Bakterien im menschlichen Darm

Bakteriengemeinschaften im Darm

Genetiker haben das Erbgut der im menschlichen Darm lebenden Bakterien bei Probanden aus mehreren Ländern und Kontinenten analysiert. Demnach gibt es drei verschiedene Typen von Populationen. Welche davon eine Person in sich trägt, scheint überraschenderweise unabhängig von Herkunft oder Wohnort zu sein.

Von Peer Bork

Spekrtum der Wissenschaft, Januar 2012, Seite 19 – 21

Seien Sie ehrlich: Kennen Sie Ihre Blutgruppe? Doch selbst wenn man nicht genau weiß, ob man Typ A, B, AB oder o angehört, ist den meisten klar, dass dieser Faktor über den Erfolg von Bluttransfusionen oder Transplantationen entscheidet. Seit Kurzem gibt es nun eine analoge Klassifizierung, die sich unabhängig von Herkunft und Wohnort durch die Menschheit zieht: die der Bakterienpopulationen im menschlichen Darm, welche sich in drei verschiedene  Typen  einteilen  lassen

Bakterien sind schon seit weit über 100 Jahren im Visier der Forscher – als Krankheitsverursacher, aber auch als Helfer wie zum Beispiel bei der Verdauung im Darm. Noch bis vor 30 Jahren ließen sich die Winzlinge nur im Mikroskop oder durch bestimmte biochemische Reaktionen sichtbar machen. Der Einsatz von Markermolekülen, in diesem Fall speziell der 16S-RNA, brachte eine ungeahnte Artenvielfalt der Bakterien zu Tage. Aber erforschen ließen sich nur jene wenigen, die bereitwillig im Labor wachsen. Dieser Anteil beläuft sich auf schätzungsweise ein Prozent aller Arten – das heißt, ein großer Teil sämtlicher existierender Lebewesen blieb uns bis vor Kurzem fast gänzlich verborgen.

Doch die ständig billiger werdenden Technologien zur Entschlüsselung von Erbmaterial verändern heute diese Situation. An der ersten Entzifferung eines menschlichen Genoms im Jahr 2001 waren noch hunderte Wissenschaftler aus aller Welt beteiligt – auch unsere Arbeitsgruppe -, und es hat viele Jahre gedauert. Heute erledigt ein so genannter Sequenzierroboter das in wenigen Stunden, und die Kosten werden schon bald die magische Grenze von 1000 Dollar pro Genom unterschreiten.

Aufwändige Puzzlearbeit

Bakterielle Genome zu analysieren, ist allerdings noch um einiges komplizierter – besonders wenn man einen kompletten Lebensraum wie ein paar Krümel Erde, einen Tropfen Wasser oder eine Stuhlprobe untersucht. Bislang sind lediglich ein paar tausend Bakteriengenome komplett entschlüsselt. Es sind aber allein in einem Gramm Erde ein Vielfaches mehr an unterschiedlichen Arten aufzufinden. Daher weiß man erst einmal nicht, zu welcher Bakterienart ein jedes der Milliarden von kurzen Basenpaaren gehört, die aus dem Sequenzierrobotor kommen, sondern muss sie mühsam zusammenpuzzeln.

Seit 2004 lässt sich das Erbmaterial vieler Bakterien aus einem Lebensraum bestimmen – Forscher sprechen hier von Metagenomik. Die ersten Veröffentlichungen betrafen Mikroben in einem Bakterienfilm aus einer alten Mine und solche im offenen Meer nahe den Bermudas. Ende 2005 trafen sich Experten in Paris, um ein gemeinsames Vorgehen bei der Entschlüsselung des Lebensraums Mensch zu diskutieren, und Ende 2008 wurde hierfür in Heidelberg schließlich ein internationales Konsortium gegründet.

Als wichtigster Körperteil des Menschen hinsichtlich von Mikroben gilt der Darm. Immerhin trägt jeder Mensch darin etwa ein bis zwei Kilogramm Bakterien mit sich herum. Rund 100 Trillionen Bakterienzellen leben in und an uns – also zehnmal so viel wie menschliche Zellen.

Darmbakterien produzieren viele es-senzielle Vitamine und erschließen für uns Teile der Nahrung. So zersetzen sie die Zellwände von Pflanzen, was unsere eigenen Verdauungsenzyme nicht können. Erste metagenomische Datensätze von Stuhlproben wurden 2006 veröffentlicht, beinhalteten aber weit weniger als 100 Megabasen, also nur rund ein Dreißigstel des menschlichen Genoms. Dank neuen Sequenziertechniken gelang 2020 ein wesentlicher Fortschritt, so dass Stuhlproben von über 100 Versuchspersonen mit jeweils etwa fünf Gigabasen sequenziert und analysiert werden konnten. Auch dies reichte zwar noch lange nicht, um die wahrscheinlich Tausende von Darmbakterien über das Erbmaterial zu klassifizieren, aber eine ungefähre Abschätzung der häufiger vorkommenden Artgenossen war nun möglich. Wir fanden bereits in dieser Probandengruppe 3,3 Millionen unterschiedliche Gene (unser menschliches Genom kodiert etwas mehr als 20000) – oft wussten wir allerdings nicht einmal, aus welchem Organismus sie stammen.

Die Frage blieb aber, wie sich die Darmflora von Mensch zu Mensch unterscheidet und was die Unterschiede ausmacht: unsere Herkunft? Der Lebensstil? Die Ernährung? Die Hygiene? Das Alter? Das Geschlecht? Daher untersuchten wir im Rahmen des länderübergreifenden Projekts MetaHIT (Abkürzung für: Metagenomics of the Human Intestinal Tract) Europäer aus vier Ländern und verglichen sie mit Japanern und Amerikanern. Wir wussten bereits, dass jeder Mensch sein eigenes Bakterienrepertoire hat – aber worin sie sich voneinander unterscheiden und ob und wie sie sich gruppieren lassen, war völlig unklar.

In jeder Probe ließ sich gut die Hälfte der kleinen Sequenzschnipsel mittels bioinformatischer Verfahren bestimmten Bakteriengruppen zuordnen und auch deren ungefähre Häufigkeit ermitteln. Als der Rechner dann alle Proben auf ihre Ähnlichkeit hin untersuchte, ergaben sich drei große Gruppen, die nichts mit der Herkunft der Personen zu tun hatten. Auch andere Daten wie Alter, Geschlecht und Gewicht spielten bei der Einteilung anscheinend nur eine untergeordnete Rolle. Wir können derzeit lediglich spekulieren, worauf die Gruppierung beruht.

Reger Informationsaustausch in unserem Darm

Jede der drei Populationszusammensetzungen, die wir Enterotypen nannten, zeichnet sich durch das besonders häufige Auftreten einer bestimmten Bakteriengruppe aus. Genau genommen scheinen es regelrechte Bakteriengemeinschaften zu sein, die gut miteinander zusammenarbeiten können (Nature 473, S. 174, 2011). Dafür spricht, dass wir sehr viele bakterielle Signalmoleküle in den Stuhlproben finden, die auf einen regen Informationsaustausch schließen lassen.

Obwohl Alter, Herkunftsland, Geschlecht oder Gewicht keine entscheidende Rolle bei der Gruppierung spielen, konnten wir für jedes dieser Attribute bakterielle Gene oder Stoffwechselwege finden, die damit korrelieren. Es gibt beispielsweise Gene, die mit steigendem Alter kontinuierlich zunehmen – man kann also das ungefähre Alter eines Menschen an der Menge bestimmter bakterieller Gene oder Stoffwechselketten in einer Stuhlprobe bestimmen. In der Praxis ist das zwar ziemlich sinnlos, da man sein Alter normalerweise kennt. Es zeigt aber, dass das bakterielle Erbmaterial in Stuhlproben wichtige Hinweise auf komplexe menschliche Eigenschaften liefert und sich wohl auch bei Erkrankungen einsetzen lässt: zur Diagnose etwa und vielleicht auch zur Prognose des Krankheitsverlaufs.

Schon heute weiß man, dass bestimmte Darmkrankheiten, aber auch Fettleibigkeit mit veränderter Darmflora einhergehen. Noch ist nicht bekannt, was dabei Ursache und was Wirkung ist, aber die Enterotypen könnten hier weiterhelfen. Wir haben beispielsweise festgestellt, dass einer davon sehr effektiv im Abbau von Kohlenhydraten zu sein scheint. Bei gleicher Ernährung werden dem Körper bei diesem Typ also vermutlich mehr verwertbare Nährstoffe zur Verfügung gestellt als bei den anderen – eine mögliche Ursache für Fettleibigkeit. Abhilfe könnte entsprechend eine kohlenhydratreduzierte Diät bringen.

Um solche und andere Vermutungen zu beweisen, braucht man allerdings noch viel mehr Daten, das heißt viel mehr Analysen von Stuhlproben aus breiten Bevölkerungsgruppen. Leider kostet eine einzige solche Analyse heute noch fast 1000 Euro. Um schneller an die notwendigen Daten zu kommen, führen wir deshalb zurzeit eine wissenschaftliche Studie durch, bei der jeder auf freiwilliger Basis seine Darmflora untersuchen lassen kann – allerdings auf eigene Kosten (http://my. microbes.eu). Dort kann sich ein Teilnehmer auch mit anderen Probanden mit ähnlicher Darmflora und eventuell ähnlichen Beschwerden oder Ängsten (zum Beispiel vor Fettleibigkeit) über Gegenmaßnahmen wie Medikamente oder Ernährungstipps austauschen: eine Art Facebook mit wissenschaftlichem Hintergrund.

Peer Bork ist promovierter Biochemiker und leitet eine Arbeitsgruppe am EMBt in Heidelberg.