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Der menschliche Darm: Sorten sind der Schlüssel zu guter Gesundheit

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Zwei neue Studien unterstreichen die Bedeutung der Untersuchung von Bakterienstämmen bei der Analyse des menschlichen Darmmikrobioms.

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Jeden Tag ändern sich die Milliarden von Bakterien, die Ihr Verdauungssystem bewohnen; die Nahrung, die Sie zu sich nehmen, die Medikamente, die Sie einnehmen, und die Keime, denen Sie ausgesetzt sind, bewirken, dass einige Bakterien mehr gedeihen als andere. Wissenschaftler wissen, dass dieses sich ständig ändernde Gleichgewicht der Darmmikroben mit Ihrer Gesundheit und Krankheit zusammenhängt, aber sie haben sich schwer getan, herauszufinden, was ein mikrobielles Gleichgewicht besser als ein anderes macht.      

In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler das Mikrobiom einer Person – die Ansammlung von Mikroben im menschlichen Darm – allgemein beschrieben, indem sie charakterisierten, welche Bakterienarten und in welchen Mengen vorhanden sind. Nun hat eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Katie Pollard, PhD, am Gladstone Institute zwei neue Studien veröffentlicht, die darauf hindeuten, dass die Überwachung der Bakterienstämme – und nicht nur der Spezies – bessere Einblicke in das Mikrobiom liefern könnte.

Bakterienstämme sind ein bisschen wie Hunderassen oder Tomatensorten – Teile derselben Art, die sich jedoch voneinander unterscheiden.

In einer in der Zeitschrift Nature Biotechnology veröffentlichten Studie arbeitete Pollards Labor mit Stephen Nayfach, PhD, einem Forscher am Joint Genome Institute des US-Energieministeriums, an der Entwicklung einer neuen Computermethode zur Analyse der Bakterienstämme, die in einer Mikrobiomprobe viel vorhanden sind schneller und kostengünstiger als bestehende Technologien. Der neue Ansatz, so Pollard, werde es Forschern ermöglichen, umfassendere und genauere Analysen des Mikrobioms als je zuvor durchzuführen.

In einem separaten Artikel, der online in Genome Research veröffentlicht wurde, arbeitete Pollard mit den Labors von Benjamin Good, PhD, und Michael Snyder, PhD, an der Stanford University zusammen, um die Bakterienstämme zu verfolgen, die im Mikrobiom einer Person zu 19 verschiedenen Zeitpunkten über einen 5- Monat, einschließlich vor und nach einer Antibiotikakur. Sie fanden heraus, dass in einigen Fällen die Häufigkeit einer Bakterienart zwischen den Zeitpunkten konstant blieb, sich jedoch die Stämme innerhalb dieser Art dramatisch veränderten.

Mikrobiome sinnvoll machen

In Ihrem Darm tun Bakterien wahrscheinlich mehr, als nur Ihre Nahrung zu verdauen. Tatsächlich haben Studien gezeigt, dass Menschen mit so unterschiedlichen Erkrankungen wie entzündlichen Darmerkrankungen, Asthma, Autismus, Diabetes und Krebs andere Bakterien in ihrem Verdauungssystem haben als gesunde Menschen. Aus diesen Beobachtungen sind jedoch bisher nur wenige Behandlungen hervorgegangen, die auf das Mikrobiom abzielen.

Da jedes Bakterium seinen eigenen genetischen Code hat, verlassen sich Wissenschaftler auf die DNA-Sequenzierung, um herauszufinden, welche Bakterien das Mikrobiom einer bestimmten Person bewohnen. Die Analyse der DNA-Sequenzen ist jedoch aufgrund der Größe und Komplexität der Daten schwierig. Die Forscher können zwar vorhandene Methoden nutzen, um zu bestimmen, welche Arten vorhanden sind, diese liefern jedoch nur einen Teil des Bildes der Vielfalt und Funktion des Mikrobioms. Dies liegt daran, dass die verschiedenen Stämme einer einzigen Bakterienart erhebliche genetische Unterschiede aufweisen können, die oft groß genug sind, um unterschiedliche Verhaltensweisen hervorzurufen.

Bisher erforderte die Identifizierung genetischer Unterschiede in einer Mikrobiomprobe Hochleistungsrechenleistung und Cloud-Speicher – etwas, das den meisten Labors nicht zur Verfügung steht. Die Forscher mussten Millionen von DNA-Fragmenten aus den Genomen von Tausenden von Bakterien im Mikrobiom mit einer Datenbank mit den Sequenzen jedes bekannten Mikroorganismus vergleichen.

Pollard und ihre Kollegen wussten, dass lange Genomsequenzen bei vielen Bakterienarten oder -stämmen üblich sind. Daher können diese Sequenzen nicht verwendet werden, um einen bestimmten Bakterienstamm zu lokalisieren. Inspiriert von Ansätzen, die nur die variabelsten Regionen des menschlichen Genoms analysieren, machte sich das Team daran, die minimale Menge an Sequenzinformationen zu finden, die sie aus den Mikrobiomdaten auswählen müssten, um die darin enthaltenen Stämme zu identifizieren.

Die Forscher analysierten über 100,000 öffentlich verfügbare und qualitativ hochwertige Genome von etwa 900 Bakterienarten, die häufig im menschlichen Darm vorkommen. Sie entdeckten 104 Millionen kurze DNA-Stränge in den Bakteriengenomen, die am häufigsten zwischen Bakterienstämmen variieren. Dann nutzten sie diese Informationen, um einen neuen Algorithmus namens GenoTyper for Prokaryotes (GT-Pro) zu entwickeln, der die Sequenzdaten des Mikrobioms nach genauen Übereinstimmungen mit den Schlüsselstrings durchsucht, die als Identifikatoren für Bakterienstämme dienen. Im Gegensatz zu früheren Methoden zur Sequenzausrichtung passt GT-Pro in den Speicher eines Laptops und erfordert keine Hochleistungs-Computing- und Cloud-Credits.

Bisher war das Forschungsfeld dadurch eingeschränkt, dass weltweit nur wenige Labore über das Geld oder die Computerhardware verfügen, um Mikrobiomdaten mit der Auflösung von Stämmen zu analysieren.

vor und nach Antibiotika

Eine der Fragen, die Mikrobiom-Forscher in den letzten Jahren zu beantworten versuchten, ist, wie sehr sich das Mikrobiom im Körper einer Person im Laufe der Zeit verändert. Diese Frage wurde auf Artenebene angegangen; Wissenschaftler haben verfolgt, wie sich die Artenzusammensetzung des Mikrobioms des Menschen zusammen mit Ernährung, Krankheiten oder Umweltveränderungen ändert. Die Ergebnisse können jedoch nicht erklären, wie das Mikrobiom neue Funktionen wie Antibiotikaresistenz oder die Fähigkeit zur Inaktivierung von Chemotherapeutika erhält, wenn die Artenzusammensetzung von Monat zu Monat stabil bleibt.

Pollard und ihre Kollegen wollten dieser Frage auf einer tieferen Ebene nachgehen, indem sie analysierten, wie sich Bakterienstämme und nicht nur Arten im Laufe der Zeit verändern. Sie haben eine Methode zur Sequenzierung einzelner menschlicher Zellen umfunktioniert und zum Barcode von bakteriellen DNA-Molekülen verwendet. Dies ermöglichte es der Gruppe, einzelne Bakterienstämme bei einer Person im Verlauf einer 5-monatigen Studie zu verfolgen.

Das Team sequenzierte das Mikrobiom eines gesunden Individuums ungefähr einmal pro Woche über 5 Monate. Während dieses Zeitraums wurde bei der Person überraschenderweise Lyme-Borreliose diagnostiziert und sie erhielt eine zweiwöchige Behandlung mit Antibiotika, von denen bekannt ist, dass sie viele Bakterienarten eliminieren, einschließlich derer, die im menschlichen Darm leben.

In einigen Fällen war dies der Fall – bestimmte Arten und Stämme von Mikroben waren bemerkenswert widerstandsfähig und zeigten zu Beginn und am Ende des 5-Monats-Zeitraums nahezu unveränderte Genome. Aber in anderen Fällen waren die nach Antibiotikagaben vorhandenen Stämme genetisch anders als zu Beginn, obwohl sich die Häufigkeit der Arten nicht veränderte. Wichtig ist, dass diese Unterschiede übersehen worden wären, wenn das Team nur die Arten analysiert hätte, die in jeder Mikrobiomprobe vorhanden sind.

Obwohl der GT-Pro-Algorithmus für diese Studie noch nicht verfügbar war, sagt Pollard, dass er ähnliche zukünftige Studien viel einfacher – und billiger – durchführen würde.

Einen neuen Weg für Mikrobiomstudien einschlagen

Die Bakterien in Ihrem Körper sind wie ein Dschungel – ein lebendiges, sich veränderndes Ökosystem mit Organismen, die in einem empfindlichen Gleichgewicht koexistieren. Wenn man sich Satellitenbilder von oben ansieht, können Ökologen die tiefgreifendsten und drastischsten Veränderungen eines Dschungels beobachten, aber sie verpassen die feineren Feinheiten, die die Umwelt prägen.

In ähnlicher Weise haben diejenigen, die das Mikrobiom untersuchen, indem sie beobachten, wie sich die Arten ändern, einen Überblick über das Netzwerk erhalten und nur die offensichtlichsten Verbindungen zu Gesundheit und Krankheit sehen. Aber mit GT-Pro und einer neuen Sicht auf Mikrobenstämme, sagt Pollard, werden neue Verbindungen sichtbar.

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Über den Autor

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Chefredakteurin ist Linda Hohnholz.

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