Es wurde festgestellt, dass Bakterien zur Modulation des Verhaltens von Tieren beitragen

Ein immer wichtigeres Arbeitsfeld in den modernen Lebenswissenschaften ist die Erforschung der symbiotischen Koexistenz von Tieren, Pflanzen und Menschen mit ihren spezifischen mikrobiellen Populationen. In den letzten Jahren haben Forscher zunehmend Hinweise darauf gesammelt, dass die Zusammensetzung und das Gleichgewicht des Mikrobioms eine entscheidende Rolle für die Funktion und Gesundheit des gesamten Organismus spielen.

Sie haben einen grundlegend wichtigen Aspekt dieser funktionellen Beziehungen in der Kommunikation zwischen Nervenzellen des Wirts und seinem Mikrobiom identifiziert, die bereits sehr früh in der Evolution etabliert wurde. Die Bedeutung dieser Zusammenarbeit und wie sich diese Interaktionen auf das Verhalten auswirken, ist noch weitgehend unbekannt.

Ein Forschungsteam des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1182 „Entstehung und Funktion von Metaorganismen“ an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel hat in einer aktuellen Studie neue Erkenntnisse über die Zusammenarbeit zwischen Nervensystem und Mikrobiom gewonnen. Am Beispiel des Süßwasserpolypen Hydra untersuchten die Kieler Forscher die neuronalen Grundlagen ihres Fressverhaltens und ob und auf welche Weise das Mikrobiom in dieses Verhalten eingreift.

Damit konnten sie erstmals mechanistisch nachweisen, dass ein Mikrobiom mit reduzierter Diversität die Funktion bestimmter Nervenzellen beeinflusst und so das Fressverhalten verändert. Sie veröffentlicht ihre Forschungsergebnisse heute in der Zeitschrift Aktuelle Biologie.

Das komplexe Zusammenspiel von Nervenzellen steuert das Fressverhalten der Hydra

Der Süßwasserpolyp Hydra ist ein etwa einen Zentimeter großes Nesseltier, das in seichten Gewässern von Seen an Wasserpflanzen lebt und sich unter anderem von mikroskopisch kleinen Krebstieren ernährt. Um ihre Beute zu fangen, führt Hydra ein koordiniertes und relativ schnelles Verhaltensprogramm aus.

„Dieses Verhalten lässt sich experimentell gut untersuchen, da es nicht nur durch die lebende Beute, sondern auch durch das Peptid Glutathion ausgelöst werden kann, das den Tieren in den Kulturschalen verfüttert werden kann“, erklärt Christoph Giez, SFB-1182-Mitglied und Doktorand. D. Student in der Gruppe Zell- und Entwicklungsbiologie am Zoologischen Institut.

„Dem Fressverhalten liegt eine neuronale Steuerung zugrunde, die deutlich komplexer ist, als man bisher vom einfachen Nervennetzwerk der Hydra annahm“, fährt Giez fort. Mithilfe einer kalziumbasierten Visualisierungsmethode konnte das Forschungsteam die am Fressverhalten beteiligten Nervenpopulationen im lebenden Tier in Echtzeit beobachten und so den beteiligten neuronalen Schaltkreis identifizieren.

Die Zusammensetzung des Mikrobioms beeinflusst das natürliche Fressverhalten

Um einen Zusammenhang zwischen Mikrobiom und Fressverhalten zu testen, untersuchten die Wissenschaftler zunächst künstlich keimfreie Tiere: Hydras ohne Mikrobiom zeigten ein deutlich verändertes Verhaltensmuster, das sich vor allem in einer kürzeren Mundöffnungsdauer äußerte. „Durch die erneute Zugabe des Mikrobioms wurde bei diesen Tieren das normale Fressverhalten wiederhergestellt. Dadurch konnten wir den direkten Einfluss des Mikrobioms nachweisen“, sagt Giez.

Um herauszufinden, welche Bakterien einen besonders großen Einfluss haben, besiedelten die Kieler Forscher im nächsten Schritt zunächst keimfreie Tiere mit jeweils einer definierten Bakterienart. „Ein besonders interessanter Effekt zeigte sich bei der Besiedlung mit dem Bakterium Curvibacter. Das Fressverhalten von Tieren, die nur mit Curvibacter besiedelt sind, ist sehr stark beeinträchtigt: Diese Tiere können ihr Maul nur sehr eingeschränkt öffnen“, fährt Giez fort.

In weiteren Studien wurde festgestellt, dass Curvibacter die Aminosäure Glutamat produziert, die auch im menschlichen Stoffwechsel eine wichtige Rolle spielt. Wenn die Zusammensetzung des Mikrobioms stark reduziert ist und nur noch Curvibacter vorhanden ist, reichert sich Glutamat an, bindet an Neuronen und führt zu einer Verstopfung der Mundöffnung. Die hemmende Wirkung der Curvibacter-Bakterien wird umgekehrt, sobald auch die übrigen Mitglieder des Mikrobioms wieder in das Gewebe eingeschleust werden.

„Insgesamt konnten wir nachweisen, dass auch bei stammesgeschichtlich alten Tieren ein vielfältiges Mikrobiom für ein normales Fressverhalten notwendig ist. Ist die Zusammensetzung dieses Mikrobioms stark gestört, kommt es zu erheblichen Verhaltensänderungen“, sagt Professor Thomas Bosch, Leiter des Instituts Gruppe Zell- und Entwicklungsbiologie.

Die Forscher haben Beweise dafür gesammelt, dass dies auf Interaktionen zwischen den verschiedenen Mitgliedern des Mikrobioms zurückzuführen ist. Liegt ein artenreiches, „normales“ Mikrobiom vor, wird das produzierte Glutamat von anderen Bakterienarten aufgenommen und verwertet und der für das Fressverhalten verantwortliche neuronale Schaltkreis wird nicht gestört.

Hydra eröffnet das Spektrum neuartiger Forschungsperspektiven

Mit ihrem mechanistischen Nachweis der Zusammenarbeit zwischen Mikrobiom und Nervensystem liefern die neuen Forschungsergebnisse des SFB 1182-Teams wichtige neue Ansätze für die vertiefte Forschung.

„Unsere Studie öffnet die Tür für weitere Forschungen zu den Auswirkungen des Zusammenspiels von Mikrobiom und Nervensystem auf die Funktionen des Gesamtorganismus. Wir wollen künftig unter anderem herausfinden, ob und wie Mikroorganismen bereits daran beteiligt sind.“ „Die Entstehung des Nervensystems während der Embryonalentwicklung und welche Rolle das Mikrobiom bei der Produktion von Neurotransmittern spielt“, sagt Bosch.

Langfristig ergeben sich aus der Aufklärung dieser einzelnen Bausteine ​​vielfältige spannende Forschungsperspektiven, die auch auf die Verbesserung der menschlichen Gesundheit abzielen.

„Vielleicht können wir mit einem besseren Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Nervenzellen und Bakterien im Modelltier Hydra auch die Mechanismen untersuchen, die beim Menschen zu neurologischen und neurodegenerativen Erkrankungen führen können. Allerdings ist die Häufigkeit dieser Erkrankungen sehr hoch.“ weltweit sind die Mechanismen ihrer Pathogenese noch nicht verstanden“, sagt Bosch, Sprecher des SFB 1182.