Studie zeigt, dass sich das Mikrobiom dynamisch verändert und wichtige wirtsrelevante Funktionen begünstigt

Alle vielzelligen Organismen – von den einfachsten tierischen und pflanzlichen Organismen bis hin zum Menschen – leben in enger Verbindung mit einer Vielzahl von Mikroorganismen, dem sogenannten Mikrobiom, die ihr Gewebe besiedeln und in symbiotischer Beziehung mit dem Wirt leben.

Viele lebenswichtige Funktionen wie die Nährstoffaufnahme, die Regulierung des Immunsystems oder neurologische Prozesse resultieren aus den Interaktionen zwischen Wirtsorganismus und mikrobiellen Symbionten. Die funktionelle Zusammenarbeit zwischen Wirt und Mikroorganismen, die Wissenschaftler als Metaorganismus bezeichnen, wird an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel im Sonderforschungsbereich (SFB) 1182 Entstehung und Funktion von Metaorganismen eingehend untersucht.

Wissenschaftler vermuten, dass das Mikrobiom maßgeblich zur Umweltanpassung und Fitness eines gesamten Organismus beitragen kann. Einen Grund dafür sehen sie in der schnellen Anpassungsfähigkeit von Mikroorganismen, die um ein Vielfaches schneller auf veränderte Umweltbedingungen reagieren können als die sich meist langsamer entwickelnden Wirtsorganismen.

Wie die Besiedlung und Zusammensetzung des Mikrobioms während der individuellen Entwicklung des Wirtsorganismus entsteht, ist Gegenstand aktueller Forschung.

Ein Team der Forschungsgruppe Evolutionäre Ökologie und Genetik um Professor Hinrich Schulenburg am Zoologischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel hat nun zusammen mit weiteren Forschungsgruppen des SFB 1182 aus verschiedenen Fakultäten und dem Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön das untersucht Dynamik der Mikrobiombesiedlung.

Sie fanden heraus, dass das Mikrobiom im Wirtsorganismus des Fadenwurms über einen großen Zeitraum seines Lebens keine zufällige Zusammensetzung aufweist, was darauf hindeutet, dass die mikrobielle Gemeinschaft das Ergebnis gezielter Selektionsprozesse ist. Die Studie ist veröffentlicht in mBio.

Diese Annahme wird durch die Genomanalyse der Mikrobenarten im Wurmmikrobiom gestützt. Es wurden zahlreiche Gene gefunden, die für bestimmte Stoffwechselfunktionen verantwortlich sind, die für den Wirtsorganismus wichtig sind und auch in anderen Organismen relevant sind.

Mit diesen Ergebnissen zeigen die Kieler Forscher einmal mehr, dass sich der Spulwurm Caenorhabditis elegans besonders gut als aussagekräftiger Modellorganismus für die Erforschung des Darmmikrobioms eignet.

Dynamik der Mikrobiomzusammensetzung über die Lebensdauer des Fadenwurms

Um die Entwicklung der Mikrobiomzusammensetzung in C. elegans im Laufe der Zeit zu untersuchen, nutzte Dr. Agnes Piecyk, eine ehemalige Forscherin in der Gruppe Evolutionsökologie und Genetik, die die Experimente plante und leitete, eine charakteristische Gemeinschaft von 43 verschiedenen Bakterienarten kommt in der Natur typischerweise im Fadenwurm vor.

Sie führte diese mikrobielle Gemeinschaft in zuvor keimfreie Tiere ein und besiedelte sie auf einem Nährboden in unmittelbarer Nähe der Würmer und in separaten Petrischalen ohne jeglichen Kontakt mit den Tieren. Anschließend analysierten die Forscher, wie sich die Zusammensetzung dieser experimentellen Mikrobengemeinschaft unter verschiedenen Bedingungen im Laufe von etwa einer Woche zu sechs einzelnen Zeitpunkten veränderte – was der durchschnittlichen Lebensdauer der Fadenwürmer entspricht.

Im Verlauf des Experiments zeigte sich, dass die Zeit nur in den wirtsassoziierten Mikrobengemeinschaften, also den in den Würmern lebenden Bakterien, eine herausragende Rolle spielt. „Ihre Zusammensetzung veränderte sich so, dass bestimmte Bakterienarten häufiger auftraten“, sagt Dr. Johannes Zimmermann, ebenfalls Forscher in der Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik, der die Daten analysierte.

Beispielsweise sammeln sich im Darm des Wurms Ochrobactrum- und Enterobacter-Bakterien an. „Diese Dynamik lässt sich nicht überzeugend durch stochastische, also im Prinzip zufällige, Prozesse erklären. Wir wollten daher herausfinden, ob an der dynamischen Veränderung des Wurmmikrobioms über die Zeit möglicherweise gerichtete Prozesse beteiligt sind“, erklärt Zimmermann.

Die Genomanalyse gibt Aufschluss über die Auswahl bestimmter nützlicher Stoffwechselfunktionen

Im nächsten Schritt analysierte das Forscherteam die Genome der Mikroorganismen im Mikrobiom des Wurms, die alle genetischen Informationen der Bakteriengemeinschaften über die Lebensdauer der Würmer enthalten. Interessanterweise fanden die Forscher einige bemerkenswerte Ähnlichkeiten zwischen wirtsassoziierten mikrobiellen Gemeinschaften und Genen, die aus der menschlichen Mikrobiomforschung bekannt sind.

„Wir nehmen an, dass dies nicht auf Zufall zurückzuführen ist, sondern durch spezifische Interaktionen zwischen Wirt und Mikrobiom gesteuert wird, die die Zusammensetzung des Mikrobioms zu bestimmten Zeitpunkten in der Lebensspanne des Wirts beeinflussen.“

„Eine sehr plausible Erklärung für die Anreicherung bestimmter Bakterienarten in den Würmern im Vergleich zu den Kontrollgruppen könnte daher sein, dass der Wirt gezielt bestimmte Bakterien und die damit verbundenen Funktionen auswählt, die wiederum für den Wirtsorganismus von Vorteil sind“, betont Zimmermann .

Diese Hypothese wird weiterhin dadurch gestützt, dass die günstigen mikrobiellen Funktionen universell sind und über C. elegans hinausgehen, beispielsweise die Produktion von kurzkettigen Fettsäuren, Vitamin B12 oder anderen lebenswichtigen Substanzen.

Modellorganismus für die Darmmikrobiomforschung

Insgesamt kommen die Forscher zu dem Schluss, dass aufgrund der Dynamik der Mikrobiomzusammensetzung über die Lebenszeit des Wurms die assoziierten Bakterienarten bestimmte Konkurrenzstrategien entwickelt haben und dass insbesondere solche Arten bevorzugt werden, die dem Wirt bestimmte nützliche Funktionen bieten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die besiedelnden Mikroorganismen insgesamt für den Wirtsorganismus von Vorteil zu sein scheinen und ihn somit bei der Anpassung an seine Umgebung unterstützen.

„Mit unserer neuen Arbeit liefern wir wichtige konzeptionelle Grundlagen, die unser Verständnis über die Zusammensetzung und Funktion des Mikrobioms und den Einfluss des Wirtsorganismus auf seine Zusammensetzung erweitern“, sagt Schulenburg.

„Unsere auf der experimentellen Mikrobengemeinschaft basierende Studie zeigt zudem einmal mehr, dass C. elegans uns ein wertvolles Modellsystem zur Verfügung stellt, das auch für das Verständnis grundlegender Prozesse im menschlichen Darmmikrobiom und ihrer Folgen für Gesundheit und Krankheit relevant ist“, schließt Schulenburg.