Die Zusammensetzung des Darmmikrobioms hängt nicht nur davon ab, was Menschen essen. Auch die bereits vorhandenen Bakterien und ihre Wechselwirkungen spielen eine wichtige Rolle, wie eine Studie eines Forschungsteams um Prof. Till Strowig, Leiter der Abteilung „Mikrobielle Immunregulation“ am HZI, zeigt. In Modellsystemen untersuchten die Forscher:innen, wie Nahrungsbestandteile den Wettbewerb zwischen zwei weit verbreiteten Bakteriengruppen im Darm beeinflussen. Sie konzentrierten sich auf Bacteroidaceae, die häufig bei industrialisierten Bevölkerungsgruppen vorkommen, und auf die Prevotellaceae, zu denen auch Segatella copri gehört, die in vielen nicht-industrialisierten Bevölkerungsgruppen häufiger anzutreffen sind.
Eine pflanzenreiche Ernährung wird seit Langem als mögliche Erklärung für regional unterschiedliche Mikrobiom-Muster diskutiert. Sie reicht als alleinige Ursache jedoch nicht aus. „Wir wollten verstehen, welche Faktoren den Wettbewerb dieser Bakterien im Darm tatsächlich beeinflussen“, sagt Dr. Caroline Tawk, eine der beiden Erstautor:innen der Studie und bis vor kurzem Wissenschaftlerin in Strowigs Abteilung. Unterstützt durch ein gemeinsames Stipendium von HZI und EMBL forschte sie mehrere Monate am EMBL in Heidelberg und entwickelte dort einen hochparallelisierten Versuchsaufbau, um eine Vielzahl von Nahrungsbestandteilen zu untersuchen.
Escherichia coli verschiebt Wettbewerb zugunsten von Segatella copri
Zunächst stellte das Team eine definierte Gemeinschaft aus 21 menschlichen Darmbakterien zusammen. Daran prüften sie 94 Nahrungsbestandteile, insbesondere komplexe Kohlenhydrate und Vitamine. Mehr als die Hälfte der getesteten Komponenten förderte in dieser Gemeinschaft das Wachstum von S. copri. Besonders genau untersuchte das Team Arabinan, ein in pflanzlichen Zellwänden vorkommendes Kohlenhydrat. S. copri, aber auch andere Bacteroidaceae, können Arabinan direkt verwerten, sodass ausgeschlossen werden konnte, dass ein direkter Vorteil für die Expansion von S. copri in der Gemeinschaft verantwortlich war. Interessanterweise zeigte sich dieser Vorteil aber nicht in jeder Versuchsanordnung „Wenn wir S. copri und Bacteroidaceae ohne die übrigen Mitglieder der Darmgemeinschaft zusammengebracht haben, hat sich S. copri trotz Arabinan nicht durchgesetzt“, sagt Tawk. „Erst wenn wir zusätzlich Escherichia coli hinzugaben, verschob sich der Wettbewerb zugunsten von S. copri.“ Weitere getestete Enterobacteriaceae, darunter Klebsiella und Salmonella, unterstützten S. copri ebenfalls unter bestimmten Bedingungen.
Jedoch förderten auch Varianten von E. coli, die die beim Abbau von Arabinan entstehenden Einfachzucker nicht verstoffwechseln können, das Wachstum von S. copri. „Wir nehmen daher an, dass die Anwesenheit der Zucker – als Signalmolekül und nicht ihr Verbrauch durch E. coli – für den beobachteten Unterstützungseffekt ausreichen kann“, sagt Dr. Youssef El Mouali, ebenfalls Erstautor der Studie. Der genaue molekulare Mechanismus sei jedoch noch unbekannt.
Mikrobiomdaten unterstützen Beobachtungen unter Laborbedingungen
Zusätzlich analysierte das HZI-Team gemeinsam mit Forscher:innen der Universität Trient öffentlich verfügbare Mikrobiomdaten von rund 1000 gesunden Erwachsenen. Wie erwartet waren in den untersuchten Datensätzen S. copri und Enterobacteriaceae in nicht-industrialisierten Populationen häufiger und vielfältiger vertreten. Innerhalb dieser Gruppe war eine höhere Zahl verschiedener Enterobacteriaceae-Arten mit einem höheren Anteil an S. copri assoziiert. Dies ist ein Hinweis darauf, dass der beobachtete Effekt, wonach Enterobacteriaceae das Wachstum von S. copri unterstützen, nicht nur unter Laborbedingungen, sondern auch im menschlichen Darm auftritt.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass man die Wirkung eines Nahrungsbestandteils nicht losgelöst von der vorhandenen Bakteriengemeinschaft betrachten sollte“, fasst Studienleiter Strowig zusammen. „Ob sich dieses Wissen für individuell abgestimmte Ernährungs- oder Mikrobiomansätze nutzen lässt, müssen wir in weiteren Untersuchungen klären.“
