Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Bakterien als Schrittmacher des Darms

22.11.2017

CAU-Forschungsteam deckt Verbindung zwischen Mikrobiom und für eine gesunde Darmfunktion unverzichtbaren Gewebekontraktionen auf

Spontane Kontraktionen des Verdauungstrakts spielen bei den allermeisten Lebewesen eine wichtige Rolle, um eine gesunde Darmfunktion zu gewährleisten. Von einfachen wirbellosen Tieren bis hin zum Menschen sind es durchweg ähnliche Bewegungsmuster, die durch das rhythmische Zusammenziehen der Muskulatur den Darminhalt transportieren und durchmischen. Diese Kontraktionen des Darms sind für den Verdauungsprozess unverzichtbar und werden in der Wissenschaft als Peristaltik bezeichnet.


Nervenzellen der Hydren (in grün) erzeugen elektrische Impulse, die zu Kontraktionen der Muskelfasern im Gewebe der Körperhöhle führen.

Abbildung: Christoph Giez, Dr. Alexander Klimovich


Die Kontraktionen des Körpers werden von Nervenzellen (in grün) ausgelöst; Bakterien (in rot) greifen dabei in den Regelmechanismus der diesem Ablauf zugrundeliegenden Schrittmacherzellen ein.

Abbildung: Christoph Giez, Dr. Alexander Klimovich

Bei verschiedenen Krankheiten des Verdauungstraktes, zum Beispiel gravierenden entzündlichen Darmerkrankungen des Menschen, liegen Störungen der natürlichen Peristaltik vor. Bislang ist wenig erforscht, durch welche Faktoren diese Kontraktionen gesteuert werden.

Ein Forschungsteam aus der Arbeitsgruppe Zell- und Entwicklungsbiologie am Zoologischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) konnte nun erstmals belegen, dass die Bakterienbesiedlung des Darms eine wichtige Regelfunktion für die Peristaltik übernimmt. Ihre am Beispiel des Süßwasserpolypen Hydra gewonnenen Erkenntnisse veröffentlichten die Kieler Forschenden gestern in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Scientific Reports.

Auslöser der normalen, spontanen Kontraktionen des Muskelgewebes sind sogenannte Schrittmacherzellen des Nervensystems. In einem gewissen Rhythmus senden sie elektrische Impulse aus, deren Entladungen keiner äußeren Stimulation bedürfen. Diese Impulse erreichen schließlich die glatte Muskulatur der Darmwand und sorgen dafür, dass diese sich zusammenzieht.

Obwohl die Impulse an sich gewissermaßen von selbst ablaufen, unterliegen ihre Häufigkeit und Stärke dennoch externen Einflüssen. „Das Beispiel des einfachen Süßwasserpolypen Hydra hat uns gezeigt, dass die Bakterienbesiedlung des Tieres die Kontraktionen seiner Körperhöhle beeinflussen kann und dabei vermutlich in die Steuerung der zugrundeliegenden Schrittmachersignale eingreift“, fasst Professor Thomas Bosch, Leiter der Studie und Sprecher des Sonderforschungsbereichs 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“, zusammen.

Hydren verfügen anders als höher entwickelte Lebewesen über keinen Darm im eigentlichen Sinne. Ihre einfache Körperhöhle übernimmt aber neben anderen auch die Funktion eines Verdauungstrakts; das umgebende Gewebe zeigt ebenfalls die für den höher entwickelten Darm typischen Kontraktionen.

Um herauszufinden, wie die Peristaltik bei den Süßwasserpolypen gesteuert wird, verglichen die Forschenden normale, mit der typischen Bakterienbesiedlung ausgestattete Tiere mit solchen, deren Mikrobiom mit Hilfe eines Antibiotikums vollständig entfernt wurde.

Diese auch als keimfreie Polypen bezeichneten Tiere ohne Bakterienbesiedlung zeigten im Vergleich eine ungefähr auf die Hälfte reduzierte Anzahl an Kontraktionen, zugleich geriet der Takt der Bewegung durcheinander und die Pausen zwischen den Kontraktionen waren teilweise deutlich länger. Das Fehlen des typischen Mikrobioms verursachte also bei Hydra eine gravierende Einschränkung der peristaltischen Bewegungen der Körperhöhle.

In einem nächsten Schritt stellten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine gewisse Bakterienbesiedlung der keimfreien Tiere wieder her. Zunächst siedelten sie die fünf häufigsten Bakterienarten des Hydra-Mikrobioms jeweils einzeln wieder in den keimfreien Polypen an. Es zeigte sich, dass diese einseitige Bakterienbesiedlung keinen nennenswerten Effekt auf die Häufigkeit und den Takt der Kontraktionen hatte.

Erst die gemeinsame Wiedereinführung der fünf Hauptvertreter des Mikrobioms führte zu einer deutlichen Erholung der Peristaltik, obwohl sich auch in diesem Fall das Muster der Kontraktionen nicht vollständig normalisierte. Einen ähnlichen positiven Einfluss hatte interessanterweise auch ein aus den besiedelnden Bakterien hergestellter Extrakt.

Das Kieler Forschungsteam schloss daraus, dass nur das natürliche und vom Gleichgewicht der vertretenen Bakterienarten gekennzeichnete Mikrobiom bei Hydra eine wichtige Schrittmacherfunktion für die Peristaltik übernehmen kann. Sie fanden heraus, dass in diesem Fall bestimmte von den Bakterien abgesonderte Moleküle in den Regelmechanismus der Schrittmacherzellen eingreifen können.

So können bakterielle Signale entscheidend auf das Muster der spontanen peristaltischen Kontraktionen einwirken. „Wir konnten erstmals belegen, dass in unserem einfachen Modellorganismus das Mikrobiom eine unverzichtbare Funktion für die Häufigkeit und den Takt der Gewebekontraktionen übernimmt“, betont Bosch.

Das Beispiel des entwicklungsgeschichtlich ursprünglichen Modellorganismus Hydra zeige zudem, dass die Steuerung wichtiger Lebensprozesse vielzelliger Lebewesen durch ihre bakteriellen Symbionten bereits sehr früh in der Entwicklung des Lebens entstanden ist, so Bosch weiter. Daher seien die neuartigen Erkenntnisse besonders auch für die medizinische Forschung vielversprechend: „Die grundlegende Entschlüsselung der Zusammenarbeit von Organismus und Mikrobiom bei der Steuerung der Peristaltik wird uns künftig dabei helfen, die Entstehung schwerwiegender Krankheiten zu verstehen, die auf einer gestörten Beweglichkeit des Darms beruhen“, fasst Bosch zusammen.

Originalarbeit:
Andrea P. Murillo-Rincón, Alexander Klimovich, Eileen Pemöller, Jan Taubenheim, Benedikt Mortzfeld, René Augustin & Thomas C.G. Bosch (2017): “Spontaneous body contractions are modulated by the microbiome of Hydra”. Scientifc Reports, Published on 21.11.2017, https://www.nature.com/articles/s41598-017-16191-x

Bilder stehen zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-368-1.gif
Das typische Kontraktionsmuster des Süßwasserpolypen Hydra: Im Laufe von drei Minuten zieht sich das Tier stark zusammen und entspannt sich anschließend wieder vollständig.
Animation: Andrea Murillo-Rincon, Dr. Alexander Klimovich

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-368-2.jpg
Die Kontraktionen des Körpers werden von Nervenzellen (in grün) ausgelöst; Bakterien (in rot) greifen dabei in den Regelmechanismus der diesem Ablauf zugrundeliegenden Schrittmacherzellen ein.
Abbildung: Christoph Giez, Dr. Alexander Klimovich

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-368-3.jpg
Nervenzellen der Hydren (in grün) erzeugen elektrische Impulse, die zu Kontraktionen der Muskelfasern im Gewebe der Körperhöhle führen.
Abbildung: Christoph Giez, Dr. Alexander Klimovich

Kontakt:
Prof. Thomas Bosch
Zoologisches Institut, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4170
E-Mail: tbosch@zoologie.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Forschungsschwerpunkt „Kiel Life Science“, CAU Kiel
http://www.kls.uni-kiel.de

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

Zell- und Entwicklungsbiologie (AG Bosch),
Zoologisches Institut, CAU Kiel:
http://www.bosch.zoologie.uni-kiel.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text: Christian Urban
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de , Twitter: www.twitter.com/kieluni
Facebook: www.facebook.com/kieluni, Instagram: www.instagram.com/kieluni

Dr. Boris Pawlowski | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Nonstop-Transport von Frachten in Nanomaschinen
20.11.2018 | Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

nachricht Wie sich ein Kristall in Wasser löst
20.11.2018 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Nonstop-Transport von Frachten in Nanomaschinen

Max-Planck-Forscher entdecken die Nanostruktur von molekularen Zügen und den Grund für reibungslosen Transport in den „Antennen der Zelle“

Eine Zelle bewegt sich ständig umher, tastet ihre Umgebung ab und sendet Signale an andere Zellen. Das ist wichtig, damit eine Zelle richtig funktionieren kann.

Im Focus: Nonstop Tranport of Cargo in Nanomachines

Max Planck researchers revel the nano-structure of molecular trains and the reason for smooth transport in cellular antennas.

Moving around, sensing the extracellular environment, and signaling to other cells are important for a cell to function properly. Responsible for those tasks...

Im Focus: InSight: Touchdown auf dem Mars

Am 26. November landet die NASA-Sonde InSight auf dem Mars. Erstmals wird sie die Stärke und Häufigkeit von Marsbeben messen.

Monatelanger Flug durchs All, flammender Abstieg durch die Reibungshitze der Atmosphäre und sanftes Aufsetzen auf der Oberfläche – siebenmal ist das Kunststück...

Im Focus: Weltweit erstmals Entstehung von chemischen Bindungen in Echtzeit beobachtet und simuliert

Einem Team von Physikern unter der Leitung von Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt, Universität Paderborn, und Prof. Dr. Martin Wolf, Fritz-Haber-Institut Berlin, ist ein entscheidender Durchbruch gelungen: Sie haben weltweit zum ersten Mal und „in Echtzeit“ die Änderung der Elektronenstruktur während einer chemischen Reaktion beobachtet. Mithilfe umfangreicher Computersimulationen haben die Wissenschaftler die Ursachen und Mechanismen der Elektronenumverteilung aufgeklärt und visualisiert. Ihre Ergebnisse wurden nun in der renommierten, interdisziplinären Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

„Chemische Reaktionen sind durch die Bildung bzw. den Bruch chemischer Bindungen zwischen Atomen und den damit verbundenen Änderungen atomarer Abstände...

Im Focus: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Personalisierte Implantologie – 32. Kongress der DGI

19.11.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz diskutiert digitale Innovationen für die öffentliche Verwaltung

19.11.2018 | Veranstaltungen

Naturkonstanten als Hauptdarsteller

19.11.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Für eine neue Generation organischer Leuchtdioden: Uni Bayreuth koordiniert EU-Forschungsnetzwerk

20.11.2018 | Förderungen Preise

Nonstop-Transport von Frachten in Nanomaschinen

20.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie sich ein Kristall in Wasser löst

20.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics