Die Mikroben, die den Darm bewohnen, sind entscheidend für die menschliche Gesundheit, und das Verständnis der Faktoren, die das Wachstum nützlicher Bakterienarten – bekannt als „gute“ Bakterien – im Darm fördern, kann medizinische Eingriffe ermöglichen, die die Darmgesundheit und die allgemeine menschliche Gesundheit fördern. In einer neuen Studie haben Yale-Forscher einen neuartigen Mechanismus aufgedeckt, durch den diese Bakterien den Darm besiedeln.
Insbesondere entdeckte das Yale-Team, dass eine der am häufigsten vorkommenden nützlichen Arten im menschlichen Darm ein erhöhtes Besiedlungspotenzial zeigte, wenn eine Kohlenstoffbegrenzung auftritt – eine Erkenntnis, die zu neuartigen klinischen Interventionen zur Unterstützung eines gesunden Darms führen könnte. Die Ergebnisse wurden am 16. März veröffentlicht Wissenschaft.
Das Yale-Team, das im Labor des Genetikers Eduardo Groisman, dem Waldemar-von-Zedtwitz-Professor für mikrobielle Pathogenese, ansässig ist, fand heraus, dass das nützliche Darmbakterium Bacteroides thetaiotaomicron auf den Mangel an Kohlenstoff – einem Hauptbaustein für alle Zellen – reagierte, indem es einen Teil davon absonderte Moleküle für einen essentiellen Transkriptionsfaktor innerhalb eines membranlosen Kompartiments.
Das Team stellte fest, dass die Sequestrierung des Transkriptionsfaktors seine Aktivität erhöhte, was die Expression von Hunderten von bakteriellen Genen veränderte, darunter mehrere, die die Darmkolonisierung fördern und zentrale Stoffwechselwege im Bakterium kontrollieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass „gute“ Bakterien die Sequestrierung von Molekülen in membranlose Kompartimente als wichtige Strategie zur Kolonisierung des Säugetierdarms verwenden.
Bacteroides thetaiotaomicron und andere im Säugetierdarm lebende Bakterien haben Zugang zu Nährstoffen, die vom Wirtstier aufgenommen werden. Es gibt aber auch längere Zeiträume, in denen der Wirtsorganismus nicht frisst. Der Mangel an Nährstoffen, einschließlich Kohlenstoff, löst die Produktion von Kolonisationsfaktoren in nützlichen Darmbakterien aus, fanden die Forscher heraus.
„Eines der Dinge, die sich herausstellten, ist, dass ein Organismus, der an Kohlenstoff hungert, das Signal ist, das dazu beiträgt, Eigenschaften zu produzieren, die gut für das Überleben im Darm sind“, sagte Aimilia Krypotou, Postdoktorandin in Groismans Labor und Hauptautorin des lernen.
Ein Zusammenfluss von Beobachtungen aus früheren Forschungen des Labors führte zum Durchbruch. Das erste war, als Groisman bemerkte, dass die Größe des Transkriptionsfaktors aus der Darmmikrobe viel größer war als die anderer gut untersuchter homologer Proteine aus anderen Bakterienarten. Das Team fand dann heraus, dass Bakterien im Darm einer Maus ohne die zusätzliche Region, die in homologen Proteinen fehlt, nicht überleben könnten.
Krypotou stellte dann die Hypothese auf, dass die zusätzliche Region dem Transkriptionsfaktor, der für das Überleben der Bakterien im Darm erforderlich ist, eine neue biophysikalische Eigenschaft verleihen könnte, und führte erfolgreich eine Reihe von Experimenten durch, um die Hypothese zu testen.
Das Bewusstsein für diese membranlosen Kompartimente reicht tatsächlich hundert Jahre zurück, sagte Groisman. Krypotous wichtigste Erkenntnis, sagte er, sei die Ableitung neuartiger Eigenschaften für den bakteriellen Transkriptionsfaktor – Rho genannt – basierend auf der zusätzlichen Region. Die Sequestrierung des Transkriptionsfaktors erfolgt durch einen Prozess, der als Flüssig-Flüssig-Phasentrennung bekannt ist, ein allgegenwärtiges Phänomen, das in einer großen Vielzahl von Zellen, einschließlich denen des Menschen, vorhanden ist.
„Dieses Phänomen ist bekannt, wird aber normalerweise mit Stress in eukaryotischen Organismen wie Pflanzen, Tieren und Pilzen in Verbindung gebracht“, sagte Groisman. „Kürzlich wurde festgestellt, dass es auch bei Bakterien passieren kann, und in unserem Fall haben wir festgestellt, dass es bei kommensalen Darmbakterien vorkommt, die es zum Überleben im Darm benötigen zu diesem Zweck könnte man vielleicht Organismen verbessern, die für den Menschen nützlich sind.“
Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, die Entwicklung neuer probiotischer Therapien für die Darmgesundheit voranzutreiben, sagte Krypotou.
„Die meisten Studien betrachten nur die Häufigkeit von Bakterien“, sagte sie. „Wenn wir nicht verstehen, was auf molekularer Ebene passiert, wissen wir nicht, ob es helfen würde.“
Mehr Informationen:
Emilia Krypotou et al, Bakterien benötigen eine Phasentrennung für die Fitness im Säugetierdarm, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.abn7229