Das Mikrobiom von Kühen unter der Lupe
Wiederkäuer wie Rinder sind insofern einzigartig, als sie eine spezifische Anatomie haben, die es ihnen ermöglicht, Pflanzen zu verdauen, die sonst unverdaulich wären. So enthält der Vormagen, der Pansen, eine Ansammlung von Mikroorganismen, das sogenannte Mikrobiom, das es dem Tier ermöglicht, die verzehrte pflanzliche Biomasse aufzuspalten und in Energie umzuwandeln. „Diese Zusammenarbeit zwischen der Kuh und ihrem Mikrobiom hat sich im Laufe der Jahrmillionen so weit entwickelt, dass das Tier bei der Verdauung seiner Nahrung auf sein Mikrobiom angewiesen ist“, erklärt Itzhak Mizrahi(öffnet in neuem Fenster), Professor an der Ben-Gurion-Universität des Negev(öffnet in neuem Fenster). Mizrahi sagt, dass diese Beziehung auch auf den Menschen einen großen Einfluss hat. „Es ist dasselbe Mikrobiom, das es den Kühen ermöglicht, die in den Pflanzen gespeicherte Energie in für den Menschen verdauliche Nahrungsmittel wie Fleisch und Milch umzuwandeln“, ergänzt er. Weil diese symbiotische Beziehung zwischen Kühen und Menschen so erfolgreich ist, hat sich die Viehzucht zu einer der wichtigsten Formen der Nahrungsmittelproduktion entwickelt. Aber diese Beziehung bringt auch Herausforderungen mit sich. So verbrauchen die weltweit 1,5 Milliarden Kühe etwa 20 % aller auf der Erde angebauten Nutzpflanzen und bedecken fast 30 % der gesamten Landmasse der Erde. Außerdem entsteht beim mikrobiellen Faserabbau Methan, ein hochgradig potentes Treibhausgas, das in die Atmosphäre abgegeben wird. „Kritische Herausforderungen wie der Klimawandel, die Erhaltung der Umwelt und die Lebensmittelsicherheit lassen sich alle auf den Pansen und das dort ansässige Mikrobiom zurückführen“, so Mizrahi. „Je mehr wir also über das Mikrobiom wissen, desto eher werden wir in der Lage sein, die Verfügbarkeit von Nahrungsmitteln zu erhöhen und umweltfreundliche Nutztiere zu entwickeln.“ Mit Unterstützung des vom erc.europa.eu (Europäischen Forschungsrat) finanzierten Projekts RuMicroPlas leitet Mizrahi ein Forschungsteam, das eben das erreichen will.
Plasmide und das Pansen-Ökosystem
Einer der Hauptschwerpunkte des Projekts waren Plasmide, mobile genetische Elemente in Zellen, die sich unabhängig von den Chromosomen replizieren können. „Unser Ziel war es, die Rolle der Plasmide im Ökosystem des Pansens zu verstehen – wie sie überleben, wenn sich das Ökosystem verändert, wie sie sich im Laufe der Zeit entwickeln und ob sie verändert oder kontrolliert werden können“, erklärt Mizrahi. Bei dem Versuch, diese Fragen zu beantworten, entdeckten die Forschenden, dass sogar bei Kühen desselben Betriebs, die genau dasselbe Futter fressen, unterschiedliche Mikrobiom-Ökosysteme existieren. „Wir fanden heraus, dass einige dieser Ökosysteme weniger Energie an das Tier abgeben und mehr Methan emittieren, während andere mikrobielle Gemeinschaften weniger Methan emittieren und mehr Energie an das Tier abgeben, was zu einer höheren Milchproduktion führt“, erläutert Mizrahi. Das Forschungsteam glaubt, dass dieser Unterschied auf die Plasmide zurückzuführen ist. „Plasmide sind Träger einer riesigen Anzahl von Genen, aber wir wissen nicht genau, wofür viele von ihnen kodieren“, fügt Mizrahi hinzu.
Mehr Energie und weniger Methan
Was die Forschung weiß, ist, dass diese Gene möglicherweise so moduliert werden könnten, dass sie die Entwicklung des Mikrobiom-Ökosystems beeinflussen würden. „Ein solcher Eingriff würde es uns ermöglichen, Ökosysteme zu schaffen, die in der Lage sind, mehr Energie und weniger Methan zu produzieren“, so Mizrahi abschließend. „Dies wäre ein großer Schritt zur Verbesserung der Ernährungssicherheit und gleichzeitig zur Verringerung der schädlichen Treibhausgasemissionen, die für den Klimawandel verantwortlich sind.“ Auf dieser Grundlage wendet sich die Forschung nun der Frage zu, wie ein produktiveres – und weniger gashaltiges – Ökosystem des Mikrobioms geschaffen werden kann, das im Mittelpunkt des EU-finanzierten RuMinimum-Projekts steht.
