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Digitale Bakterien: Damit sich Kranke gesund essen
Panorama 3 Min. 11.12.2016

Digitale Bakterien: Damit sich Kranke gesund essen

Die verschiedenen Bakterienkolonien im Darm haben einen wesentlichen Einfluss auf unser Wohlbefinden.

Digitale Bakterien: Damit sich Kranke gesund essen

Die verschiedenen Bakterienkolonien im Darm haben einen wesentlichen Einfluss auf unser Wohlbefinden.
Foto: Shutterstock
Panorama 3 Min. 11.12.2016

Digitale Bakterien: Damit sich Kranke gesund essen

Nathalie RODEN
Nathalie RODEN
Einem luxemburgischen Forschungsteam ist ein wichtiger Durchbruch gelungen, um die Komplexität der Bakteriengesellschaften im menschlichen Darm, des sogenannten Mikrobioms, am Computer zu modellieren.

Hunderte verschiedene Bakterienarten leben im menschlichen Verdauungstrakt. Sie helfen uns dabei, unsere Nahrung zu verdauen. Die Stoffwechselprozesse dieser Bakterien sind nicht nur extrem wichtig für unsere Gesundheit – sie sind auch enorm komplex.

Trotz zahlreicher wissenschaftlicher Erkenntnisse ist unser Wissen über diese Mikroorganismen noch gering. Einem Forschungsteam des Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (CSB) der Universität Luxemburg ist jetzt ein wichtiger Durchbruch gelungen, um die Komplexität der Bakteriengesellschaften im menschlichen Darm, des sogenannten Mikrobioms, am Computer zu modellieren. Dazu trugen ein Forschungsteam um die LCSB-Wissenschaftlerin Ines Thiele, Leiterin der Gruppe „Molecular Systems Physiology“, sämtliche bekannte Daten zum Stoffwechsel von 773 Bakterienstämmen zusammen – mehr als je zuvor in solchen Studien untersucht wurden. Ausgehend von diesen Daten entwickelten sie für jeden Bakterienstamm ein Computermodell. Die Sammlung dieser Modelle trägt die Bezeichnung „Agora“.

Ines Thiele erforscht die komplexe Welt des Darm- Mikrobioms.
Ines Thiele erforscht die komplexe Welt des Darm- Mikrobioms.
FOTO: MICHEL BRUMAT/ UNIVERSITY OF LUXEMBOURG

Die Bakterienarten, die im menschlichen Darm leben, helfen uns nicht nur unsere Nahrung zu verdauen – sie produzieren auch lebenswichtige Vitamine und beeinflussen den Abbau von Medikamenten. Die Verhältnisse dabei sind sehr komplex, da sich die Bakterien einerseits dauernd gegenseitig beeinflussen und zugleich in Kontakt mit den Darmzellen stehen. Dementsprechend spielen sie eine große Rolle für unsere Gesundheit – aber auch bei der Entstehung etlicher Krankheiten.

„Agora“ basiert auf einem neuen Konzept für die vergleichende Rekonstruktion bakterieller Stoffwechselmodelle, sagt Ines Thiele: „Es erlaubt die Analyse einer viel größeren Zahl von Bakterienstämmen, als das bisher möglich war. Mit 'Agora‘ können wir unter Zuhilfenahme weiterer Datensätze die metabolischen Wechselwirkungen innerhalb des Mikrobioms im Darm studieren und untersuchen, wie sie durch äußere Faktoren – etwa die Zusammensetzung der Nahrung oder den Stoffwechsel des Wirtsorganismus – beeinflusst werden.“

Stuhlgang liefert Informationen

Erstautorin der Studie ist Stefania Magnusdottir, die gerade ihre Doktorarbeit in Ines Thieles Gruppe am LCSB macht. „Die Basis unserer Veröffentlichung ist eine sorgfältige Untersuchung der Fachliteratur zum bakteriellen Stoffwechsel“, sagt Magnusdottir: „Wir haben dazu die bekannten experimentellen und genomischen Daten zusammengetragen. Dabei stellte sich heraus, dass beides – die bakteriellen Stoffwechseleigenschaften und die Nahrung – eine wichtige Rolle dabei spielen, wie die Mikroorganismen interagieren. Wir können nun personalisierte Modelle des Mikrobioms erstellen, indem wir die bakteriellen Computermodelle mit metagenomischen Daten verbinden – also Daten zum gesamten Genom des Mikrobioms im Darm. Diese erhalten wir, indem wir das Erbmaterial der Mikroorganismen in Stuhlproben gesunder und kranker Menschen sequenzieren.“

„Mit unseren Modellen können wir gezielt nach Stoffwechselwegen suchen, die grundlegende Bedeutung für das Mikrobiom des Darms haben“, sagt Co-Autor Ronan Fleming, der die Gruppe „Systems Biochemistry“ am LCSB leitet: „So lassen sich die konkreten Ursachen herausarbeiten, die Krankheiten auslösen, wenn im Stoffwechsel irgendetwas schiefläuft. Die 'Agora‘-Modelle erlauben es uns, den Einfluss der Wechselwirkungen zwischen Mikrobiom und Wirtsorganismus bei spezifischen Krankheiten zu untersuchen oder sie in der personalisierten Medizin einzusetzen.“

Den Stoffwechsel beeinflussen

Der Einsatz von „Agora“ zur Analyse des Darm-Mikrobioms erfordert eine enge Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaftlern, so wie beispielsweise Paul Wilmes, Leiter der LCSB-Gruppe „Eco-Systems Biology“. Mit seinem Team hat er Methoden entwickelt, mit denen sich Darmbakterien unter realen Bedingungen studieren lassen.

Für Ines Thiele ist die hohe Präzision der „Agora“-Modelle nicht das letzte Ziel: „Wir wollen vielmehr verstehen, wie die Mikroorganismen den menschlichen Stoffwechsel beeinflussen, wenn wir die Diät verändern“, sagt sie. „Das kann uns Hinweise darauf geben, wie wir Krankheiten vorbeugen oder diese behandeln können. Das kann geschehen, indem wir beispielsweise Nahrungsmittelzusätze identifizieren, die die Wechselwirkungen in einem erkrankten Darm-Mikrobiom beeinflussen, sodass die metabolischen Funktionen eines gesunden Mikrobioms imitiert werden.“ 

Das Team des LCSB veröffentlicht seine Ergebnisse im Fachjournal „Nature Biotechnology“. Die Sammlung prädiktiver metabolischer Modelle können Wissenschaftler im Internet einsehen.


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