Die überraschend einfallsreiche Art und Weise, wie Bakterien im menschlichen Darm gedeihen

Das Darmmikrobiom ist für die menschliche Verdauung und Gesundheit so nützlich, dass es oft als zusätzliches Verdauungsorgan bezeichnet wird. Diese riesige Ansammlung von Bakterien und anderen Mikroorganismen im Darm hilft uns, Lebensmittel aufzuspalten und Nährstoffe oder andere Stoffwechselprodukte zu produzieren, die sich auf vielfältige Weise auf die menschliche Gesundheit auswirken.

Neue Forschungsergebnisse der University of Chicago zeigen, dass einige Gruppen dieser mikrobiellen Helfer auch erstaunlich einfallsreich sind und über ein großes Repertoire an Genen verfügen, die ihnen helfen, Energie für sich selbst zu erzeugen und möglicherweise auch die menschliche Gesundheit zu beeinflussen.

Das Papier, veröffentlicht 4. Januar 2024, in Naturmikrobiologieidentifizierten 22 Metaboliten, die drei entfernt verwandte Familien von Darmbakterien als Alternativen zu Sauerstoff für die Atmung in der anaeroben Umgebung des Darms verwenden.

Diese Bakterien verfügen außerdem über bis zu Hunderte Kopien von Genen zur Produktion der Enzyme, die diese alternativen Metaboliten verarbeiten – viel mehr, als bei Bakterien gemessen wurde, die außerhalb des Darms leben. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass anaerobe Darmbakterien möglicherweise auch aus Hunderten anderer Verbindungen Energie gewinnen können.

„Dies sind Beispiele für einige der besonderen Stoffwechselvorgänge, die auf all diese verschiedenen Metaboliten einwirken, die vom Darmmikrobiom produziert werden“, sagte Sam Light, Ph.D., Neubauer Family Assistant Professor für Mikrobiologie an der UChicago und leitender Autor der Studie.

„Das ist interessant, weil das Mikrobiom unsere Gesundheit vor allem dadurch beeinflusst, dass es diese kleinen Moleküle herstellt oder verändert, die dann in unseren Blutkreislauf gelangen und wie Medikamente wirken können.“

Auf der Ebene des Organismus verstehen wir unter Atmung typischerweise den Prozess des Einatmens von Sauerstoff. Auf zellulärer Ebene beschreibt die Atmung einen energieerzeugenden biochemischen Prozess. Die meisten Zellen nutzen Sauerstoff für die Atmung, aber in anaeroben Umgebungen wie dem Darminneren haben sich Zellen dahingehend entwickelt, auch andere Moleküle zu nutzen.

Zellen verfügen über zwei Hauptarten des Stoffwechsels zur Energieerzeugung: Fermentation und Atmung. Bei der Fermentation zerlegt die Zelle Moleküle, um direkt Energie zu erzeugen.

An der Atmung sind zwei Moleküle beteiligt: ​​ein Elektronendonor und ein Elektronenakzeptor. Ein klassisches Beispiel für diesen Prozess verwendet Glukose als Donor und Sauerstoff als Akzeptor. Die Zellen bauen die Glukose ab, indem sie extrahierte Elektronen durch eine Reihe von Schritten transportieren, bevor sie schließlich auf ein Sauerstoffmolekül übertragen werden. Dies veranlasst die Zelle, ATP oder Adenosintriphosphat zu erzeugen: die grundlegende Energiequelle für die Nutzung und Speicherung auf zellulärer Ebene.

Die meisten im Darm lebenden Mikroben nutzen die Fermentation, aber es gibt auch mehrere bekannte Arten von Bakterien mit respiratorischem Stoffwechsel, darunter solche, die Kohlendioxid und Sulfat-Elektronenakzeptoren nutzen.

Für die neue Studie analysierten Light und seine Kollegen eine Datenbank mit mehr als 1.500 Genomen aus einer Datenbank menschlicher Darmbakterien. Sie sahen eine überraschende Verteilung von Genen, die Reduktasen produzieren, das sind Enzyme, die verschiedene respiratorische Elektronenakzeptoren nutzen. Während die meisten Genome nur wenige Reduktasen kodieren, kodiert eine kleine Untergruppe mehr als 30 verschiedene.

Diese Bakterien waren nicht eng verwandt; Sie stammten aus drei unterschiedlichen und entfernt verwandten Familien (Burkholderiaceae, Eggerthellaceae und Erysipelotrichaceae), die durch Hunderte Millionen Jahre Evolutionsgeschichte getrennt waren.

Diese Bakterien scheinen einfallsreicher zu sein als Bakterien mit Atemstoffwechsel, die außerhalb eines Wirtsorganismus leben und hauptsächlich anorganische Verbindungen verwenden. Die von Light und Team identifizierten Atemwegsdarmbakterien sind auf verschiedene organische Metaboliten spezialisiert, was angesichts der konstanten Nahrungsversorgung sinnvoll ist.

„Es gibt so viel organisches Material im Darm, das aus der Nahrung stammt, die wir essen. Es ist chemisch komplex und man braucht mehr Enzyme, um es in dieser Umgebung unterzubringen“, sagte Light. „Wir glauben, dass diese Vielfalt an Genen es Darmbakterien ermöglicht, viele verschiedene Dinge zu nutzen, die ihnen in den Weg kommen.“

Einige der von ihnen verwendeten Metaboliten haben auch interessante Auswirkungen auf die menschliche Darmgesundheit. Menschen mit Typ-2-Diabetes haben beispielsweise höhere Konzentrationen eines Aminosäurenebenprodukts namens Imidazolpropionat im Blut. Ein weiterer Metabolit, Resveratrol, beeinflusst mehrere Stoffwechsel- und Immunsystemprozesse, und Itaconat wird von Makrophagen als Reaktion auf Infektionen produziert.

Light hofft, dass weitere Forschungen wie diese uns helfen werden, die Funktion verschiedener Mikroben im Darm zu verstehen, was wiederum zur Verbesserung der Gesundheit genutzt werden kann.

„Ich hoffe, dass unser Verständnis dieser verschiedenen Stoffwechselprozesse und ihrer Funktionsweise es uns ermöglichen wird, Strategien zu entwickeln, mit denen wir eingreifen können – sei es über die Ernährung oder pharmakologisch –, um den Metabolitenfluss über diese verschiedenen Stoffwechselwege zu modulieren“, sagte er. „So könnten wir in jedem Kontext, etwa bei Typ-2-Diabetes oder nach einer Infektion, steuern, welche Metaboliten produziert werden, um einen therapeutischen Nutzen zu erzielen.“