie das Mikrobiom als einen eigenständigen Lebensraum, in dem zum Beispiel verschiedene Bakterienarten miteinander konkurrieren und dabei grundsätzlich denselben Prinzipien folgen wie etwa Wildtiere, die in einem bestimmten Lebensraum zusammenleben und sich in ihrem Bestand gegenseitig regulieren.

„Die Betrachtung des Fadenwurm-Mikrobioms als eigenständiges Ökosytem hat einen hohen Wert, da sie uns grundlegende Aussagen über die Dynamik und Zusammensetzung der mikrobiellen Besiedlung eines Lebewesens erlauben“, betont Schulenburg.

„Ähnlich wie in den Ökosystemen der sichtbaren Umwelt können in diesem mikrobiellen Lebensraum verschiedene Organismen identische Nischen oder Funktionen besetzen oder eine hohe Artenvielfalt vorteilhaft für die Stabilität des Gesamtsystems sein“, so Schulenburg weiter. Damit tragen die neuen Ergebnisse insgesamt zu einem besseren Verständnis der Zusammensetzung und Dynamik des Mikrobioms und den damit verbundenen funktionellen Konsequenzen für das Wirtslebewesen bei.

Abbildungen stehen zum Download bereit:

https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2020/073-johnke-env-microbio-autho…
Bildunterschrift: Dr. Julia Johnke, Wissenschaftlerin in der Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik, untersuchte die Zusammensetzung und Dynamik des natürlichen Fadenwurm-Mikrobioms.
© Christian Urban, Uni Kiel

https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2020/073-johnke-env-microbio-worms…
Bildunterschrift: Das Mikrobiom des Wurms (Bakterien rot gefärbt) wird stark durch die Umwelt beeinflusst und unterscheidet sich deutlich zwischen den individuellen Tieren.
© Dr. Julia Johnke

https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2020/073-johnke-env-microbio-sampl…
Bildunterschrift: Die Würmer stammen aus der verrottenden Biomasse eines Komposthaufens, die eine charakteristische Mikrobenzusammensetzung besitzt, sich darin aber deutlich vom Mikrobiom der Tiere unterscheidet.
© Christian Urban, Uni Kiel

Über den SFB 1182:

Der Sonderforschungsbereich „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ ist ein interdisziplinäres Netzwerk unter Beteiligung von rund 80 Forschenden, das die Interaktionen spezifischer Mikrobengemeinschaften mit vielzelligen Wirtslebewesen untersucht. Es wird von der Deutschen Forschungsgmeinschaft (DFG) unterstützt und beschäftigt sich mit der Frage, wie Pflanzen und Tiere einschließlich des Menschen gemeinsam mit hoch spezifischen Gemeinschaften von Mikroben funktionale Einheiten (Metaorganismen) bilden. Ziel des SFB 1182 ist es, zu verstehen, warum und wie mikrobielle Gemeinschaften diese langfristigen Verbindungen mit ihren Wirtsorganismen eingehen und welche funktionellen Konsequenzen diese Wechselwirkungen haben. Im SFB 1182 sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus fünf Fakultäten der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, dem Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie Plön, der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, dem Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und der Mathematik und der Muthesius Kunsthochschule zusammengeschlossen.

Weitere Informationen:

Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik, Zoologisches Institut, CAU Kiel:
http://www.uni-kiel.de/zoologie/evoecogen

Sonderforschungsbereich (SFB) 1182
„Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“, CAU Kiel
http://www.metaorganism-research.com

Prof. Hinrich Schulenburg
Leiter Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4141
E-Mail: hschulenburg@zoologie.uni-kiel.de

Dr. Julia Johnke
Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4148
E-Mail: jjohnke@zoologie.uni-kiel.de

Julia Johnke Philipp Dirksen Hinrich Schulenburg (2020): Community assembly of the native C. elegans microbiome is influenced by time, substrate and individual bacterial taxa. Environmental Microbiology First published: 30 January 2020
https://doi.org/10.1111/1462-2920.14932

http://www.uni-kiel.de/zoologie/evoecogen
http://www.metaorganism-research.com