Bakterien haben sich an alle terrestrischen Umgebungen angepasst. Einige haben sich so entwickelt, dass sie im Darm von Tieren überleben, wo sie eine wichtige Rolle für ihren Wirt spielen; Sie liefern Energie, indem sie unverdauliche Nahrung abbauen, sie trainieren und regulieren das Immunsystem, sie schützen vor dem Eindringen pathogener Bakterien und sie synthetisieren neuroaktive Moleküle, die das Verhalten und die Wahrnehmung ihres Wirts regulieren.
Das sind große Vorteile für den Wirt, aber welche Vorteile ziehen die Bakterien daraus? Sicherlich bietet der Wirt ein komfortables Zuhause, aber versorgt der Wirt auch einheimische Bakterien mit Nährstoffen, die es ihnen ermöglichen, sich anzusiedeln?
Es ist eine schwierige Frage, die mit Hilfe von … Bienen beantwortet werden kann. Professor Philipp Engel vom Department of Fundamental Microbiology (DMF) der UNIL in Dorigny hat es auf die Westliche Honigbiene (Apis mellifera) abgesehen. Sie sind im Vergleich zum Menschen und seiner Darmmikrobiota ein relativ einfach zu untersuchendes System.
Dieses Insekt ist vor allem für den köstlichen Honig bekannt, den es produziert. Es ist auch ein hervorragendes experimentelles Modell für die Darmmikrobiota-Forschung: Es hat eine bemerkenswert einfache und stabile Mikrobiota erhalten, die aus nur etwa zwanzig Bakterienarten besteht. Im Labor der Engel-Gruppe werden Bienen ohne Darmbakterien gezüchtet und dann mit bestimmten Arten gefüttert, die den Darm besiedeln.
Vollpension für die Bakterien
Bienen lieben es, sich an nährstoffreichem Pollen und Honig zu ernähren, können aber auch mit einer Ernährung, die nur aus Zuckerwasser besteht, längere Zeit überleben. Doch was passiert mit den Darmbakterien?
Eine Studie veröffentlicht in Naturmikrobiologie der Lausanner Wissenschaftler bringt neue Erkenntnisse: Dr. Andrew Quinn und Ph.D. Kandidatin Yassine El Chazli suchte zunächst nach Beweisen dafür, dass die Bakterien Nährstoffe miteinander teilen, wenn Bienen nichts weiter als Zuckerwasser erhalten. Denken Sie daran, dass Darmbakterien bekanntermaßen Nahrungsnährstoffe sowie Abfallprodukte anderer Mikroorganismen verbrauchen.
Ihre ersten Ergebnisse ließen sie jedoch ratlos zurück: Ein bestimmtes Bakterium im Darm, Snodgrassella alvi, kann Zucker nicht verstoffwechseln, um zu wachsen, und besiedelte dennoch den Bienendarm, als Zucker das einzige Nahrungsmittel in der Nahrung war und keine anderen Bakterien vorhanden waren.
Durch die Messung der Metaboliten im Darm entdeckten die Wissenschaftler, dass die Biene mehrere Säuren (Zitronensäure, Apfelsäure, 3-Hydroxy-3-methylglutarsäure usw.) synthetisiert, die in den Darm exportiert werden und bei S. alvi weniger häufig vorkamen gegenwärtig. Diese Ergebnisse veranlassten sie, eine unerwartete Hypothese aufzustellen: Ermöglicht die Biene S. alvi direkt, ihren Darm zu besiedeln, indem sie die notwendigen Nährstoffe liefert?
Bildbeweis
Der Beweis dieser Hypothese war überraschend schwierig, aber glücklicherweise befand sich die Schlüsselkompetenz gleich gegenüber im Labor von Professor Anders Meibom (angegliedert an UNIL und EPFL). Professor Meibom und sein Team sind Experten für die Messung des Metabolitenflusses in komplexen Umgebungen mit einer Auflösung im Nanometerbereich mithilfe eines der wenigen NanoSIMS-Instrumente (Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry) in Europa.
Gemeinsam entwickelten die beiden Teams ein Experiment, bei dem mikrobiotafreie Bienen eine spezielle Glukosenahrung erhielten, bei der die natürlichen 12C-Kohlenstoffatome in der Glukose durch die natürlich seltenen 13C-„markierten“ Isotope ersetzt wurden.
Anschließend wurden die Bienen mit S. alvi besiedelt. Am Ende des Experiments begaben sich die fixierten Eingeweide auf eine Reise und passierten zunächst die Elektronenmikroskopie-Einrichtung der UNIL unter der Leitung von Dozentin Christel Genoud.
Anschließend ging es weiter zum Labor von Professor Meibom und seinem NanoSIMS. Am Ende konnten die Wissenschaftler ein zweidimensionales „Bild“ der 13C-Atome im Darm der Biene erstellen, das zeigte, dass die S. alvi-Zellen deutlich mit 13C angereichert waren, was die 13C-Anreicherung der Säuren widerspiegelte im Darm vorhanden.
Zur Rettung der Bienen
So konnte das Team in einem einzigen Bild schlüssig zeigen, dass die Biene Nahrung für ihre Darmbakterien synthetisiert. „Dies ist ein wunderbares Beispiel für eine hochmoderne, wirklich interdisziplinäre wissenschaftliche Zusammenarbeit, die mehrere wissenschaftliche Einheiten innerhalb der UNIL und der EPFL zusammengebracht hat“, kommentiert Anders Meibom.
„Wenn wir auf diese Weise zusammenarbeiten, gibt es nicht viele akademische Umgebungen auf der Welt, die mehr zu bieten haben“, fügt der Professor hinzu, der ein Pionier bei der Anwendung von NanoSIMS-Technologien auf die kompromisslosen Fragen der Biologie ist.
„Es ist möglich, dass sich auch viele andere Darmmikroorganismen von aus dem Wirt stammenden Verbindungen ernähren“, sagt Co-Hauptautor Dr. Andrew Quinn und stellt sich eine Ausweitung dieses Ansatzes auf andere Bakterien vor. Um den Fokus erneut auf Bienen zu richten: „Diese Ergebnisse könnten auch erklären, warum Bienen über eine so spezialisierte und konservierte Darmmikrobiota verfügen.“
Diese Mechanismen könnten eine Rolle bei der Anfälligkeit der Bienen gegenüber dem Klimawandel, Pestiziden oder neuen Krankheitserregern spielen: „Ihre Anfälligkeit könnte aus einer Störung dieser komplexen Stoffwechselsynergie zwischen der Biene und ihrer Darmmikrobiota resultieren. Wir wissen bereits, dass sie dem Herbizid Glyphosat ausgesetzt sind.“ macht Bienen anfälliger für Krankheitserreger und verringert die Häufigkeit von S. alvi im Darm. Jetzt suchen wir mit diesen neuen Erkenntnissen nach Antworten auf diese drängenden Fragen.“
Mehr Informationen:
Andrew Quinn et al.: „Vom Wirt abgeleitete organische Säuren ermöglichen die Darmbesiedlung des Honigbienen-Symbionten Snodgrassella alvi. Naturmikrobiologie (2024). DOI: 10.1038/s41564-023-01572-y