Bakterielle Gemeinschaft im Mikroskop

„Reverse Ökologie“ deckt sich anpassende Mikrobengemeinschaften auf, die mit dem Alter und schweren Erkrankungen in Verbindung stehen, und ebnet den Weg für präzisere Mikrobiom-Diagnostik und -Therapien.

Der menschliche Darm beherbergt Billionen von Bakterien, die eine wichtige Rolle bei der Verdauung, der Immunabwehr und bei Krankheiten spielen. Forscher:innen der Universität Wien, der Veterinärmedizinischen Universität Wien, der medizinischen Universität und des Forschungszentrums FFoQSI haben einen neuen Weg vorgestellt, um die spezifischen Gruppen von Darmbakterien zu identifizieren, die mit der menschlichen Gesundheit und Krankheit in Verbindung stehen – indem sie die Evolution nachzeichnen.

Mithilfe eines Ansatzes namens „Reverse Ecology“ zeigte das Team, dass viele verbreitete Darmbakterienarten mehrere unterschiedliche Stämme enthalten, die sich so entwickelt haben, dass sie unter verschiedenen Bedingungen im menschlichen Körper gedeihen. Einige dieser angepassten Gemeinschaften stehen im Zusammenhang entzündlichen Darmerkrankungen, Darmkrebs und Typ-2-Diabetes und könnten als Marker dienen, anhand derer Personen mit solchen Erkrankungen identifiziert werden können.

Anstatt Mikroben nach traditionellen Artenbezeichnungen oder einfacher genetischer Ähnlichkeit zu gruppieren, sucht der Ansatz nach evolutionären Spuren – insbesondere nach genomweiten „selektiven Sweeps“ –, die darauf hindeuten, wann ein vorteilhaftes Merkmal es einem Stamm ermöglichte, seine nahen Verwandten zu verdrängen, zu ersetzen und sich auszubreiten. Dies unterscheidet sich grundlegend davon, wie sich Anpassungen bei Pflanzen und Tieren ausbreiten, wo der sexuelle Fortpflanzungsprozess Gene im Laufe der Zeit innerhalb einer Population verbreitet.

„Indem wir die in bakteriellen Genomen verankerten Spuren der natürlichen Selektion entschlüsseln, können wir die tatsächlichen ökologischen Zusammenhänge identifizieren, die für die menschliche Gesundheit von Bedeutung sind“, sagte Xiaoqian Yu, die Erstautorin von der Universität Wien. Cameran Strachan, Zweitautor, Mitarbeiter der Unit Lebensmittelmikrobiologie der Vetmeduni und am FFoQSI tätig, sagt: „Dies konzentriert sich auf die Populationen, die die Evolution im menschlichen Darm bereits auf die Probe gestellt hat.“

Bei der Analyse umfangreicher Sammlungen von Genomen bakterieller Isolate und Metagenomen von Menschen unterschiedlichen Alters, Gesundheitszustands und geografischer Herkunft stellten die Forscher:innen fest, dass genomweite Sweeps im menschlichen Darmmikrobiom weit verbreitet sind. Infolgedessen enthalten viele als solche bezeichnete Bakterienarten mehrere, durch Sweeps verursachte Subpopulation – von denen einige starke, krankheitsrelevante Zusammenhänge aufweisen, die mit klassischen Ansätzen übersehen werden können.

Eine wichtige Erkenntnis der Studie war zudem, dass sich solche adaptiven Bakterienpopulationen, nachdem sie vermutlich in einem einzelnen Individuum entstanden sind, innerhalb von Jahrzehnten weltweit ausbreiten können.

Die Arbeit unterstreicht zudem die Bedeutung der Übertragung für die Gestaltung der Gemeinschaftszusammensetzung. Die Forscher:innen vergleichen Menschen mit Inseln, die durch Brücken verbunden sind – kurz und breit zwischen nahen Verwandten, länger und schmaler zwischen nicht verwandten Menschen. Bakterien überqueren diese Brücken mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, doch ihre langfristige Etablierung hängt davon ab, inwieweit die Anpassungen der Neuankömmlinge zur ökologischen Landschaft der ansässigen Gemeinschaft passen.

 

Der Artikel "Genome-wide sweeps create ecological units in the human gut microbiome" von Xiaoqian Annie Yu, Cameron R. Strachan, Craig W. Herbold, Michaela Lang, Christoph Gasche, Athanasios Makristathis, Nicola Segata, Shaul Pollak, Adrian Tett und Martin F. Polz ist in Nature erschienen.
 

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