Bakterien entwickeln und setzen regelmäßig neue Antibiotika in einem endlosen Wettrüsten ein, um andere Bakterienarten zu töten, die um gemeinsame Ressourcen konkurrieren. Menschen haben sich diese evolutionär verfeinerte Fähigkeit zunutze gemacht, indem sie Antibiotika verabreicht haben, um schädliche Bakterien zu bekämpfen, die in ihren Körper eindringen und ihn infizieren.
Aber Antibiotika können auch Unbeteiligte angreifen – darunter die oft nützlichen Bakterienarten, die im Darm von Menschen und vielen anderen Tieren leben. Mit der zunehmenden Verwendung und Verbreitung von Antibiotika in der Umwelt, insbesondere durch die Anwendung bei Nutztieren, tritt ihre Wirkung auf Wirtsbakterien zusammen mit der Zunahme von Antibiotikaresistenzen als potenzieller Grund zur Besorgnis auf.
Frühere Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Exposition gegenüber Antibiotika das Vorhandensein und die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft oder des Mikrobioms eines Wirts verringern und möglicherweise Veränderungen im Stoffwechsel und eine größere Anfälligkeit für Krankheitserreger, Fettleibigkeit und antibiotikaresistente Bakterien bewirken kann. Studien haben sogar gezeigt, dass Antibiotika das Mikrobiom der nächsten Generation von Nachkommen beeinflussen können, die diese Bakterien von den Eltern oder der Umwelt erhalten. Weniger ist jedoch darüber bekannt, wie sich diese Effekte über mehrere Generationen hinweg auswirken.
Auf der Suche nach Antworten wandten sich Reilly Cooper und Kollegen aus Nebraska an Daphnia magna, eine Krustentierart, die nur Millimeter lang wird, sich aber als idealer Organismus für die Untersuchung der Mikrobiomdynamik herausstellt. Das Team zog fünf Generationen von D. magna auf; Die Hälfte der ersten Generation wurde antibiotikafrei aufgezogen, die andere Hälfte in einem antibiotikareichen Cocktail. Nachfolgende Generationen der antibiotikafreien Krebstiere wurden weiterhin auf diese Weise aufgezogen. Jede Generation, die von Eltern geboren wurde, die Antibiotika ausgesetzt waren, war unterdessen gleichmäßig zwischen einer antibiotikareichen oder antibiotikafreien Existenz aufgeteilt.
Wie erwartet schienen Antibiotika die Bakterienpopulation in D. magna der ersten Generation drastisch zu verändern, indem sie die Anzahl einer prominenten Bakteriengruppe erhöhten, während sie die Häufigkeit einer anderen eindämmten. Und die Diversität der Bakterienarten ging über Generationen von Krebstieren, die Antibiotika ausgesetzt waren, weiter zurück.
D. magna, dessen Eltern Antibiotika ausgesetzt waren, die aber selbst antibiotikafrei aufgezogen wurden, prahlte mit Bakteriengemeinschaften, die größtenteils nicht von Krebstieren zu unterscheiden waren, deren Vorfahren nie ausgesetzt waren. Dieser Befund, der den Erwartungen des Teams zuwiderlief, deutet darauf hin, dass nur eine Generation ausreichen könnte, damit sich ein Mikrobiom effektiv erholt – unabhängig davon, wie viele Generationen der Antibiotika-Exposition ihm vorausgegangen sind.
Das Team erlebte eine weitere Überraschung: Der einfache Akt der Isolierung der einzelnen Krebstiere, ob antibiotikaexponiert oder -frei, korrespondierte auch mit einer geringeren Bakterienvielfalt über Generationen von D. magna hinweg. Obwohl die Überlebensraten über die Generationen isolierter Krebstiere zurückgingen, nahmen sowohl die Körpergröße als auch die Gesamtreproduktion zu. Ebenso das Verschwinden relativ seltener Bakteriengruppen – was darauf hindeutet, dass diese Gruppen eine schädliche Rolle spielen könnten.
Nachdem D. magna die Auswirkungen verschiedener Bedingungen auf Mikrobiome gezeigt hat, sollte es weiterhin als Modellorganismus zur Untersuchung der Widerstandsfähigkeit, Vielfalt und Flugbahn von Bakteriengemeinschaften über Generationen hinweg dienen, sagte das Team.
Cooper hofft insbesondere, dass die Forscher die Einflüsse der Isolation weiterverfolgen, die darauf hindeuten, dass die Aufrechterhaltung eines vielfältigen Mikrobioms davon abhängen könnte, ob ein Tier neben Artgenossen aufwächst. Wenn ja, könnte dies Auswirkungen auf eine ganze Reihe von Wirtsarten haben, sagte er.
Die Studie ist erschienen in FEMS Mikrobiologie Ökologie.
Reilly O Cooper et al, Mehrere Generationen von Antibiotika-Exposition und -Isolation beeinflussen die Wirtsfitness und das Mikrobiom in einer Modell-Zooplanktonart, FEMS Mikrobiologie Ökologie (2022). DOI: 10.1093/femsec/fiac082